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Stand der Technik
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In den traditionellen Verbrennungsmotoren im Anfang des Arbeitshubs, wann der Druck der Gasen im Zylinder maximale ist, das Drehmoment an Kurbelwelle von dieser maximalen Kraft die Null ist, weil dabei die Pleuelstange und die Kurbel auf einziger geraden Linie liegen. Diese Verluste vermindern den effektiven Druck und entsprechend den Wirkungsgrad.
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In dem Verbrennungsmotor gemäß der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 027 202 A1 (1) sinken sich wesentlich die oben genannten Verluste. Dafür enthält erden zusätzlichen Teil (
6a) einer Optimalform rechts am Oberkopf des jeden Pleuels. Es ist bekannt, das ein Kolben zusammen mit dem Pleuel bei dem Ausgang aus dem Obertatpunkt, das heißt in dem Anfang des Arbeitshubs, sehr große Beschleunigung mit der Richtung nach unten hat. Deshalb entsteht die Trägheitskraft von oben genanntem Teil (
6a), die ein Wendemoment mit der Richtung gegen den Uhrzeigersinn an der Pleuelstange bildet. Deswegen entsteht in dem Kontakt des Pleuels mit dem Kurbelzapfen eine Kraft, die ein Drehmoment mit der Richtung im Uhrzeigersinn bildet. Solche Drehmomente von Trägheitskräften entstehen bei der Wirkung allen Takten der Arbeit des Motors und ein wesentliche Zulegen zum Drehmoment an der Kurbelwelle bilden. Es erhöht den effektiven Druck, was es den Kraftstoffsverbrauch sinkt. Das Zulegen zum Drehmoment ist eine Ergänzung der Optimierung der Anordnung der Vektoren der Kräfte während der Arbeit des Motors, was auch seinen Wirkungsgrad erhöht.
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Der Verbrennungsmotor gemäß der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 028 188 A1 (2) enthält die zusätzlichen Teile an dem Pleuelkopf und auch an dem Pleuelfuß, was die Effektivität von der Wirkung der Trägheitskräfte erhöht. Dabei wird die Menge der Auspuffgase proportional vermindert. Dieses Prinzip der Verbesserung der ökonomischen und ökologischen Kennziffern verschiedener Motore nach ihr Modernisierung ist tauglich vorzugsweise an der Stadium der Projektierung und Serienproduzierung der Motore, weil für den Ersatz der Pleuel die fast ganz Abbauen des Motors notwendig ist.
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Verbrennungsmotor gemäß der Patentschrift
DE 10 2006 061 484 B3 (3) entsteht die Pleuel mit den zusätzlichen Teilen, die die Funktion der exzentrischen Massen für die Bildung der Ergänzendrehmomente, und der Funktion der Führungselemente für die Stabilisierung der Kolbenachsen.
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Diese Druckschriften (1), (2), (3) sehen die Modernisierung vor, die nicht immer für die Motoren, die sich in Betrieb befinden, wegen oben genannten hohen Arbeitsaufwande man realisieren kann. Es hat große Bedeutung, weil in der Welt ungefähr zum Beispiel eine Milliarde Autos mit der traditionellen Motoren in dem Betrieb gibt es, wobei die verschiedenen Verbrennungsmotoren in verschiedenartigen Maschinen und Aggregaten existieren. Deshalb ist real Notwendigkeit eine technische Lösung für die Modernisierung der Mehrheit der betrieben traditionellen Verbrennungsmotore.
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Aufgabe der Erfindung
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Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verbrennungsmotors mit erhöhten ökonomischen und ökologischen Kennziffern mit Hilfe der weiteren Optimierung der Größe und Anordnung der Vektoren der Trägheitskräfte in seinem Kurbelbetriebe bei der Möglichkeit der Einfachheit der Montage der zusätzlichen Teile an den Pleuelstange.
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Das Ziel wird dadurch erreicht, dass jeder zusätzliche Teil an dem Pleuel, der die positive Trägheitskräfte bildet, vorzugsweise mit einem U-förmiges Spanneisen erfüllt; seine Außenfläche wird mit der Zylinderfläche bei dem montage-wärmen Spiel gekoppelt; seiner Oberrand befindet sich unter Unterrand des Kolbens.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen:
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1: Der Längsschnitt eines Verbrennungsmotors mit den zusätzlichen Teilen rechts an den Pleuelstangen unter den Kolben.
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2: Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der Lage 0 des Kolbens; die Vektoren der Beschleunigung des Kolbens und der Trägheitskraft von dem zusätzlichen Teil.
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3: Der Querschnitt B-B gemäß 2: der zusätzliche Teil wird an der Pleuelstange befestigt; die Außenfläche dieses Teils wird mit der Zylinderfläche gekoppelt.
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4: Der Querschnitt A-A gemäß 1: die Vektoren der Beschleunigung und Trägheitskraft bei der Lagen I, II des Kolbens; die Torsionsmomentenebene von dem zusätzliche Teil bei der Platzierung der Kurbel in dem Quadrant Q.
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5: Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der Lagen III, IV des Kolbens; die Kurbel befindet sich in dem Quadrant P; Torsionsmomentenebene von dem zusätzlichen Teil in den Quadranten Q, P.
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6: Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der Lage V, des Kolbens – in dem Untentatpunkt; die Torsionsmomentenebene von dem zusätzlichen Teil in den Quadranten Q und P.
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7: Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der Lage IV des Kolbens; die Kurbel befindet sich in dem Quadrant R; Torsionsmomentenebene von dem zusätzlichen Teil in den Quadranten Q, P und R.
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8: Der Querschnitt A-A gemäß 1 bei der Lage V des Kolbens; die Kurbel befindet sich in dem Quadrant S; Torsionsmomentenebene von dem zusätzlichen Teil in den Quadranten Q, P, R, S.
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9: Zyklogramm-Drehmomente von einem Verbrennungsmotor vor und nach der Modernisierung entsprecend der Erfindung.
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Der Verbrennungsmotor besteht aus dem Zylinderblock (1) mit den Zylindern (Z), dem Zylinderkopf (2) und der Ölwanne (3). In den Zylindern (Z) befinden sich die Kolben (4) mit den Kompression- und Ölabschiederingen (5). Die Kolben (4) sind mit Hilfe der Pleuelstange (6) und der Kolbenbolzen (7) mit der Kurbeln (8) der Kurbelwelle (9) verbinden. Die Kurbelwelle (9) läuft in der Lagern (10) mit der Bedeckungen (11). Die Kurbelwelle hat die Gegengewichte (12) und den Schwungrad (13).
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An jeder Pleuelstange (6) wird ein zusätzlicher Teil (15) mit Hilfe einem U-förmigen Spanneisen (16) und einer der Schraube (17) montiert. Der Teil (15) enthält vorzugsweise eine Platte (15a) mit der Oberfläche (15b), die sich mit der Zylinder (Z) während der Bewegung des Kolbens (4) mit dem Pleuelstange (6) nach unten immer gekoppelt. Die Breite (M) der Platte (15a) ist kleiner als der Abstand (N) zwischen der Gegengewichtigen (12). Der Teil (15) und Spanneisen (16) haben die symmetrischen zwischen einander Krallen entsprechend – (15c) und (16a), dabei die Oberflächen (15c) und (16a) immer in einzigen Fläche liegen. Der Teil (15) wird vorzugsweise an der Kant der Pleuelstange (6) montiert, dabei der Oberrand der Platte (15a) sich unter der Kolbenschaft befinden.
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Die Einwirkung der Trägheitskräfte von den zusätzlichen Teilen (15) rechts an der Pleuelstange (6) kann man an einem typischen Verbrennungsmotor mit realen Maßen und Parameter als auf einem Beispiel sehen: Leistung Pe = 102 kW, Drehzahl n = 6100 l/min, Drehmoment M = 159 Nm;
l = 157 mm – die Lange der Pleuelstange;
y = 60 mm – der Abstand zwischen dem eigenen Schwerpunktes (T1) der Pleuelstange (6) und der Pleuelfußachse.
h = 3,2 mm – der Abstand zwischen der eigener Pleuelstangeachse mit dem Schwerpunkt (T1) und dem Schwerpunke (T3) der Pleuelstange (6) mit dem zusätzlichen Teilen (15);
K – der Abstand zwischen dem Schwerpunkt (T1) und dem Schwerpunkt (T2) des zusätzlichen Teil (15);
m15 = 80 g – die Masse des zusätzlichen Teils (15);
mPs = 600 g – die eigene Masse der Pleuelstange.
MPsz = 600 + 80 = 680 g – die ganze Masse der Pleuelstange (6) mit dem Teil (15).
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Für die Analyse des Einflusses der Trägheitskräfte auf den Hauptparameter eines Verbrennungsmotors ist nötig in jeden Quadranten – Q, P, R, S – der Zone des Kurbeldrehens diese Kräfte zu bestimmen.
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Es ist allbekannt, dass eine Trägheitskraft FTr = –am, wo a – Beschleunigung, m – Masse.
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Das Zeichen (–) bedeutet, dass der Vektor der Trägheitskraft hat die Richtung, die immer gegen die Führung des Vektors der Beschleunigung hat.
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Gemäß der Formel 13.8 aus dem Buch „Verbrennungsmotoren” – Grundlagen, Verfahrenstheorie, Konstruktion” von Dr. A. Urlaub – Springer-Verlag – 1995 s. 366 Beschleunigung des Kolbens ak = dc/dt = dc/dφ × dφ/dt = rω2(cosφ + λcos2φ),
wo r = 0,043 m – der Radius der Kurbel; λ = r/l = 0,043/0,157 = 0,275;
ω – Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle;
φ – Winkel der Wendung der Kurbelwelle.
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Die maximale Drehzahl n = 6100 l/min, ω = 638,5 Rad/S
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In der Lage 0 bei dem Anfang des Arbeitshubs φ = 0.
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Die Beschleunigung ao = rω2(1 + λ) = 0,0405 × 638,52 × (1 + 0,275) = 21051,7 m/S2. Die hat ihre Richtung nach unten.
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Der Kolben (4) bewegt während des Taktes „Arbeitshub” aus dem oberen Totpunkt nach unten mit dieser Beschleunigung von der Wirkung Gasendruck. Zusammen mit dem bewegt die Pleuelstange (6) mit der summarischen Masse 0,68 kg auch mit dieser Beschleunigung. Die Trägheitskraft der Pleuelstange FTr0 = 0,68 × 21051,7 = 14315 N, die hat ihre Richtung nach oben und beilegt sich zum Schwerpunkt (T3) der Pleuelstange (6). Diese Kraft hält die Pleuelstange (6) in ihrer Absolutbewegung zurück. Dabei kann man die Pleuelstange (6) wie einen Hebel betrachten. Dieser Hebel strebt von Wirkung der Trägheitskraft um Kolbenbolzen (7) gegen Uhrzeitigersinn zu wenden und in dem Kontakt des Pleuelfusses mit der Kurbel (8) auf die Kurbelwelle (9) wirkt ein. Deshalb entsteht das Drehmoment M0 = FTr0 h = 14315 × 0,0032 = 45,81 Nm, das die Richtung gegen Uhrzeigersinn hat. Bei der weiteren Bewegung des Kolbens (4) nach unten führt die Trägheitskraft zu wirken weiter. Diese Kraft wird zum Schwerpunkt (T3) beiliegt und nach oben geführt. Deshalb im Kontakt des Pleuelfußes mit der Kurbel (8) entsteht die Kraft Fzus.0 = M0/y = 45.81/0,06 = 763.5 N. Diese Kraft bildet ein Drehmoment an der Kurbelwelle (9) mit der Richtung im Uhrzeigersinn hat. Deshalb ist in dem Ausgang des Kolbens die Ergänzung zum Hauptmoment des Motors. Dieses zusätzliche Drehmoment Mzus0 = Fzus0 × r = 763.5 × 0,043 = +32,8 Nm. (+20,6%)
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Es bedeutet, dass in Anfang des Arbeithubs in beliebigen modernisierten entsprechend der Erfindung Verbrennungsmotor – in der Unterschied von allen traditionellen Motors – in dem Anfang des Arbeitshubs von den Trägheitskräften infolge der Montage der zusätzlichen Teile (15) rechts am Pleuel (6) ein wesentliche Drehmoment entsteht.
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In dem Quadrant Q zum Beispiel bei φ = 40° befindet sich der Kolben (4) in Lage I.
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Dabei: Die Beschleunigung a40 = rω2(cosφ + λcos2φ) = 0,0405 × 638,52 × (cos40° + 0,275 × cos80°) = 12647,6 m/S2. Sie hat die Richtung nach unten. Deshalb Trägheitskraft FTr.40 = 12647,6 × 0,68 = 8600 N. Das Drehmoment an der Pleuelstange von dieser Trägheitskraft MTr.40 = FTr.40·z/cosψ40, wo ψ – der Winkel der Neigung der Pleuelstange. MTr40 = 8600 × 0,0032/0,98 = 28,1 Nm.
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Die zusätzliche Kraft Fzus40 = MTr40 × cosα/y = 28,1 × 0,643/0,06 = 301 Nm; (α = 90° – 40° = 50°).
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Das zusätzliche Drehmoment an der Kurbelwelle Mzus40 = Fzus40 × r = 301 × 0,043 = +12.9 Nm (+8,1%). Dieses Drehmoment hat auch die Richtung im Uhrzeigersinn. Es bedeutet, dass dieses Drehmoment sich zur Hauptdrehmoment des Motors beifügt.
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In dem Quadrant Q, wann der Winkel zwischen der Pleuelstange (6) und der Kurbel (8) 90° (bei φ = 74,6°), ist die Beschleunigung des Kolbens seine Richtung an die gegenüberliegend wechselt, die Beschleunigung Null ist und deshalb das zusätzliche Drehmoment Mzus74,6 = 0.
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In dem Quadranten Q und P wachst die Größe der Beschleunigung von der Null in dem Quadrant Q bis der Vertikallage der Pleuelstange (6). Dabei hat die Richtung des Vektors der Beschleunigung nach oben. Es bedeutet, dass die Richtung des Vektors der Trägheitskraft nach unten hat, das heißt die Trägheitskraft ein Drehmoment mit der Richtung im Uhrzeigersinn bildet. Zum Beispiel entsteht bei φ = 140° die Beschleunigung a140 = –11859 m/S2 und entsprechend das zusätzliche Drehmoment Mzus.140 = +10 Nm (+6,2%) mit der Richtung auch im Uhrzeigersinn.
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In der Lage III befindet sich der Kolben (4) in Untentatpunkt. Bei dem Ausgang aus dem der Vektor der Beschleunigung hat die maximale negative Größe. also = –rω2(1 – λ) = –11970,6 m/S2. Dabei ist das zusätzliche Drehmoment Mzus.180 = +15,8 Nm (+10%) mit der Richtung auch im Uhrzeigersinn.
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In dem Quadrant R hat die Beschleunigung ihrer Richtung nach oben bei der allmählichen Verminderung ihrer Größe. Zum Beispiel ist in Lage IV des Kolbens bei φ = 220° die Beschleunigung a220 = 11405 m/S2. Dabei ist Trägheitskraft FTr.220 = 6843 N. Sein Moment M220 = 9,7 Nm. Zusätzliches Drehmoment an Kurbelwelle Mzus.220 = +10 Nm (+6,2%)
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Nach den Übergang der Kurbel (8) in den Quadrant S die Größe der Beschleunigung des Kolben (4) und folglich der Pleuel (6) verlängert zu vermindern, das an der Zusätzlichdrehmomentenlinie gespiegelt wird. Bei φ = 287,6°, wann die Pleuelstange relativ der Kurbel (8) senkrecht ist, die Beschleunigung a287,6 = 0. Bei der weiteren Drehung der Kurbel taucht die Beschleunigung ihre Richtung, dabei ihr Größe anzuwachsen anfangt. Zum Beispiel ist Beschleunigung a320 = 12647 m/S2. Das zusätzliche Drehmoment an der Kurbelwelle, in der Lage V des Kolbens, Mzus.320 = +13,4 Nm (+8,4%). Bei dem weiteren Drehen der Kurbelwelle (9) wachset die Beschleunigung an und der Kolben in der Ausganglage – Lage 0 mit dem zusätzlichen Drehmoment Mzus.0 = +32,8 Nm (+20,6%) kommt. Der Zyklus sich wiederholt.
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Die Anordnung der Krallen (15c), (16a) unweit von dem Pleuelkopf und dem Pleuelfuß fehlt praktisch Entstehung des Biegemomentes von der Trägheitskräften an der Pleuelstange (6).
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In traditionellen Verbrennungsmotoren in den Quadranten R und S das Drehmoment MR,S = 0.
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Die Anordnung des zusätzlichen Teils rechts am Pleuelstange ermöglicht die Effektivität der Arbeit des Verbrennungsmotors wegen der Wirkung der Trägheitskräfte von der zusätzlichen Teilen bedeutend erhöht.
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Dabei ist zweckmäßig bei dieser Modernisierung des negativen Einfluß der Zulage der Masse der Pleuelstange von den zusätzlichen Teilen. Diese Zulage wird infolge einer Verminderung der Schwungradesmasse kompensiert.
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Die Hauptfunktionen Funktionen des Schwungrades sind Versorgen der Durchführung der Kolben bis oben Totpunkt infolge seiner zusammen mit der Kurbelwelle Trägheit, ebenso der Gleichmäßigkeit der Drehung der Kurbelwelle. In der traditionellen Motor wird die Masse des Schwungrades bei dem Drehmoment in Anfang des Taktes „Arbeitshub” M0 = 0.
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In dem modernisierten Motor wirken die zusätzlichen Drehmomente von der Trägheitskräften der zusätzlichen Teilen (15) bei den allen Takten, was die Masse des Schwungrades vermindern lässt. Außerdem sinken sich die Kraftstoffverbrauch und Metallansatz ebenso Menge des Auspuffes entsprechend auch sinkt. Dabei erhöht das Beschleunigungsvermögen des Motors.
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Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:
- – Der Kraftstoffverbrauch und entsprechend die Quantität des Auspuffs wird reduziert.
- – Das Beschleunigungsvermögen erhöht sich durch die Erhöhung des effektiven Drucks.
- – Die Leichgängigkeit der Arbeit des Motors wird erhöht, die Geräusch sich sinkt.
- – Die ökologischen Eigenschaften des Verbrennungsmotors und anderen Kolbenmaschinen werden verbessert.
- – Die Möglichkeit der Modernisierung mit vermindertem Arbeitsaufwand der Motore, welche sich in Nutzung befinden.
- – Diese technische Lösungen sind taugliche auch für den Kompressoren und anderen Kolbenmaschinen.
- – die Erfindung lässt diese Modernisierung ohne Demontage den Baugruppen „Kolben-Pleuel” auszuführen, was wesentlich die Arbeit vereinfacht.
- – Die Erhöhung der Leistung an dem Verbrennungsmotor erhöht seine Effektivität, weil mit der Erhöhung der Drehzahl die Trägheitskräfte von den zusätzlichen Teilen (15) anwachsen.