DE19507082A1 - Orbital lift gear for cam operating system used in internal combustion engine - Google Patents
Orbital lift gear for cam operating system used in internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein orbitales Hubgetriebe für insbesondere Verbrennungs kraftmaschinen, dessen Hub zur Achse eines Sonnenrades exzentrisch umlaufenden Mitnehmers mit einer Kurbel ausgeführt ist und für den Zylinder ein bereichsweise geführter Kolben besteht, der zusammen mit einem Knickhebel an einem die Führung vermittelnden Körper mit der Maßgabe angreift, daß sich eine Einwirkung auf die Bewegungsbahn des Kolbens ergibt, wobei der Kolben in Antriebsverbindung mit einem schwingenden Getriebeelement steht, und dabei ferner Kammern wechselnden Rauminhaltes bildet, während der Kolben geführt ist und der Knickhebel seine Knickstellung durchläuft.The invention relates to an orbital jack for combustion in particular engines, the stroke of which rotates eccentrically to the axis of a sun gear Carrier is designed with a crank and a guided for the cylinder in some areas Piston exists, which together with an articulated lever on a mediating the guide Attacks body with the proviso that an action on the movement path of the Piston results, the piston being in driving connection with an oscillating one Gear element stands, and also forms chambers of changing volume, while the piston is guided and the articulated lever passes through its articulated position.
Ein Getriebe dieser Art ist nach der PCT-Anmeldung EP 88/00367 bekannt.A transmission of this type is known from PCT application EP 88/00367.
Danach wird eine Steuerung der Kolbenwegung vorgeschlagen, bei welcher die Verwendung von geteilten Pleueln anstatt des sonst üblichen einteiligen Pleuels vorgesehen ist. Hierdurch soll die Kinematik der Maschine verändert werden, mit der Maßgabe, daß der Kolben wesentlich länger im Bereich des oberen Totpunktes verbleibt. Diese verlängerte Verweilzeit läßt sich so einstellen, daß die Zündung erst dann erfolgt, wenn durch den Druck auf den Kolben auch ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt wird. Die durch Verbrennung freigesetzten Kräfte stellen sich als Gewinn der nutzbaren Leistung dar. Zusätzlich wird der Verbrennungsablauf leichter abgefangen, was sich vor allem für ein verbessertes Abgasverhalten bei Stickoxiden auswirken soll. Die auftretenden Massenkräfte lassen sich wegen der speziellen Getriebekinematik dieser Maschine nur schwer beherrschen.Then a control of the piston movement is proposed, in which the Using split connecting rods instead of the usual one-piece connecting rod is. This is intended to change the kinematics of the machine, with the proviso that the Piston remains much longer in the area of top dead center. This extended Dwell time can be set so that the ignition only takes place when the pressure torque is also exerted on the crankshaft on the piston. By Forces released from combustion represent a gain in usable power. In addition, the combustion process is intercepted more easily, which is particularly useful improved exhaust gas behavior with nitrogen oxides. The occurring mass forces can be difficult due to the special gear kinematics of this machine dominate.
Wie eine eingehende Untersuchung über die Anwendung des bekannten Standes der Technik zeigt, sind derartige Getriebe jedoch für Verbrennungskraftmaschinen noch unbefriedigend, auch wegen ihres eingeschränkteren Drehzahlniveaus, MTZ Motortechnische Zeitschrift 49 (1988) 3. Zwar lief eine mit diesem Getriebe ausgestattete Maschine einwandfrei und weich, doch da die Konstruktion verhältnismäßig massenreich ausgeführt werden mußte, war die Höchstdrehzahl zwangsläufig auf 2300/min begrenzt.As an in-depth investigation into the application of the known state of the art Technology shows, such gears are still for internal combustion engines unsatisfactory, also because of their limited speed level, MTZ Motortechnische Zeitschrift 49 (1988) 3. A gearbox equipped with this gearbox was running Machine flawless and soft, but since the construction is relatively large had to be carried out, the maximum speed was inevitably limited to 2300 / min.
Die vorstehend dargestellten Nachteile sollen durch eine Weiterentwicklung behoben werden, wobei einerseits die trägen Massen herabgesetzt und andererseits Maßnahmen zur Wirkungsgradverbesserung geschaffen werden.The disadvantages described above are to be remedied by further development are, on the one hand the inert masses reduced and on the other hand measures for Efficiency improvement can be created.
Demgemäß wird die Erfindung in der Lösung der Aufgabe gesehen, das nutzbare Drehmoment zu erhöhen und dabei den Kraftstoffverbrauch und die Abgasmenge zu reduzieren sowie das mögliche Drehzahlniveau in Bezug hierauf und vornehmlich im Vergleich zu selbstzündenden Maschinen deutlich anzuheben. Ein einwandfreier und weicher Betrieb soll bei erzielter Verbesserung beibehalten bleiben, wohingegen sich das Abgasverhalten vor allen Dingen beim NOx verbessern soll. Die Anwendbarkeit soll dadurch gesteigert werden, daß die Erfindung demgemäß konstruierbar ist. Schließlich ist das erfindungsgemäße Getriebe für Arbeits- und Kraftmaschinen gleichermaßen anwendbar.Accordingly, the invention is seen in solving the problem, the usable Increase torque while increasing fuel consumption and the amount of exhaust gas reduce and the possible speed level in relation to this and primarily in Compared to self-igniting machines. A flawless and soft operation should be maintained with improvement achieved, whereas that Exhaust behavior should improve above all with NOx. The applicability should thereby be increased that the invention can be constructed accordingly. After all, that is Gearbox according to the invention for work and power machines equally applicable.
Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung durch den Vorschlag des Patentanspruches 1 und seiner Unteransprüche.The invention solves this problem by proposing claim 1 and its subclaims.
Die Neuerung erreicht dies insbesondere durch die passende Art des Kurbeltriebaufbaus. Dieser Bedingung wird das schwingende Getriebeelement gerecht, welches zusammen mit einem Koppelelement die Form der Bewegungsbahn für die Anlenkstelle des Kolbens erstrangig vorgibt, wobei über die Formgebung hinausgehend das Ausmaß der Bewegungsbahn berücksichtigt wird. Schließlich wird die Lage der Bewegungsbahn gleichfalls von diesen Elementen gesteuert. Die gemeinsame Einstellung für die hier entscheidende Gestaltung führt interessanterweise zu einem zuvor nicht erkennbaren Fortschritt.The innovation achieves this in particular through the appropriate type of crank mechanism construction. The vibrating gear element, which together with a coupling element, the shape of the movement path for the articulation point of the piston primarily specifies, going beyond the shape of the extent of Trajectory is taken into account. Finally, the location of the trajectory also controlled by these elements. The common attitude for those here Interestingly, decisive design leads to a previously unrecognizable Progress.
Die schon erwähnte, für den Ablauf der Kolbenbahn bzw. deren Totpunkte, maßgebliche Einsteuerung der Bewegungsbahn bildet die Grundlage für das Leistungsbild der Erfindung, nach welcher nicht nur eine einzelne Verbesserung erzielt wird, sondern ein breites Spektrum des erfindungsgemäßen Ergebnisses. Der Einsatz dieser Getriebeelemente, insbesondere als Mehrgelenke in Form von Winkelhebeln, erlaubt die Einstellung auch für schwierige Fahrstrecken.The one already mentioned, which is decisive for the course of the piston path or its dead center Control of the movement path forms the basis for the performance picture of the invention, according to which not only a single improvement is achieved, but a broad one Spectrum of the result according to the invention. The use of these gear elements, especially as multi-joints in the form of angle levers, the setting also allows for difficult routes.
Soweit Bezug genommen ist auf den oberen Totpunkt (OT), ist dies gleichbedeutend mit der Definition "äußerer Totpunkt", wohingegen für den unteren Totpunkt (UT) auch der "innere Totpunkt" gewählt werden kann. Außerdem ist es nötig, die Begriffe "schwingendes Getriebeelement" und "Schwinge" kontextabhängig synonym zu verwenden.As far as reference is made to top dead center (OT), this is equivalent to the Definition of "outer dead center", whereas for "bottom dead center" also the "inner dead center" Dead center "can be selected. It is also necessary to use the terms" swinging Gear element "and" swing arm "to be used synonymously depending on the context.
Nach dem Stand der Technik wird die genannte Verbindung theoretisch auf ein mit drei Stäben zusammengesetztes Steuergelenk bezogen, bei welchem dem Viergelenkgetriebe ein weiterer fünfter Gelenkpunkt exzentrisch zugefügt ist, der das Gelenkgetriebe zum Fünfgelenksystem (hier mit Getriebefreiheitsgrad = 1) entwickelt. Mit Rücksicht auf die geometrischen Abmessungen der Schwinge ist beim speziellen Stand der Technik die Verbindung der Gelenke und deren Einsatzbereich schwierig. Daher ist die erfindungsgemäße Verwendung eines dreieckförmigen Getriebeelementes als (Winkel-) Schwinge vorteilhaft, denn die eingeschränkte Schwingengeometrie beim speziellen Stand der Technik reduziert die Einsatzmöglichkeiten beträchtlich. Die Schwingengestaltung ermöglicht darüber hinaus eine einfache Möglichkeit zur positiven Beeinflussung des Unwucht- bzw. Massendruckverhaltens des Motors. Dies gilt sowohl mit als auch ohne besondere Ausgestaltung des Koppelgliedes.According to the prior art, the connection mentioned is theoretically one with three Rods composed control joint, in which the four-bar transmission Another fifth articulation point is added eccentrically, which the articulated gear to Five-joint system (here with gearbox degree of freedom = 1) developed. With respect to that Geometric dimensions of the rocker is in the special prior art Connection of the joints and their area of application difficult. Hence the Use of a triangular gear element according to the invention as (angular) Swing arm advantageous because of the restricted swing arm geometry in the special stand technology significantly reduces the possible uses. The swing design also allows an easy way to positively influence the Imbalance or mass pressure behavior of the engine. This applies both with and without special design of the coupling link.
Die Erfindung schafft daher die Voraussetzung für eine differenziertere Gestaltung der Elemente mit den Zielsetzungen, wie sie geschildert sind.The invention therefore creates the prerequisite for a more differentiated design of the Elements with the objectives as described.
Da die zweckmäßige Anlenkung des Kolbens zur Gewährleistung einer präzisen Betriebseinstellung beiträgt, welche gegen Verformung empfindlich ist, wirkt die Verwendung der erfindungsgemäßen Schwingen- bzw. Koppelausbildung als Mehrgelenke, insbesondere in Form von Winkelhebeln, vorteilhaft. Dies gilt auch dann, wenn Stützkörper für eine Stabilisierung des Getriebes vorgesehen werden, wie es der Fall ist, wenn beispielsweise der Kolbenboden entweder mit einer Stange oder mit der Dreiecksspitze eine feste Verbindung eingeht, so daß zum Zwecke der Beweglichkeit die Erfindung Gebrauch macht von einer Längsführung der Anlenkstelle(n) bzw. der (Schwingen-)Platine. Letztere bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die Gelenkstellen entlang der Platinenkanten verstellbar sind, so daß die Betriebsweise der Maschine von Fall zu Fall ohne Veränderung der Platine anpaßbar ist.Since the appropriate articulation of the piston to ensure a precise Operating setting, which is sensitive to deformation, acts Use of the swing arm or coupling design according to the invention as multiple joints, especially advantageous in the form of angle levers. This also applies when supporting bodies be provided for stabilization of the transmission, as is the case when for example the piston crown either with a rod or with the triangular tip one firm connection is received, so that the invention use for the purpose of mobility makes of a longitudinal guide of the articulation point (s) or the (swing) board. Latter offers the additional advantage that the articulation points can be adjusted along the edges of the board are, so that the operation of the machine from case to case without changing the board is customizable.
Erfindungsgemäß kommt bei passender konstruktiver Ausführung im Ergebnis ein Abtrieb zustande, der zu einer deutlich erhöhten Wirtschaftlichkeit der Maschine führt und darüber hinaus die Reduktion der durch die Massenträgheit an der Kurbel hervorgerufenen Kräfte bzw. Momente erzielt. According to the invention, with the appropriate design, the result is an output condition that leads to a significantly increased economy of the machine and above furthermore the reduction of the forces caused by the inertia on the crank or moments achieved.
So läßt sich speziell eine Maschine ausführen, bei welchem ein Kolben in einem Zylinder bewegt wird, dessen Achse die verlängerte Verbindungslinie zwischen den Drehachsen von Kurbelwelle und Schwinge in einem Winkel schneidet, wodurch bei einer Kurbelwellenumdrehung vorzugsweise ein kompletter Viertaktprozeß ablaufen kann.In particular, a machine can be designed in which a piston in a cylinder whose axis is the extended connecting line between the axes of rotation of Crankshaft and swing arm cuts at an angle, which at one Crankshaft rotation can preferably run a complete four-stroke process.
Hierbei erzielt das Getriebe infolge der besonderen Getriebekinematik, in Laufrichtung vom Kolbenboden ausgehend und bezüglich des Abtriebs gesehen, einen Bereich günstiger Kraftübertragungsfunktion, da sich die Energie besonders während des motorinternen Expansionstaktes vorteilhaft in mechanische Wellenleistung transferieren läßt.Here, the gearbox achieves due to the special gearbox kinematics, in the Starting from the piston crown and with regard to the output, an area more favorable Power transmission function, since the energy is particularly during the engine Expansion clock can advantageously be transferred into mechanical shaft power.
Gleichfalls erhält man die Möglichkeit, sehr flexibel und in besonderem Maße auf die spezifischen prozeßbestimmenden Größen, wie Druck und Temperatur, interaktiv Einfluß auszuüben - auch während eines Prozeßablaufes.Likewise, you get the opportunity to be very flexible and in particular to the specific process-determining variables, such as pressure and temperature, interactively influence exercise - even during a process.
Beispielsweise gestattet es die - je nach Auslegungsparameter - mehr oder minder lange Verweilzeit um den UT eine zeitlich günstig zu taktende Steuer- und Regeleinrichtung einzusetzen, welche den Motor (ggf. kennfeldorientiert) an das jeweils geeignetste Kompressionsverhältnis führt. Folglich bietet sich also auch die Perspektive, das maximal auftretende Temperaturniveau niedrig zu halten, den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und damit dem Ziel näher zu kommen, die Stickoxide wirksam zu verringern, bzw. das Abgasverhalten insgesamt zu verbessern.For example, depending on the design parameters, it allows more or less time Dwell time around the UT a control device that can be timed at a low rate to use the engine (possibly map-oriented) to the most suitable Compression ratio leads. Consequently, there is also the perspective, the maximum keeping the occurring temperature level low increases the thermal efficiency improve and thus come closer to the goal of effectively reducing nitrogen oxides, or to improve the exhaust gas behavior overall.
Weiterhin reduziert die vergleichsweise größere Kolbengeschwindigkeit im Arbeitstakt die thermischen Wandwärmeverluste. Die bereits angedeutete Zylinderneigung verringert hierbei die auftretende Normalkraftkomponente auf die Zylinderwand. Zwar bleibt diese vom Betrag her unter Umständen über dem des speziellen Standes der Technik, jedoch ist die normale Verschleißverteilung der Zylinderlauffläche weitgehend auf andere Ursachen zurückzuführen, vor allem auf hohe Temperaturen und Drücke, desweiteren noch auf Verbrennungsprodukte, Werkstoffpaarung der Gleitpartner sowie deren Schmierung, während die Kolbengeschwindigkeit eher im umgekehrten Verhältnis zu ihrer Größe für die Standzeit bzw. nominelle Lebensdauer des Zylinders ausschlaggebend ist.Furthermore, the comparatively higher piston speed in the work cycle reduces the thermal wall heat losses. The cylinder inclination already indicated is reduced the normal force component occurring on the cylinder wall. This remains from The amount may be higher than that of the special prior art, but the normal wear distribution of the cylinder barrel largely to other causes attributable, especially to high temperatures and pressures, furthermore to Combustion products, material pairing of the sliding partners and their lubrication, while the piston speed is inversely related to its size for the Service life or nominal service life of the cylinder is decisive.
Bei den zuvor genannten Haupteinflußgrößen ermöglicht die Erfindung jedoch ebenfalls Verbesserungsmöglichkeiten, wie weiter unten ausgeführt wird.However, the invention also enables the main influencing factors mentioned above Possibilities for improvement, as explained below.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine kann beispielsweise als OTTO- wie auch als DIESEL-Motor arbeiten, wobei vor allem im letztgenannten Fall die Direkteinspritzung auch ohne eine Vorkammer erfolgen kann.The piston machine according to the invention can be used, for example, as an OTTO or as DIESEL engine work, especially in the latter case, the direct injection too can be done without an antechamber.
Man kann, neben der Ausführung mit einem konventionellen Tauchkolben, wie vorgeschlagen, einem (ggf. zusätzlichen) Kolben Gestalt und Funktion eines Schwenk hebels verleihen. Bei einer Beaufschlagung desselben wirkt der Kolben als Schwenkhebel. Indem das Schwenkhebelgelenk beaufschlagt wird, kommt man mit einem relativ geringen Kraftaufwand zu einem beachtlich großen Kraftumsatz innerhalb des Systems. Die sonst erforderliche Geradführung entfällt hierbei. Sie wird in diesem Fall durch die Führungseigenschaft des Schwenkkolbenlagersystems ersetzt.You can, in addition to the version with a conventional plunger, like proposed a (possibly additional) piston shape and function of a swivel lend levers. When the same is acted upon, the piston acts as a swivel lever. By applying the pivot lever joint, one comes up with a relatively small one Exertion of force to a remarkably large power conversion within the system. The otherwise the required straight guidance is not required. In this case, the Leadership of the swivel piston bearing system replaced.
Die Verwendung von Führungskörpern benötigt man, und zwar gleichgültig, ob eine Geradführung oder eine beispielsweise mittels Zahnrädern hergestellten Zwangsführung vorgesehen ist. Auf diese Weise ist vor allem eine verbesserte Steuerung einzelner Elemente des neuen Getriebes miteinander ausführbar.The use of guide bodies is required, regardless of whether one Straight guidance or a positive guidance produced for example by means of gears is provided. This is above all an improved control of individuals Elements of the new gearbox can be executed together.
Die Erfindung verbessert den innermotorischen Verbrennungsprozeß, indem sie es gestattet, den Motor zu "modulisieren", d. h. z. B. keine Zylinderabschaltung um den Wirkungsgrad von anderen arbeitenden Zylinder zu verbessern, sondern vielmehr die Verwendung aller Zylinder eines Motors bei niedrigeren Motordrehzahlen sowie bei hohen mittleren effektiven Arbeitsmitteldrücken, also besserem Wirkungsgrad.The invention improves the internal combustion process by making it allowed to "modulate" the engine, i. H. e.g. B. no cylinder deactivation To improve efficiency of other working cylinders, but rather the Use of all cylinders of an engine at lower engine speeds and at high ones mean effective working medium pressures, i.e. better efficiency.
Dies gelingt durch die Einführung neuer Regelparameter, welche sich aus der Kombination des orbitalen Hubgetriebes mit einer variablen Ladungswechsel-Steuerungseinrichtung bzw. mit einem auf den konventionellen Ventiltrieb selektiv abstimmbaren Steuerorgan entwickeln lassen. Hieraus ergibt sich eine weitere deutliche Minderung des Verbrauchs und der Schadstoffemission, insbesondere im Teillastbereich in dem bekanntlich der effektive Wirkungsgrad stark abnimmt, da der reale Kreisprozeß immer mehr von dem idealen Prozeß abweicht. Außerdem erhöht sich die Flexibilität der Kolbenmaschine bezüglich ihrer Anwendbarkeit und Betriebsweise.This is achieved by introducing new control parameters, which result from the combination of the orbital lifting gear with a variable charge exchange control device or with a control element that can be selectively tuned to the conventional valve train to let. This results in a further significant reduction in consumption and Pollutant emissions, especially in the partial load range, which is known to be the effective one Efficiency drops sharply because the real cycle process more and more of the ideal process deviates. In addition, the flexibility of the piston machine with respect to it increases Applicability and mode of operation.
Bekanntermaßen stellt das Verdichtungsverhältnis ε in diesem Zusammenhang eine entscheidende konstruktive Größe dar:As is known, the compression ratio ε is one in this context decisive structural size:
- - Der thermische Wirkungsgrad des Prozesses steigt (nichtlinear) mit steigendem ε.- The thermal efficiency of the process increases (non-linearly) with increasing ε.
- - Die Verbrennungsspitzentemperatur steigt mit steigendem ε.- The combustion peak temperature increases with increasing ε.
- - Der Verbrennungshöchstdruck steigt mit steigendem ε.- The maximum combustion pressure increases with increasing ε.
Wegen der dominierenden Bedeutung der Verbrennungsspitzentemperatur für die Stickoxidbildung muß im allgemeinen bei steigendem ε mit steigender NOx-Konzentration im Abgas gerechnet werden.Because of the dominant importance of the combustion peak temperature for the Nitrogen oxide formation must generally with increasing ε with increasing NOx concentration in the exhaust gas.
Da nur nach erfolgreicher Lösung spezifischer Probleme der Verbrennung eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses gegenüber den heute üblichen Werten möglich ist, insbesondere aber im Teillastbereich, stellt die Erfindung hierzu ein anwendungsabhängiges Spektrum an Variations- und Optimierungsmöglichkeiten zur Verfügung.Since an increase only after successfully solving specific combustion problems the compression ratio compared to today's values is possible, but especially in the partial load range, the invention provides an application-dependent Spectrum of variation and optimization possibilities available.
Nun ist die Zeit bis zur Selbstzündung eines bestimmten Gemisches aus Luft und dem zu verarbeitenden Kraftstoff unter definierten Randbedingungen eine physikalische Konstante. Für einen selbstzündungsfreien Betrieb eines Ottomotors ist es daher von Bedeutung, die Zündverzugszeit mit der für das Arbeitsspiel benötigten Zeit zu unterlaufen. Hierzu kann entweder die Drehzahl des Motors gesenkt oder, und hierauf konzentrieren sich die Arbeiten der Erfindung zusätzlich, die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit erhöht werden. Darüber hinaus sollen die Flammenwege kurz gehalten werden. Da die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit durch Gemischturbulenzen ganz erheblich gesteigert werden kann, zeigt eine erfindungsgemäße Kolbenvariante diesbezügliche Konstruktionsmerkmale, wie beispielsweise die bei einem Schwenkkolben realisierte Quetschströmung, vgl. Fig. 2.1f.Now the time until a certain mixture of air and the fuel to be processed auto-ignite is a physical constant under defined boundary conditions. For an auto-ignition-free operation of a gasoline engine, it is therefore important to avoid the ignition delay time with the time required for the working cycle. For this purpose, either the speed of the engine can be reduced or, and the work of the invention is also concentrated on this, the flame propagation speed can be increased. In addition, the flame paths should be kept short. Since the flame propagation speed can be increased considerably by mixed turbulence, a piston variant according to the invention shows related design features, such as, for example, the squeezing flow realized in a swinging piston, cf. Fig. 2.1f.
Der für die Steigerung des Brennstoffumsatzes wichtigste Effekt ist jedoch die außerordentlich starke Gemischbewegung, hervorgerufen durch die mit zunehmender Annäherung des Kolbens an seinen oberen Totpunkt zwischen Zylinderkopf und den am Kolbenboden angebrachten Quetschzonen gepreßte Zylinderladung.However, the most important effect for increasing fuel sales is extraordinarily strong mixture movement, caused by the increasing Approach of the piston to its top dead center between the cylinder head and the Piston base attached squeeze zones pressed cylinder charge.
Distanzen zwischen Kolben und Zylinderkopf können dabei mit den heutigen Fertigungsmöglichkeiten auch in der Großserie auf weniger als 0,2 mm eingestellt werden. Zudem sieht die Erfindung eine Einrichtung am Schwingenlager vor, z. B. in Form eines verstellbaren Exzenters, mit dem ggf. eine Justierung des Getriebes vorgenommen werden kann.Distances between the piston and cylinder head can be changed with today's Manufacturing options can also be set to less than 0.2 mm in large series. In addition, the invention provides a device on the swing arm bearing, for. B. in the form of a adjustable eccentric, with which the gearbox can be adjusted if necessary can.
Grundsätzlich soll jedenfalls eine gewisse Konzentration des Kompressionsvolumens um die Zündkerze(n) herum erreicht werden, bei gleichzeitiger Erzeugung ausgeprägter Gemischbewegung.In principle, a certain concentration of the compression volume should be around Spark plug (s) can be reached around, while producing more pronounced Mixture movement.
Die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses führt bisher über das hierdurch ungünstigere Oberflächen-/Volumen-Verhältnis prinzipiell zu einer Erhöhung der Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas.The increase in the compression ratio has so far led to the more unfavorable In principle, surface / volume ratio increases the concentration unburned hydrocarbons (HC) in the exhaust gas.
Erfindungsgemäß bewirken jedoch die getroffenen Maßnahmen, insbesondere die Kombination einer speziellen Getriebeauslegung auf der Basis von Fig. 1.3 mit der Kolbenausformung sowie einer Sensorik inclusive Regeleinrichtung, eine Überkompensierung und wirken somit dem zuvor beschriebenen ungünstigen Trend entgegen.According to the invention, however, the measures taken, in particular the combination of a special gear design based on FIG. 1.3 with the piston shape and a sensor system including control device, cause overcompensation and thus counteract the unfavorable trend described above.
Zudem liefert daher der erfindungsgemäße Motor unter Ausnutzung der durch die Brennstoffkonfiguration gegebenen Abmagerungsmöglichkeit deutlich niedrigere Kohlenwasserstoff-(HC-) und Kohlenmonoxid-(CO-)Emissionen.In addition, therefore, the motor according to the invention delivers by using the Fuel configuration given the possibility of emaciation significantly lower Hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions.
Ausgehend von dem (hier nicht aufgeführten) formelmäßigen Zusammenhang zur Berechnung der Leistung eines Kolbentriebwerkes ergibt sich, daß eine geforderte Fahrleistung bei konstanter Drehzahl durch Kombinationen von mittlerem effektivem Druck und Hubvolumen dargestellt werden kann. Wird beispielsweise das Hubvolumen verkleinert, so kann eine Kompensation über eine entsprechende Erhöhung des Mitteldruckes erfolgen. Based on the (not listed here) formal connection to the Calculating the power of a piston engine reveals that a required Driving performance at constant speed through combinations of medium effective pressure and stroke volume can be displayed. For example, the stroke volume reduced, so compensation can be achieved by increasing the Medium pressure.
In Verbindung mit der Forderung nach konstantem Verdichtungsverhältnis ergeben sich z.Z. bei zunehmender Teillast jedoch zunehmend flacher werdende, scheibenförmige Brennräume, die wegen der Gefahren einer unkontrollierten Selbstzündung vermieden werden sollten. Diese Überlegungen führen zu langhubiger Auslegung von Kolbentriebwerken, eine Tendenz, die bei neuen Konstruktionen erkennbar ist und sich erfindungsgemäß auch gestalten läßt.In connection with the requirement for a constant compression ratio, there are currently with increasing partial load, however, increasingly flat, disc-shaped Combustion chambers avoided because of the dangers of uncontrolled spontaneous ignition should be. These considerations lead to a long-stroke design of Piston engines, a tendency that is recognizable in new designs and itself can also design according to the invention.
Da die mechanischen Verluste einen eindeutigen Zusammenhang mit der Drehzahl aufweisen - der progressive Verlauf wird entscheidend von den Massenkräften der oszillierenden Triebwerksteile bestimmt -, ergibt sich allgemein die Forderung nach leichten Kolben und Pleuelstangen, d. h. auch zu möglichst kleinen Zylindereinheiten.Because the mechanical losses are clearly related to the speed exhibit - the progressive course is determined by the mass forces of the determined oscillating engine parts -, there is a general demand for light Pistons and connecting rods, d. H. also to the smallest possible cylinder units.
Die erfindungsgemäße Maschine, insbesondere nach Fig. 1.3, löst auch an dieser Stelle einen Teil dieser Problematik, da sie zwischen der Masse ihrer Getriebekomponenten auf der einen sowie deren beteiligten Massenträgheitskräfte auf der anderen Seite differenziert. Im Ergebnis steht nicht unbedingt eine an Masse ärmere Maschine, sondern vielmehr deren reduzierten trägen Massen und deren Rückkopplung auf andere Motorkomponenten.The machine according to the invention, in particular according to FIG. 1.3, also solves part of this problem at this point, since it differentiates between the mass of its transmission components on the one hand and their inertial forces involved on the other. The result is not necessarily a machine with lower mass, but rather its reduced inertial mass and its feedback to other engine components.
Es ist bekannt, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch bei konstanter Drehzahl mit abnehmender Last hyperbelförmig ansteigt.It is known that the specific fuel consumption at constant speed with decreasing load increases hyperbolic.
Wie bereits angedeutet, ist hierbei von besonderer Bedeutung die Tatsache, daß Straßenfahrzeuge überwiegend im Teillastbereich betrieben werden.As already indicated, the fact that Road vehicles are mainly operated in the partial load range.
Arbeiten, die oben angedeutete Problematik mit sogenannten Niederdrehzahl-Konzepten lösen wollen, stoßen auf konstruktive Probleme. So wird die pro Arbeitsspiel über die Brennraumwand abgeführte Wärmemenge bei abnehmender Drehzahl anwachsen und somit zu einem ansteigenden Verlusteffekt führen, der von einer bestimmten Drehzahl an den geschilderten positiven Effekt kompensiert. In gleicher Weise führt die ansteigende Zyklusdauer zu ansteigender Leckage an den Kolbenringen mit ebenfalls negativem Effekt auf den Wirkungsgrad. Außerdem werden durch die verringerte Gemischturbulenz die Gefahren einer unkontrollierten Selbstzündung vergrößert, was somit ebenfalls in Verbindung mit den verlängerten Zykluszeiten zu Klopfproblemen führen kann. Darüber hinaus zeigen diese Kolbentriebwerke mit abnehmender Drehzahl bei niedrigen Lasten eine zunehmende Labilität gegenüber äußeren Störungen, z. B. Einschalten eines elektrischen Verbrauchers, die nur durch entsprechend sensible automatische Drehzahlstabilisierung aufgefangen werden kann.Work on the problem outlined above with so-called low-speed concepts want to solve, encounter constructive problems. So the per work cycle is about Increase the amount of heat dissipated from the combustion chamber wall as the speed decreases and thus lead to an increasing loss effect from a certain speed compensated for the described positive effect. The rising leads in the same way Cycle duration of increasing leakage at the piston rings with a negative effect on efficiency. In addition, the reduced mixed turbulence Danger of an uncontrolled spontaneous ignition increases, which is also in Connection with the extended cycle times can lead to knocking problems. About that in addition, these piston engines show a decrease in speed at low loads increasing lability to external disturbances, e.g. B. Turn on an electrical Consumer, which is only possible through appropriately sensitive automatic speed stabilization can be caught.
Aus der Komplexität der geschilderten Zusammenhänge folgt die Aufgabenstellung der Erfindung, wobei die Ausführungsvariante nach Fig. 1.3 bevorzugt als Basis zu deren Lösung dient. The task of the invention follows from the complexity of the described relationships, the embodiment variant according to FIG. 1.3 preferably serving as the basis for solving it.
Nachfolgend wird die Einstellung der Erfindung auf die obig angesprochenen Probleme skizziert.The following is the setting of the invention to the problems mentioned above outlined.
Der spezielle Stand der Technik ist nach dem Viertakt-Prinzip arbeitsfähig und wie allgemein üblich, so ausgelegt, daß das geometrische Kompressions- und Expansionsverhältnis einander gleich sind. Daher gilt auch hier, im Falle eines OTTO-Prozesses, daß das Kompressionsverhältnis durch das Verbrennungsklopfen begrenzt ist, welches im Vollastbetrieb auftritt. Das Expansionsverhältnis wird hierdurch ebenfalls eingeschränkt.The special state of the art is workable according to the four-stroke principle and as general usual, designed so that the geometric compression and expansion ratio are equal to each other. Therefore, here too, in the case of an OTTO process, that Compression ratio is limited by the knock, which in the Full load operation occurs. This also limits the expansion ratio.
Wie vom Stand der Technik bekannt, reduziert ein Auspuffgas auf hohem Temperaturniveau nicht nur die thermische Wirksamkeit, sondern erhöht unvorteilhaft die thermische Beanspruchung in dem Zylinder (vgl. auch MTZ 49,1988,3).As known from the prior art, an exhaust gas reduces to high Temperature level not only increases the thermal effectiveness, but disadvantageously increases the thermal stress in the cylinder (see also MTZ 49,1988,3).
Verglichen mit dem Stand der Technik läßt demgegenüber die Erfindung, insbesondere auf der Basis der Fig. 1.3, prinzipiell drei verschieden aufgebaute Triebwerkskonfigurationen zu:Compared to the state of the art, the invention, in particular on the basis of FIG. 1.3, in principle allows three different engine configurations:
- 1. Das geometrische Verhältnis von Kompression zu Expansion ist gleich Eins (εg=1) bzw. der Ansaughub ist gleich dem Expansionshub, Fig. 1.3.1. The geometric ratio of compression to expansion is equal to one (ε g = 1) or the suction stroke is equal to the expansion stroke, Fig. 1.3.
- 2. Das geometrische Kompressions-/Expansionsverhältnis ist größer als Eins (εg<1) bzw. der Ansaughub ist größer als der Expansionshub.2. The geometric compression / expansion ratio is greater than one (ε g <1) or the suction stroke is larger than the expansion stroke.
- 3. Das geometrische Kompressions-/Expansionsverhältnis ist kleiner als Eins (εg<1), bzw. der Ansaughub ist kleiner als der Expansionshub.3. The geometric compression / expansion ratio is less than one (ε g <1) or the suction stroke is smaller than the expansion stroke.
Hierzu und bezüglich weiterer Merkmale der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen. Diese veranschaulichen die erfindungsgemäßen Fortschritte grundlegender Art wie auch unter speziellem Aspekt.For this and with regard to further features of the invention, reference is made to the drawings. These illustrate the progress of the invention in a fundamental way as well in a special aspect.
Die Verhältnisse sind also zunächst geometrisch vorwählbar und im allgemeinen durch die konstruktive Ausgestaltung auch konstant, z. B. 10 : 1 bzw. 15 : 1.The relationships can thus initially be selected geometrically and generally by means of constructive design also constant, e.g. B. 10: 1 or 15: 1.
Nun kann in erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschinen ein Steuerorgan integriert werden, zum Beispiel ein gesteuerter Schieber im Ansaugkomplex des Zylinders, welches in einem Regelkreis kennfeldorientiert und differenziert auf die im oben formulierten Aufgabenziel skizzierten Einflußgrößen, nämlich besonders auch den Prozeßablauf, einwirkt. Zwar kann ein derartig platziertes Steuerorgan auch in konventionelle Hubkolbenmaschinen eingebaut werden, jedoch führt dies zu Nachteilen, wie weiter unten noch gezeigt wird, welche die Erfindung mittels des orbitalen Hubgetriebes auf der Basis von Fig. 1.3 vermeidet.A control element can now be integrated in the reciprocating piston machines according to the invention, for example a controlled slide in the intake complex of the cylinder, which acts in a control loop-oriented and differentiated manner on the influencing variables outlined in the task objective formulated above, namely particularly also the process sequence. A control element placed in this way can also be installed in conventional reciprocating piston machines, but this leads to disadvantages, as will be shown further below, which the invention avoids by means of the orbital lifting gear based on FIG. 1.3.
Die funktionelle Arbeitsweise des Steuerorgans wird nachfolgend zunächst allgemein und später in Verbindung mit einem bevorzugten erfindungsgemäßen Hubgetriebe beschrieben, ohne vorerst auf konstruktive Details einzugehen. The functional mode of operation of the control body is first generalized and described later in connection with a preferred lifting gear according to the invention, without going into structural details for the time being.
Es besteht also die Möglichkeit, das Steuerorgan derart zu takten, daß es zeitlich in der Nähe des unteren Kolbentotpunktes, oder auch deutlich hiervon entfernt, während eines jeden Ansaughubes betätigt wird, um das effektive Kompressionsverhältnis eines Motors zu verändern.There is therefore the possibility of clocking the control element in such a way that it is timed in the Near the lower piston dead center, or also clearly distant from it, during a each intake stroke is operated to increase the effective compression ratio of an engine change.
Da der Zeitpunkt zu dem es aktiviert wird zunächst lastabhängig sein soll, kann der Motor beispielsweise mit "Vorverdichtung" bzw. "Ladebetrieb" laufen. In dem Fall ergibt sich folgende Situation:Since the time at which it is activated should initially be load-dependent, the motor can for example, run with "pre-compression" or "loading mode". In the case it follows following situation:
Im ungeregelten Fall bzw. bei unbetätigtem Steuerorgan ist dann das geometrische Kompressions-/Expansionsverhältnis gleich Eins, bzw. der Expansionshub ist gleich dem Ansaughub. Wegen der Vorverdichtung ist das Verdichtungsverhältnis hoch, die "Expansionskammer" (in Laufrichtung gesehen entspricht dies der Getriebestellung nach dem Verdichtungstakt) wird über- bzw. aufgeladen, allerdings mit dem Nachteil, daß die Temperatur während des gesamten Arbeitstaktes auf einem hohen Niveau liegt, mit entsprechend hohen Stickoxidemissionen im Abgas. Insbesondere im Falle eines OTTO- Prozesses besteht dann zudem die Gefahr des Klopfens. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, kann nun das effektive Kompressions-/Expansionsverhältnis kleiner als Eins eingestellt werden, wobei der Betrag des geometrischen Expansionshubes dem des geometrischen Ansaughubes entspricht. Dann kann der (Verdichtungsend-)Druck bzw. die (Verdichtungsend-)Temperatur auf ein unkritisches Niveau geregelt werden.In the unregulated case or when the control element is not actuated, the geometric one is then Compression / expansion ratio equal to one, or the expansion stroke is equal to that Intake stroke. Because of the pre-compression, the compression ratio is high "Expansion chamber" (seen in the running direction this corresponds to the gear position the compression stroke) is overcharged or charged, but with the disadvantage that the Temperature during the entire work cycle is at a high level with correspondingly high nitrogen oxide emissions in the exhaust gas. Especially in the case of an OTTO There is also a risk of knocking during the process. To these disadvantages To counteract this, the effective compression / expansion ratio can now be less than One can be set, the amount of the geometric expansion stroke that of geometric intake stroke corresponds. Then the (compression end) pressure or (Compression end) temperature can be regulated to an uncritical level.
Praktisch kann das Steuerorgan hierbei beispielsweise durch ein Stellglied aufgrund eines Sensorsignals geregelt bzw. von einem aus einer Kennfeldspeichereinrichtung abgerufenen Signals manipuliert werden, etwa durch frühzeitige Betätigung des Steuerorganes, insbesondere aber vor einem Einlaßventil, so daß in diesem Fall das Steuerorgan den effektiven Ansaughub verkleinert. Nachteilig hierbei ist, daß der Prozeß auf Kosten verringerter Ladung abläuft.In practice, the control element can, for example, by an actuator on the basis of a Sensor signal regulated or retrieved from a map memory device Signals are manipulated, for example by early actuation of the control unit, but especially in front of an inlet valve, so that in this case the control element effective suction stroke reduced. The disadvantage here is that the process is at a cost reduced charge expires.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäß verhindert durch passende Wahl der Getriebeparameter, insbesondere dadurch, daß das geometrische Kompressions-/ Expansionsverhältnis größer als Eins, bzw. der Ansaughub größer als der Expansionshub ausgeführt wird, vgl. hierzu Fig. 1.3.These disadvantages are prevented according to the invention by a suitable choice of the transmission parameters, in particular by the fact that the geometric compression / expansion ratio is greater than one, or the suction stroke is greater than the expansion stroke, cf. see Fig. 1.3.
Hierzu wird nachfolgend die funktionelle Arbeitsweise der Erfindung bei einer Verwendung mit einer Steuer- und Regeleinrichtung beschrieben, ohne vorerst auf konstruktive Details einzugehen.To this end, the functional mode of operation of the invention is described below when used described with a control and regulation device, without first referring to structural details enter into.
Wie bereits beschrieben sind die Kompressions- bzw. Expansionsverhältnisse zunächst geometrisch vorwählbar und dann im allgemeinen durch die konstruktive Ausgestaltung permanent, z. B. 10 : 1 bzw. 15 : 1.As already described, the compression or expansion ratios are first geometrically preselectable and then generally through the design permanent, e.g. B. 10: 1 or 15: 1.
Das erfindungsgemäße Hubkolbengetriebe, insbesondere auf der Basis der Fig. 1.3, kann zunächst auf eine bestimmte Maßgabe fixiert werden, beispielsweise auf das geometrische Kompressionsverhältnis von 15 : 1, also deutlich höher als bei konventionellen OTTO- Motoren (Durchschnitt etwa 1 : 9), so daß bei einem geometrischen Expansionsverhältnis das Kompressions-/Expansionsverhältnis im vorgenannten Fall (anwendungsorientiert) 1,5 beträgt, entsprechend dem zuvor aufgeführten "Fall Nr. Zwei: geometrisches Kompressions-/Expansionsverhältnis ist < 1".The reciprocating piston transmission according to the invention, in particular on the basis of FIG. 1.3, can first be fixed to a specific requirement, for example to the geometric compression ratio of 15: 1, that is to say significantly higher than in conventional OTTO engines (average about 1: 9) that in the case of a geometric expansion ratio, the compression / expansion ratio in the aforementioned case (application-oriented) is 1.5, corresponding to the "Case No. Two: geometric compression / expansion ratio is <1" mentioned above.
Es besteht also die Möglichkeit, wie bereits gezeigt, das Steuerorgan so zu takten, daß es zeitlich in der Nähe des unteren Kolbentotpunktes, oder auch deutlich hiervon entfernt, während eines jeden Ansaughubes betätigt wird, um das Kompressionsverhältnis des Motors an das Expansionsverhältnis anzupassen.There is therefore the possibility, as already shown, of clocking the control element so that it temporally close to the lower piston dead center, or also far away from it, is operated during each intake stroke to adjust the compression ratio of the Motors to adapt to the expansion ratio.
Da der Zeitpunkt, zu dem es aktiviert wird, lastabhängig sein soll, kann der Motor beispielsweise mit "Vorverdichtung" bzw. "Ladebetrieb" laufen, so daß sich sinngemäß folgende Situation ergibt:Since the time at which it is activated should be load-dependent, the motor can for example, run with "pre-compression" or "loading mode", so that it works accordingly the following situation results:
Im ungeregelten Fall bzw. bei unbetätigtem Steuerorgan ist dann das geometrische Kompressions-/Expansionsverhältnis größer als Eins, bzw. der Expansionshub ist deutlich kleiner als der Ansaughub. Das Verdichtungsverhältnis ist hoch, die "Expansionskammer" (in Laufrichtung gesehen entspricht dies der Getriebestellung nach dem Verdichtungstakt, Fig. 1.3) wird gewissermaßen über- bzw. aufgeladen und der Motor läßt sich ähnlich beschreiben wie ein konventionell vorverdichteter Motor, im geregelten Fall allerdings mit dem Vorteil, daß die Temperatur während des gesamten Arbeitstaktes auf einem deutlich geringeren Niveau ablaufen kann, und zwar ohne zusätzliche Maßnahmen wie z. B. Ladeluftkühlung. In der Konsequenz führt dies zu einer geringeren thermischen Belastung der Bauteile und somit auch zur Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide, da hierdurch auch die Prozeß- bzw. Spitzentemperatur gesenkt wird. Mit dieser Steuer- und Regeleinrichtung wird auch die Klopfneigung akut und günstig beeinflußbar (wie weiter unten gezeigt wird), so daß von daher die erfindungsgemäße Ausführungsvariante gegenüber Maschinen mit konventioneller Fremdaufladung prinzipiell deren Einsatz in der Gasmotorentechnik begünstigt, da die niedrigere Kompressionsendtemperatur echte Vorteile bezüglich des Klopfens mit sich bringt und deshalb nochmals höhere Leistungen gefahren werden können. Für den speziellen Anwendungsfall ist der Grund für das günstigere Temperaturniveau im Verdichtungstakt weiter unten erläutert.In the unregulated case or when the control element is not actuated, the geometric compression / expansion ratio is then greater than one, or the expansion stroke is significantly smaller than the suction stroke. The compression ratio is high, the "expansion chamber" (seen in the direction of travel this corresponds to the gear position after the compression stroke, Fig. 1.3) is overcharged or charged to a certain extent and the engine can be described in a similar way to a conventional pre-compressed engine, but in the regulated case with the advantage that the temperature can run at a significantly lower level during the entire work cycle, without additional measures such. B. Charge air cooling. As a consequence, this leads to a lower thermal load on the components and thus also to a reduction in the nitrogen oxides contained in the exhaust gas, since this also lowers the process or peak temperature. With this control and regulating device, the tendency to knock is also acutely and favorably influenced (as will be shown below), so that therefore the embodiment variant according to the invention, in principle, favors its use in gas engine technology, since the lower compression end temperature has real advantages in terms of Knocking brings with it and therefore higher performance can be driven. For the special application, the reason for the more favorable temperature level in the compression cycle is explained below.
Besonders vorteilhaft kann erfindungsgemäßer Motor in kritischen Betriebszuständen betrieben werden, insbesondere bei Klopfgefahr, bei denen dann prinzipiell nachfolgende Prozesse ablaufen:The motor according to the invention can be particularly advantageous in critical operating states are operated, especially when there is a risk of knocking, in which the following are then in principle Processes run:
Im geregelten Fall wird das Steuerorgan auf ein prozeßabhängiges effektives Kompressions-/Expansionsverhältnis kleiner als Eins eingestellt (das geometrische Kompressions-/Expansionsverhältnis bleibt hiervon unberührt und verbleibt bei größer als Eins). Der effektiv wirksame Ansaughub wird also gegenüber dem Expansionshub mehr oder weniger verkürzt. Das Verdichtungsverhältnis ist reduziert, vereinfacht gesagt läuft der Motor insofern im Teillastbereich, der bei Kraftfahrzeugen überwiegend auftritt.In the regulated case, the control body becomes effective on a process-dependent basis Compression / expansion ratio set to less than one (the geometric The compression / expansion ratio remains unaffected by this and remains greater than One). The effective suction stroke becomes more than the expansion stroke or less shortened. The compression ratio is reduced, to put it simply, it runs Engine in the partial load range, which mainly occurs in motor vehicles.
Das Steuerorgan wird hierbei z. B. durch ein Stellglied aufgrund eines Sensorsignals geregelt bzw. von einem aus einer Kennfeldspeichereinrichtung abgerufenen Signals manipuliert. Dadurch wird das Kompressionsverhältnis in geeignete Bereiche eingeregelt, wobei in diesem Fall vor allem das Steuerorgan den effektiven Ansaughub bestimmt.The control body is z. B. by an actuator based on a sensor signal regulated or from a signal retrieved from a map memory device manipulated. This regulates the compression ratio in suitable areas, in this case, the control unit in particular determines the effective intake stroke.
Die vielseitige Möglichkeit der Einflußnahme gestattet selbstverständlich auch das Kompressionsverhältnis auf den gleichen Wert wie das Expansionsverhältnis einzustellen bzw. sich dem Bereich zu nähern, an dem sich ein Verbrennungsklopfen wahrscheinlich oder auch tatsächlich einstellt (Klopfsensorik erforderlich!). Der vorzusehende Regelkreis ist dann in der Lage, über Stellglieder das Kompressionsverhältnis rückzukoppeln, also speziell zu reduzieren.Of course, the versatile possibility of exerting influence also allows this Set the compression ratio to the same value as the expansion ratio or approaching the area where a knock is likely to occur or actually sets (knock sensor system required!). The control loop to be provided is then able to feed back the compression ratio via actuators, i.e. specifically to reduce.
Arbeitet der Motor unter Teillast, so kann also das Steuerorgan derart beeinflußt werden, daß das Kompressionsverhältnis reduziert und dadurch das Klopfen verhindert wird.If the engine works under partial load, the control element can be influenced in such a way that the compression ratio is reduced, thereby preventing knocking.
Infolge des geschlossenen Regelkreises kann das Steuerorgan das Kompressionsverhältnis bei Bedarf wieder erhöhen. Somit ist man in der Lage, mittels integrierter Sensoren und Aktuatoren das optimale Kompressionsverhältnis individuell einzustellen, also gute Prozeßzustände dicht vor dem Klopfen zu erzielen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nochmals verbessert.As a result of the closed control loop, the control device can adjust the compression ratio increase again if necessary. So you are able to use integrated sensors and Actuators individually adjust the optimal compression ratio, so good ones To achieve process states just before knocking. This will increase the efficiency of the Reciprocating engine according to the invention further improved.
Es versteht sich, daß an dieser Stelle die Variationsmöglichkeiten zuvor beschriebener Sachverhalte nicht erschöpfend abgehandelt werden können und weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten systemimmanent vorhanden sind, vor allem in Verbindung mit dem Getriebe auf der Basis von Fig. 1.3.It goes without saying that the possibilities of variation of the facts described above cannot be dealt with exhaustively and that there are other useful combination possibilities inherent in the system, especially in connection with the gear on the basis of FIG. 1.3.
Die Verwirklichung der angestrebten Ziele und die Lösung der vorliegenden Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche.The desired goals are achieved and the present task solved according to the characterizing features of the claims.
Die Funktionsweise der Erfindung wird nunmehr zunächst noch einmal in allgemeinerer Form beschrieben und darauffolgend unter Bezugnahme auf das idealisierte Druck- Volumen-Diagramm (p-v-D) eines 4-Takt-OTTO-Prozesses gemäß Fig. 9.1 bis 9.4, und zwar beispielhaft mit der Konfiguration "Geometrisches Kompressions-/Expansionsverhältnis < 1", bzw. Ansaughub (mit UT2 in Fig. 1.3) größer als Expansionshub (mit UT1 in Fig. 1.3).The mode of operation of the invention is now once again described in a more general form and subsequently with reference to the idealized pressure-volume diagram (pvD) of a 4-stroke OTTO process according to FIGS. 9.1 to 9.4, for example with the configuration " Geometric compression / expansion ratio <1 ", or suction stroke (with UT2 in Fig. 1.3) greater than expansion stroke (with UT1 in Fig. 1.3).
Arbeitet der Motor unter Vollast, wird das Steuerorgan (wie oben beschrieben) höchstens minimal eingeregelt. Weil unter diesen Bedingungen das Kompressionsverhältnis zu hoch eingestellt ist, wird beim Motorstart das Verbrennungsklopfen zunächst unvermeidbar. Allerdings erfaßt die vorgesehene Sensorik das Klopfen sofort als Eingangssignal im Regelkreis. Mittels des komplementären Ausgangssignals wird dann das Verhalten des Steuerorgans bestimmt, mit der weiteren Zielvorgabe, den Ansaug- bzw. den Einlaßvorgang im nächsten Moment noch vor dem UT (speziell UT2 in Fig. 1.3) zu beenden.If the engine is operating at full load, the control element (as described above) is adjusted to a minimum. Because the compression ratio is set too high under these conditions, combustion knocking is initially unavoidable when the engine is started. However, the sensor system provided detects knocking immediately as an input signal in the control loop. The behavior of the control element is then determined by means of the complementary output signal, with the further objective of ending the intake or intake process in the next moment even before the UT (especially UT2 in FIG. 1.3).
Fig. 9.1 zeigt den Beginn des Ansaugvorgangs im Punkt 0, also in OT-Stellung, vgl. Fig. 1.3. Dieser Vorgang endet (zunächst ungeregelt) im unteren Totpunkt, Punkt 6, Getriebestellung UT2 in Fig. 1.3. Hier beginnt der Kompressionshub. Wird letzterer konventionell fortgesetzt, so ergibt sich der punktierte Kurvenverlauf. Ab dem oberen Umkehrpunkt des Kompressionshubes wird das Gemisch, insbesondere ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, (adiabat) komprimiert, entsprechend dem Enddruck des Punktes 2. Hoher Druck und hohe Temperatur resultieren sodann in einem Verbrennungsklopfen. Wie oben beschrieben, wird anwendungstechnisch das Klopfen prompt durch die eingebaute Sensorik erfaßt. Im Regelkreis wird das Steuerorgan bedient, welches den Ansaugvorgang zum Punkt 1 während des Ansaughubes verschiebt, mit der Konsequenz, daß im UT des Ansaughubes (Getriebestellung UT2 in Fig. 1.3) der erzeugte Druck sinkt und dem des Punktes 6′ entspricht. Dabei vergrößert sich das Volumen innerhalb des Zylinders, bzw. das Gemisch expandiert (adiabatisch). Im weiteren Verlauf unterschreitet am Punkt 6′ (UT des Ansaughubes) der Druck den der äußeren Atmosphäre, verbunden mit einem gleichzeitigen Temperaturabfall. Fig. 9.1 shows the beginning of the suction process at point 0, i.e. in the TDC position, cf. Fig. 1.3. This process ends (initially unregulated) at bottom dead center, point 6, gear position UT2 in Fig. 1.3. This is where the compression stroke begins. If the latter is continued conventionally, the dotted curve results. From the upper reversal point of the compression stroke, the mixture, in particular an air / fuel mixture, is (adiabatically) compressed in accordance with the end pressure of point 2. High pressure and high temperature then result in a combustion knock. As described above, the knock is promptly detected by the built-in sensor technology. In the control loop, the control element is operated, which shifts the suction process to point 1 during the suction stroke, with the consequence that the pressure generated in the bottom stroke of the suction stroke (gearbox position UT2 in Fig. 1.3) drops and corresponds to that of point 6 '. The volume inside the cylinder increases or the mixture expands (adiabatically). In the further course, the pressure falls below that of the external atmosphere at point 6 '(UT of the intake stroke), combined with a simultaneous drop in temperature.
Der jetzt folgende Kompressionshub beginnt im Punkt 6′, und im Punkt 1 gleicht sich der Druck etwa dem der äußeren Atmosphäre an, verbunden mit einem gleichzeitigen Temperaturanstieg. Da der Kompressionshub hauptsächlich im Punkt 1 beginnt und im OT am Punkt 2′ abgeschlossen ist, folgt hieraus vor allen Dingen, daß das Kompressionsverhältnis reduziert ausfällt, weil der Kompressionsenddruck im Punkt 2′ gegenüber dem Kompressionsenddruck im Punkt 2 vermindert ist. Da die Kompressionsendtemperatur ebenfalls niedriger ist, wird auch das Klopfen unterdrückt.The now following compression stroke begins in point 6 ', and in point 1 it is the same Pressure to that of the external atmosphere combined with a simultaneous one Temperature rise. Since the compression stroke mainly starts at point 1 and at TDC at point 2 'is completed, it follows above all that the Compression ratio is reduced because the final compression pressure at point 2 ′ is reduced compared to the compression end pressure in point 2. Since the Compression end temperature is also lower, knock is also suppressed.
Konventionell liefert der Prozeß als Nutzenergie die durch die Linien 1-2′-3-4-1 in Fig. 9.1 eingeschlossene Fläche. Erfindungsgemäßer Motor auf der Basis der Fig. 1.3 kann einen um den Linienzug 4-4′ verlängerten effektiven Expansionshub aufweisen. Dann entspricht die Nutzenergie der durch die Linien 1-2′3-4′6-1 eingegrenzten Fläche und fällt um den der (in Fig. 9.1 bzw. 9.2 schraffierten) Differenzfläche 1-4-4′-6 äquivalenten Arbeitsanteil größer aus als beim herkömmlichen Motor. Unter der Voraussetzung, daß die Masse des verbrauchten Kraftstoffes, der insbesondere innerhalb der Punkte 0 und 1 eingebracht wird, unverändert ist, wird die Nutzarbeit der Maschine nochmals gesteigert und ebenfalls der thermische Wirkungsgrad. Weiterhin ist die Abgastemperatur niedriger, so daß wichtige Motorenbauteile thermisch weniger belastet werden.Conventionally, the process delivers as useful energy the area enclosed by lines 1-2'-3-4-1 in Fig. 9.1. Inventive motor on the basis of Fig. 1.3 may have a 'extended to the trace 4-4 effective expansion stroke. Then the useful energy corresponds to the area delimited by lines 1-2'3-4'6-1 and is larger than that of the equivalent area 1-4-4'-6 (hatched in Fig. 9.1 or 9.2) with the conventional engine. Provided that the mass of the fuel consumed, which is introduced in particular within points 0 and 1, is unchanged, the useful work of the machine is increased again and also the thermal efficiency. Furthermore, the exhaust gas temperature is lower, so that important engine components are thermally less stressed.
Bei vorverdichtendem Motor kann das Verbrennungsklopfen infolge des höheren Druckes in der Anfangsphase des Kompressionstaktes noch eher auftreten. Dann verringert der Regelkreis das effektive Kompressionsverhältnis entsprechend weiter. Der Punkt 1 in Fig. 9.1 verschiebt sich folglich mehr nach links. Die thermische Leistung wird hierbei nicht verringert. Auch die Abgastemperatur steigt nicht an, da bei reduziertem effektiven Kompressionsverhältnis das vergleichsweise erhöhte Niveau des Expansionsverhältnisses erhalten bleibt.In the case of a pre-compressing engine, combustion knocking can occur earlier due to the higher pressure in the initial phase of the compression stroke. The control loop then further reduces the effective compression ratio accordingly. Point 1 in Fig. 9.1 consequently shifts more to the left. The thermal output is not reduced here. The exhaust gas temperature does not rise either, since the comparatively increased level of the expansion ratio is maintained with a reduced effective compression ratio.
Fig. 9.2 veranschaulicht diese Zusammenhänge im idealisierten Temperatur-Entropie- Diagramm (T,s-D): Der thermische Wirkungsgrad steigt analog dem schraffierten Flächenanteil. Die erhöhte Nutzenergie ergibt sich aus der verringerten Verlustwärme. Die markierten Punkte entsprechen denen des p,v-D, Fig. 9.1. Fig. 9.2 illustrates these relationships in the idealized temperature-entropy diagram (T, sD): The thermal efficiency increases analogously to the shaded area. The increased useful energy results from the reduced heat loss. The marked points correspond to those of the p, vD, Fig. 9.1.
Um eine Wirkungsgradverbesserung zu erzielen, verlangen bestimmte Betriebszustände des Motors eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses, insbesondere im Teillastbetrieb des Motors. Üblicherweise ist in diesem Zustand die Wandtemperatur des Verbrennungsraumes vergleichsweise niedrig, so daß das Luftvolumen und die Nutzarbeit gesteigert werden können, indem der Regelkreis das Kompressionsverhältnis erhöht.In order to achieve an improvement in efficiency, certain operating states are required of the engine an increase in the compression ratio, especially in part-load operation of the motor. In this state, the wall temperature of the Combustion chamber comparatively low, so that the air volume and useful work can be increased by increasing the control ratio of the compression ratio.
Bei zuvor geschilderten Prozeßabläufen beginnt die Verdichtung dann auf Kosten verringerter Ladungsmasse, wenn die geometrischen Verhältnisse von Kompression und Expansion gleich sind und der Motor auf die beschriebene Art und Weise geregelt wird. Dies ist beim allgemeinen und speziellen Stand der Technik der Fall. Jedoch kann die Erfindung diesen Nachteil mit der anfangs aufgezeigten Getriebekonfiguration auf der Basis von Fig. 1.3 (über-)kompensieren. Das ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, da dies andererseits bedeutet, daß mit anwachsender Last mehr und mehr eine (angepaßte Über-)Ladung der Expansionskammer ohne weitere Hilfseinrichtungen möglich wird.In the previously described process sequences, compression begins at the expense of a reduced charge mass if the geometric relationships of compression and expansion are the same and the motor is regulated in the manner described. This is the case with the general and special prior art. However, the invention can (over) compensate for this disadvantage with the gear configuration initially shown on the basis of FIG. 1.3. This is a particular advantage of the invention, since on the other hand this means that with an increasing load an (adapted overloading) of the expansion chamber becomes possible without further auxiliary devices.
Nachfolgend wird der Teillastbetrieb des erfindungsgemäßen Motors auf der Basis von Fig. 1.3 entwickelt, und zwar wiederum mit der Konfiguration "Geometrisches Kompressions-/Expansionsverhältnis < 1", bzw. Ansaughub (mit UT2 in Fig. 1.3) größer als Expansionshub (mit UT1 in Fig. 1.3), (siehe hierzu das idealisierte p,v-D gemäß Fig. 9.3, bzw. T,s-D gemäß Fig. 9.4).Subsequently, the partial-load operation of the engine according to the invention is developed on the basis of FIG. 1.3, again with the configuration "geometric compression / expansion ratio <1" or intake stroke (with UT2 in FIG. 1.3) greater than expansion stroke (with UT1 in Fig. 1.3), (see here the idealized p, vD according to Fig. 9.3, or T, sD according to Fig. 9.4).
Zu Vergleichszwecken wird zunächst wieder ein entsprechender Vorgang für den Stand der Technik skizziert.For comparison purposes, a corresponding process for the status of the Technology outlined.
Konventionell wird im Ansaugtakt die Zylinderfüllung über eine Luftmengenregulierung vorgenommen, so daß der Zylinderdruck zwischenzeitlich durch den Punkt 01 gekennzeichnet ist und Punkt 11 das Ende des Ansaughubes markiert. Aus den schon zuvor genannten Gründen reduziert sich gleichzeitig die Temperatur der angesaugten Luft. Zur selben Zeit tritt eine Ladungsbeschleunigung auf, die dem Arbeitsanteil der durch den Linienzug 00-01-11-1 begrenzten Fläche entspricht oder auch durch den Differenzdruck der Punkte 00 und 01 ausgedrückt werden kann. Bei diesem Vorgang dissipiert allerdings die Bewegung der Luft, so daß die Temperatur der Luft nahezu atmosphärisches Niveau erreicht. Im Punkt 11 beginnt nun der Kompressionshub, wobei die Linie 00-1 wiederum ein Maß für die zugeführte Gemischmenge darstellt. Im Punkt 22 (Stellung OT in Fig. 1.3) entspricht das Kompressionsverhältnis und die Kompressionsendtemperatur zwar den entsprechenden Vollastwerten, jedoch mit vergleichsweise reduzierter Dichte und kleinerer Verbrennungsgeschwindigkeit (im p-v-D vereinfacht durch die Linien 22-33-44 repräsentiert). Die Linien 33-33′-44-33 schließen die (schraffierte) Verlustfläche ein, entsprechend einem niedrigen thermischen Wirkungsgrad.Conventionally, the cylinder filling is carried out in the intake stroke by means of an air quantity regulation, so that the cylinder pressure is now marked by point 01 and point 11 marks the end of the suction stroke. For the reasons already mentioned, the temperature of the intake air is reduced at the same time. At the same time, a charge acceleration occurs which corresponds to the work share of the area delimited by the 00-01-11-1 line or which can also be expressed by the differential pressure of points 00 and 01. In this process, however, the movement of the air dissipates, so that the temperature of the air reaches an almost atmospheric level. The compression stroke now begins at point 11, line 00-1 again representing a measure of the quantity of mixture supplied. At point 22 (position OT in Fig. 1.3) the compression ratio and the compression end temperature correspond to the corresponding full load values, but with a comparatively reduced density and lower combustion speed (represented in pvD by lines 22-33-44). Lines 33-33'-44-33 enclose the (hatched) loss area, corresponding to a low thermal efficiency.
Nun kann, wie bereits beschrieben, beim Ansaughub erfindungsgemäß der Zylinderdruck auf den Punkt 02 geregelt werden. Am Punkt 111 innerhalb des Ansaughubes beendet vor allem das Steuerorgan den Einlaßvorgang, gleichwohl bewegt sich der Kolben (4) weiter in Richtung UT. Wiederum werden Druck und Temperatur des Gemisches abgesenkt (adiabate Ausdehnung). Punkt 1111 repräsentiert den UT im Ansaughub (UT2 in Fig. 1.3). Dem folgt unmittelbar der Kompressionshub entlang dem Punkt 111. Aus bereits genannten Gründen entspricht die Temperatur des Gemisches im Punkt 111 im wesentlichen der des Punktes 11, also der atmosphärischen Temperatur. Erkennbar ist, daß der Linienzug 111-22, die dem Kompressionshub des erfindungsgemäßen Motors entspricht, länger ist als der Linienzug 11-22, die den vergleichbaren Zustand beim Stand der Technik repräsentiert. Das Kompressionsverhältnis des neuen Motors kann somit nochmals erhöht werden. Im Punkt 22 (OT) ist die Temperatur des Gemisches angehoben. Verzeichnet die Sensorik in diesem Zustand kein Klopfen, wird automatisch der effektive Kompressionshub verlängert, das Kompressionsverhältnis steigt. Im Falle, daß die Sensorik im weiteren Prozeßablauf Klopfen registriert, regelt das System das Kompressionsverhältnis auf ein geringeres Niveau. Von daher steigt die Verbrennungsgeschwindigkeit auf maximal mögliche Werte, was für den nachfolgenden Verbrennungsvorgang günstigere Voraussetzungen schafft. Der Verbesserung entspricht der Linienzug 33-33′-44 im p,v-D, Fig. 9.3 bzw. dto. im T.s-D, Fig. 9.4. Für den Expansionshub gelten im wesentlichen die weiter oben gezeigten Zusammenhänge, so daß dem effektiven Arbeitsgewinn die Differenzfläche entspricht, die aus den Linienzügen 1-22-33′-4′-6-1 und 00-02-111-1-00 gebildet wird. Letzterer ist im wesentlichen ein Maß für den Verlust bei der Luftmengenregulierung.Now, as already described, the cylinder pressure can be regulated to point 02 during the intake stroke according to the invention. At point 111 within the intake stroke, above all the control element ends the intake process, nevertheless the piston ( 4 ) moves further in the direction of the UT. Again, the pressure and temperature of the mixture are reduced (adiabatic expansion). Point 1111 represents the UT in the intake stroke (UT2 in Fig. 1.3). This is immediately followed by the compression stroke along point 111. For reasons already mentioned, the temperature of the mixture at point 111 essentially corresponds to that of point 11, that is to say the atmospheric temperature. It can be seen that the line 111-22, which corresponds to the compression stroke of the engine according to the invention, is longer than the line 11-22, which represents the comparable state in the prior art. The compression ratio of the new engine can thus be increased again. At point 22 (OT) the temperature of the mixture is raised. If the sensors do not detect knocking in this state, the effective compression stroke is automatically extended and the compression ratio increases. In the event that the sensor system registers knocking in the further course of the process, the system regulates the compression ratio to a lower level. Therefore, the combustion speed increases to the maximum possible values, which creates more favorable conditions for the subsequent combustion process. The improvement corresponds to the line 33-33'-44 in p, vD, Fig. 9.3 and dto. In Ts-D, Fig. 9.4. For the expansion stroke essentially apply the relationships shown above, so that the effective gain of work corresponds to the difference area, which is formed from the lines 1-22-33'-4'-6-1 and 00-02-111-1-00 . The latter is essentially a measure of the loss in air volume regulation.
Im übrigen lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Motor, speziell auf der Basis der Fig. 1.3 OTTO-Prozeße bzw. Verhältnisse realisieren, die denen im Dieselverfahren zumindestens Nahe kommen. Dann kann mehr Nutzarbeit gewonnen werden als bei Motoren, die nach zuletztgenanntem Prinzip laufen.Otherwise, with the engine according to the invention, especially on the basis of FIG. 1.3, OTTO processes or conditions can be realized which are at least close to those in the diesel process. Then more useful work can be gained than with engines that run on the last-mentioned principle.
Dadurch, daß dieser erfindungsgemäße (Viertakt-)Motor einen deutlich geringeren Verbrennungsdruck ohne Leistungseinbuße bzw. Wirkungsgradverschlechterung zuläßt, kann dann bei gleichzeitig reduziertem Gewichtsanteil, auch noch der spezifische Kraftstoffverbrauch gegenüber dem von Dieselmotoren sinken. Da bei letztgenannten die Entfernung von (Ruß-)Partikeln z. Z. noch größere technische Schwierigkeiten bereitet, hingegen der spezielle erfindungsgemäße Motor im thermischen Wirkungsgrad den Dieselmotoren überlegen ist, kann die Erfindung nicht nur die aktuellen Emissionsvorschriften erfüllen, sondern bietet darüber hinaus noch Reserven bezüglich zukünftiger Verschärfungen auf den Gebieten der Verbrauchs- und Abgasgesetzgebung.Because this (four-stroke) engine according to the invention has a significantly smaller one Allows combustion pressure without loss of performance or deterioration in efficiency, can then with a reduced weight percentage, also the specific Fuel consumption decrease compared to that of diesel engines. Because the latter Removal of (soot) particles z. Z. causes even greater technical difficulties, however, the special motor according to the invention in thermal efficiency Diesel engines is superior, the invention can not only current Comply with emissions regulations, but also offers reserves regarding future tightening in the areas of consumption and exhaust gas legislation.
Im folgenden wird die Erfindung in Anwendung auf eine Regeleinrichtung und orbitalem Hubgetriebe konkretisiert, Fig. 10, mit besonderem Bezug zur erfindungsgemäßen Struktur auf der Basis der Fig. 1.3.In the following, the invention is specified in application to a control device and orbital lifting gear, FIG. 10, with particular reference to the structure according to the invention on the basis of FIG. 1.3.
Die zylinderselektiv vorgesehene Klopfgrenzen-Regelung kann beispielsweise mittels Körperschall-Sensoren bzw. nicht- oder auch frequenzmodulierter Beschleunigungs sensoren vorgenommen werden. Hierbei werden die Klopfsensor-Signale einer bestimmten Frequenz bzw. Bandbreite gefiltert und integriert. Sie entsprechen einem Wert ("Klopfsensor-Integral"), der in diesem Fall ein Maß für das korrespondierende Verbrennungsgeräusch darstellt. Die Meßfensterlage bzw. die Filterung sieht dabei infolge ihrer speziellen Abstimmung bei klopfender Verbrennung eine größtmögliche Signalüberhöhung vor. Der Einfluß von schädlichen Frequenzen bzw. Störgeräuschen soll insofern weitgehend ausgeschaltet werden. Eine Selbstanpassung dieses Systems an zylinder- oder motorspezifische Frequenz-Verhältnisse wird dadurch erreicht, daß aus dem zylinderselektiven Klopfsensor-Integral ein Referenzpegel ständig aktualisiert wird. Aus dem normalen Frequenzniveau des Zylinders lernt dann das System adaptiv, beispielsweise auf signifikante Änderungen des Betriebszustandes, zu reagieren oder zwischen klopfender und klopffreier Verbrennung zu unterscheiden. Die spezielle Erkennungsschaltung bzw. die Bewertung der Meßgrößen geschieht mittels einer Elektronik bzw. Logik. Diese verarbeitet die Klopfsensor-Signale und bedient im Bedarfsfall, beispielsweise bei klopfender Verbrennung, nach einem vorgegebenen Algorithmus das in zuvor behandelter Thematik erwähnte Stellglied bzw. Steuerorgan. Wie bereits beschrieben, übt letzteres seinen Einfluß speziell im oder am Einlaßtrakt des Motors aus und kann zum Beispiel aus einem Schiebermechanismus oder auch einer rotierenden Klappe in einem Ansaugkanal bestehen. Die Verschiebung bzw. die Rotation kann dabei durch einen sensor- bzw. elektronisch gesteuerten Stellmotor geschehen.The knock limit control provided on a cylinder-selective basis can, for example, by means of Structure-borne noise sensors or non-modulated or frequency-modulated acceleration sensors are made. Here, the knock sensor signals of a certain Frequency and bandwidth filtered and integrated. They correspond to a value ("Knock sensor integral"), which in this case is a measure of the corresponding Represents combustion noise. The measurement window position or the filtering is seen as a result their special coordination in the event of knocking combustion is the greatest possible Signal increase before. The influence of harmful frequencies or noise should insofar be largely switched off. A self-adaptation of this system cylinder or engine-specific frequency ratios is achieved in that from the cylinder-selective knock sensor integral a reference level is constantly updated. From the The system then learns the normal frequency level of the cylinder adaptively, for example significant changes in operating status, to react or between knocking and to distinguish knock-free combustion. The special detection circuit or The measured variables are evaluated using electronics or logic. This processed the knock sensor signals and operated when necessary, for example when knocking Combustion, according to a predetermined algorithm that in previously discussed topic mentioned actuator or control member. As already described, the latter exerts its influence specifically in or on the intake tract of the engine and can, for example, from a Slide mechanism or a rotating flap in an intake duct. The displacement or the rotation can be done by a sensor or electronically controlled actuator happen.
Je nach Motorzustand können unterschiedliche Programmabläufe gefahren werden, wobei beispielsweise auch komplexe Signale innerhalb komplizierter Kennfelder nach Bedarf über die elektronischen Ansteuerungssysteme realisiert bzw. verarbeitet werden. Dabei kann einfach zunächst auf zuvor festgelegte und abgespeicherte (vor-)optimierte Sollwertkennfelder zurückgegriffen werden. Ist die Zielfunktion beispielsweise eine Verbrauchsoptimierung im Teillastbereich des Motors, so entspricht der Stellgröße im Regelkreis die Beeinflussung des Steuerorgans im oder am Einlaßtrakt. Das System kann also entweder auf einen (kennfeld-)vorgegebenen Wert einregeln oder den individuell günstigsten Betriebszustand alternierend in kleinen Schritten finden, wobei eine Phasenverschiebung durch die Ansprechdauer des Steuerorgans berücksichtigt werden kann. Somit kann ein bestimmtes Optimum schnell gefunden werden. Der Regelvorgang ist nun beendet, und die Stellgröße kann so lange konstant gehalten bleiben, bis ein geänderter Motorbetriebszustand vorliegt oder gewünscht wird.Depending on the engine status, different program sequences can be run, whereby For example, even complex signals within complicated maps as required the electronic control systems are implemented or processed. It can simply first on previously defined and saved (pre-) optimized Setpoint maps are used. For example, if the target function is a Consumption optimization in the partial load range of the engine corresponds to the manipulated variable in Control loop influencing the control element in or on the intake tract. The system can So either adjust to a (map) predetermined value or individually Find the most favorable operating state alternately in small steps, one Phase shift are taken into account by the response time of the control member can. A certain optimum can thus be found quickly. The control process is now ended, and the manipulated variable can remain constant until a changed one Engine operating state is present or is desired.
Diese Klopfregelung kann sehr vorteilhaft in Kombination mit einer Steuereinrichtung zur Beeinflussung der speziellen orbitalen Getriebegeometrie eingesetzt werden. Man erhält hierdurch ein erweitertes Anwendungsspektrum, da man durch die, vergleichsweise träge und langsam ablaufende, Geometrieänderung einerseits nur eine relativ grobe Vorgabe der gewünschten Verhältnisse erzielen und andererseits die Feinabstimmung dann dem beschriebenen Regelalgorithmus überlassen kann.This knock control can be very advantageous in combination with a control device Influencing the special orbital gear geometry can be used. You get thereby an expanded range of applications, because of the, comparatively sluggish and slowly proceeding geometry change on the one hand only a relatively rough specification of the achieve desired ratios and then fine-tune the control algorithm described.
Dabei kann das tatsächliche geometrische Kompressions-/Expansionsverhältnis von einer Steuereinrichtung geändert werden. Hierzu wird insbesondere die Lagerung der Schwinge örtlich versetzt. Dies kann beispielsweise durch einen Stellmotor geschehen, der ein Exzenter- oder auch ein Schneckengetriebe in der gewünschten Weise bewegt. Die nachfolgende Fixierung des Getriebes geschieht zum Beispiel durch Kraft- und/oder Formschluß. Hiervon ausgehend, d. h. von dem veränderten und praktisch erzielten Getriebeschema, also dem tatsächlichen geometrischen Kompressions-/Expansions verhältnis, wird dann dementsprechend insbesondere das Kompressionsverhältnis auf das notwendige Niveau eingeregelt, ebenso die Kompressionstemperatur.The actual geometric compression / expansion ratio can vary from one Control device to be changed. This is particularly the bearing of the rocker relocated locally. This can be done, for example, by means of a servomotor, which is a Eccentric or a worm gear moved in the desired manner. The Subsequent fixation of the gear is done for example by force and / or Positive locking. Based on this, d. H. of the changed and practically achieved Transmission scheme, i.e. the actual geometric compression / expansion ratio, the compression ratio to the necessary level adjusted, as well as the compression temperature.
Wie eingangs bereits angedeutet besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, die Schwinge in den Kolben zu integrieren. Dann läßt sich am Punkt (4.5) anstelle des (Tauch-)Kolbens (4) in Fig. 1.3 ein (Schwenk-)Kolben (beispielsweise nach Fig. 2.3) anlenken.As already indicated at the beginning, according to the invention there is the possibility of integrating the rocker into the piston. Then, at point ( 4.5 ), instead of the (plunging) piston ( 4 ) in Fig. 1.3, a (swivel) piston (for example according to Fig. 2.3) can be articulated.
Diese Getriebe-/Kolbenkombination enthält dann neben der weiter oben beschriebenen günstigen Kraftübertragungsfunktion außerdem die zuvor dargelegten Möglichkeiten des komplexen Motorenmanagements.This gear / piston combination then contains the one described above Favorable power transmission function also the previously described possibilities of complex engine management.
Dabei berücksichtigt die Gestaltung des (Schwenk-)Kolbens neben ausreichender mechanischer Festigkeit in den Stützquerschnitten und in den Bolzennaben sowie genügender Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung im Bereich der Brennraummulde auch die notwendige Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, insbesondere in der ersten Dichtungsnut: Beispielsweise ermöglichen erfindungsgemäße Kolbenprofilvarianten (Fig. 6ff) ausreichend große Dehnlängen zwischen Kolbenboden und Bolzenbohrung, um der "Spannungsrißgefahr" vorzubeugen. Außerdem stehen die Verhältnisse von (fiktiven) Muldendurchmessern zu äquivalenten (fiktiven) Kolbendurchmessern in zueinander bestimmten Zusammenhängen, um die Beanspruchungsverhältnisse innerhalb des Kolbens einzugrenzen.The design of the (swivel) piston takes into account not only sufficient mechanical strength in the support cross-sections and in the pin bosses as well as sufficient resistance to thermal fatigue in the area of the combustion chamber bowl, but also the necessary resistance to wear, especially in the first sealing groove: For example, piston profile variants according to the invention enable ( Fig 6 ff) adequate Expansions of. between the piston head and pin bore to prevent to the "stress cracking". In addition, the ratios of (fictitious) bowl diameters to equivalent (fictitious) piston diameters are related to each other in order to limit the stress conditions within the piston.
Gegen thermische Ermüdung im Bereich der Brennraummulde bzw. zur Vermeidung von zu hohen örtlichen Temperaturspitzen kann zum Beispiel das allgemeine Temperaturniveau gesenkt, oder ggf. eine spezielle Kolbenkühlung (Anspritzkühlung) vorgesehen werden.Against thermal fatigue in the area of the combustion chamber trough or to avoid too High local temperature peaks can, for example, affect the general temperature level lowered, or a special piston cooling (injection cooling) may be provided.
Darüber hinaus wird, wie bereits beschrieben, mittels spezieller Kolbenkonturausformung direkt Einfluß auf die einzelnen Phasen vor, während und nach dem Verbrennungsgeschehen genommen.In addition, as already described, using special piston contour shaping directly influence the individual phases before, during and after the Taken incineration.
Da bei konventionellen Hubkolbenmaschinen infolge des Zündverzugs (die Verbrennung beginnt vor Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kolbens) der Druck der Verbrennungsgase in der Anfangsphase der Kolbenbewegung entgegenwirkt, entsteht ein negatives Anfangsmoment an der Kurbel.Because in conventional reciprocating piston engines due to the ignition delay (the combustion begins the pressure of the piston before reaching the top dead center position) Counteracts combustion gases in the initial phase of piston movement negative starting torque on the crank.
Beim "speziellen Stand der Technik" wird dieser "Zündverzug" insofern verkürzt, daß der Kolben länger im Bereich seiner oberen Totpunktstellung verweilt, wobei die Verbrennung im oberen Totpunkt beginnen kann. Diesen Vorgang kann man im Vergleich zu konventionellen Hubkolbenmaschinen sowie zur Erfindung kolbenseitig als "quasistatisch" bezeichnen. Das negative Anfangsmoment an der Kurbel wird hier durch die spezielle Getriebekonstellation reduziert.In the "special prior art" this "ignition delay" is shortened to the extent that the Piston lingers longer in the area of its top dead center position, the combustion can start at top dead center. This process can be compared to conventional reciprocating piston machines and on the piston side as "quasi-static" describe. The negative starting torque on the crank is here due to the special Gearbox constellation reduced.
Erfindungsgemäß soll oben beschriebener negativer Einfluß bzgl. des Anfangsmomentes an der Kurbel ebenfalls reduziert werden. Die Energie der Verbrennungsgase soll kaum oder gar nicht der Kolbenbewegung entgegenwirken.According to the invention, the above-described negative influence with regard to the initial torque is said to occur the crank can also be reduced. The energy of the combustion gases should hardly or do not counteract the piston movement at all.
Ein Mittel hierzu ist vor allem der besonders gestaltete Zünd- und Expansionszyklus auf der Basis von beispielsweise Fig. 2.1ff oder auch Fig. 4.1. Im Ergebnis soll eine Verkürzung der Flammenkernbildung stehen, verbunden mit deren rascheren Vergrößerung während der Zündphase sowie eine schnellere Ladungsverteilung über die (Kolben-)Wirkflächen. Statt eines "quasistatischen", Vorganges um den OT ("spezieller Stand der Technik") wird der Prozeß der Gemischaufbereitung, Zündung sowie Expansion erfindungsgemäß "quasidynamisch" strukturiert.One means of doing this is above all the specially designed ignition and expansion cycle based on, for example, FIG. 2.1ff or also FIG. 4.1. The result should be a shortening of the flame core formation, combined with its faster enlargement during the ignition phase and a faster charge distribution over the (piston) active surfaces. Instead of a "quasi-static" process around the OT ("special prior art"), the process of mixture preparation, ignition and expansion is structured "quasi-dynamically" according to the invention.
Eine erhöhte Erwärmung des Motors findet dennoch nicht statt, da die konstruktive Gestaltung des Motors sowie dessen Management dies unterbindet. Dann weisen die Abgasprodukte als Folge auch einen reduzierten Schadstoffgehalt auf.An increased warming of the engine does not take place because of the constructive Design of the engine and its management prevents this. Then they point Exhaust gas products also result in a reduced pollutant content.
Daneben entlastet der Zünddruck durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Beaufschlagungsfläche (4.1) in der Anfangsphase das Kolbenlager (4.3) (wirkt der Kolbenfliehkraft entgegen). In addition, the ignition pressure relieves the piston bearing ( 4.3 ) in the initial phase due to the design of the application surface ( 4.1 ) according to the invention (counteracts the centrifugal piston force).
Das üblicherweise anfallende negative Drehmoment infolge der Frühzündung wird
erfindungsgemäß speziell durch insbesondere folgende Maßnahmen unterdrückt bzw.
entschärft:
Bei gleichzeitiger räumlicher sowie zeitlicher Betrachtung des Geschehenen, insbesondere
während der Zünd(verzugs-)phase, vermittelt der primär beaufschlagte
Kolbenflächenbereich (4.1) - bzw. Muldensektor (41) - infolge seiner bzgl. der Kolben-
Drehachse (4.3) im wesentlichen konzentrisch verlaufenden Kontur keinerlei schädliches
Drehmoment auf die Kurbel.The usually occurring negative torque as a result of the early ignition is suppressed or mitigated according to the invention in particular by the following measures in particular:
When considering what is happening at the same time, both in terms of space and time, especially during the ignition (delay) phase, the primary area of the piston surface ( 4.1 ) - or trough sector ( 41 ) - is essentially concentric due to its piston axis of rotation ( 4.3 ) Contour no harmful torque on the crank.
Dabei kann eine günstige Gestaltung von Neben- bzw. Zündkammer-Sektion(en) sowie deren verbindenden Übergangsbereiches ein vorzeitiges Überströmen in die Hauptbrennkammer während des Zündverzuges ("Raum-Zeit-Lösung") verringern, zudem eine frühere Zündungseinstellung, günstigeres Anbrennen der Gemischladung sowie deren nachfolgende vollständige Verbrennung ermöglichen (siehe hierzu z. B. Fig. 2.1 und 2.2).A favorable design of secondary or ignition chamber section (s) and their connecting transition area can reduce premature overflow into the main combustion chamber during the ignition delay ("space-time solution"), as well as an earlier ignition setting, more favorable burning of the mixture charge and enable their subsequent complete combustion (see, for example, Fig. 2.1 and 2.2).
Indessen entsteht beim Überströmen in den Hauptbrennraum eine ausgeprägte Quetschströmung, so daß infolge der beträchtlich angewachsenen Brennausbreitungs geschwindigkeit auch nicht mit einem Abriß der oberflächennahen Flammenfront am Kolben zu rechnen ist (führt andernfalls zu erhöhter HC-Bildung).However, a pronounced one arises when it flows into the main combustion chamber Squeezing flow, so that as a result of the considerably increased spreading of the flame speed also not with a tear of the near-surface flame front on the piston is to be expected (otherwise leads to increased HC formation).
Im Fazit kann erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine, insbesondere auf der Basis der Fig. 1.3, neben dem größeren mechanischen Umsetzungsgrad auch einen höheren effektiven thermischen Wirkungsgrad erzielen, speziell unter Teillast. Auch das (Kalt-) Startverhalten des Motors läßt sich durch das erfindungsgemäße Motormanagement verbessern. Zudem wird die Abgasmenge deutlich verringert.In conclusion, the reciprocating piston machine according to the invention, in particular based on FIG. 1.3, can achieve not only the greater degree of mechanical conversion but also a higher effective thermal efficiency, especially under partial load. The (cold) starting behavior of the engine can also be improved by the engine management system according to the invention. In addition, the amount of exhaust gas is significantly reduced.
Grundsätzliche Details der Erfindung werden anhand des folgenden Ausführungsbeispiels erläutert, Fig. 1:Basic details of the invention are explained using the following exemplary embodiment, FIG. 1:
Mit (1) ist die Drehachse des Abtriebes oder allgemein der Sonnenradmittelpunkt bezeichnet, auf dessen hierzu exzentrisch angeordnetem Zapfen (2) das untere Pleuelauge (10.2) eines einteiligen (10.3) oder auch mehrteiligen (10.4) Pleuels (10) angreift. Diese Kurbel- oder Exzenterwelle - die bevorzugte Drehrichtung ist mit einem Pfeil gekennzeichnet - wird in einem (hier nicht gezeichneten) Gehäuse (30) gelagert (1.1). Die Schwinge (7), in ihrer speziellen Ausformung als Winkelschwinge (7.9), weist hier drei Gelenkpunkte auf. Die Winkelschwinge ist im Punkt (7.4), inbesondere am Motorengehäuse, drehbar gelagert und ortsfest oder auch zum Zweck der Getriebejustierung mit (nichtgezeichneten) Mitteln (91), z. B. einem Exzentergetriebe, ein- und feststellbar. Je nach Getriebeauslegung befinden sich Anlenkstellen (7.5, 7.6) in gleicher oder auch unterschiedlicher radialer Distanz von der Schwingenlagerung (7.4). Infolge des hierdurch gebildeten zentralen und im wesentlichen dreieckförmigen Getriebekörpers werden grundlegend zwei Ziele erreicht: Zum einen wird eine strukturgefährdende Spannungskonzentration (bei nur einer einzigen Anlenkstelle) weitgehend vermieden bzw. deren örtliche Konzentration entzerrt und andererseits die Flexibilität bezüglich der Anwendbarkeit durch vermehrte Getriebeauslegungsparameter effektvoll verbessert. In dieser Ausführung ist am Punkt (7.5), "kolbennahe Schwingenlagerung", entweder ein weiteres Getriebeglied angelenkt, zum Beispiel ein Hebel oder eine Stange (Fig. 1.3), oder wie in Fig. 1 gezeigt, der Schaft eines (Tauch-)Kolbens. Die Kraftübertragungsorgane bzw. führungsvermittelnde Körper (6) an den Anlenkstellen sind in der Regel Gelenkbolzen, zum Beispiel ein üblicher Kolbenbolzen (6.1), oder der Ausführungsvariante in Fig. 1.4 bzw. Fig. 1.5 entsprechend ein mehrgelenkiges Getriebeelement, speziell ein Dreigelenkkörper. Das obere Pleuelauge (10.1) des einteiligen (10.3) oder auch mehrteiligen (10.4) Pleuels (10) greift dann drehbar gelagert im Punkt (7.6) der Schwinge an. Im oberen Totpunkt (OT) stehen die Verbindungslinien von Schwingenlagerung (7.4) und Anlenkstelle (7.6) auf der einen und Kurbelzapfen (2) sowie - Wellenlagerung (1.1) auf der anderen Seite, in einem (Knick-)Winkel (5.1) zueinander und charakterisieren hier in ihrem funktionellen Ablauf das Getriebeelement "Knickhebel" (5).With ( 1 ) the axis of rotation of the output or generally the center of the sun gear is designated, on the eccentrically arranged pin ( 2 ) of which the lower connecting rod eye ( 10.2 ) of a one-piece ( 10.3 ) or multi-piece ( 10.4 ) connecting rod ( 10 ) acts. This crankshaft or eccentric shaft - the preferred direction of rotation is indicated by an arrow - is mounted ( 1.1 ) in a housing ( 30 ) (not shown here). The rocker ( 7 ), in its special design as an angle rocker ( 7.9 ), has three pivot points here. The angle rocker is rotatably mounted in point ( 7.4 ), in particular on the motor housing, and is stationary or also for the purpose of gear adjustment with (not shown) means ( 91 ), e.g. B. an eccentric gear, on and lockable. Depending on the gearbox design, articulation points ( 7.5 , 7.6 ) are located at the same or different radial distance from the rocker bearing ( 7.4 ). As a result of the central and essentially triangular gear body formed in this way, two goals are fundamentally achieved: on the one hand, a stress concentration that is harmful to the structure (with only a single articulation point) is largely avoided or its local concentration is rectified, and on the other hand the flexibility in terms of applicability is effectively improved by increasing gear design parameters. In this embodiment, at point ( 7.5 ), "rocker arm bearing near the piston", either another gear link is articulated, for example a lever or a rod ( Fig. 1.3), or as shown in Fig. 1, the shaft of a (plunger) piston . The force transmission elements or guide-imparting bodies ( 6 ) at the articulation points are generally articulated bolts, for example a conventional piston pin ( 6.1 ), or, according to the embodiment variant in Fig. 1.4 or Fig. 1.5, a multi-articulated transmission element, especially a three-articulated body. The upper connecting rod eye ( 10.1 ) of the one-piece ( 10.3 ) or multi-part ( 10.4 ) connecting rod ( 10 ) then rotatably engages at point ( 7.6 ) of the rocker. At top dead center (TDC) the connecting lines between the rocker bearing ( 7.4 ) and the articulation point ( 7.6 ) on the one hand and crank pin ( 2 ) and - shaft bearing ( 1.1 ) on the other, are at an (articulated) angle ( 5.1 ) to each other and characterize here in their functional sequence the gear element "articulated lever" ( 5 ).
Dabei korrespondiert im gezeigten Beispiel die Bahn (8) der kolbenseitigen Anlenkstelle (4.5) mit den Bahnen der schwingenseitigen Anlenkstellen (7.5, 7.6): Besagte Bahn (8) ist in diesem Fall also kreisbogenförmig mit Strecklagen in den Umkehrpunkten (7.7, 7.8); der Kolben wird in dem Zylinder (3) geführt, mit einem Hub, dessen Betrag in einer Abhängigkeit vom Versatz (3.2) der Zylinderachse (3.1) sowie der Neigungswinkel (3.3) und (4.8) besteht. Im Bedarfsfall können als Massenausgleich Gegengewichte (20) vorgesehen werden, die in Abhängigkeit von der Anwendung für einen ruhigeren Lauf des Motors sorgen.In the example shown, the path ( 8 ) of the piston-side articulation point ( 4.5 ) corresponds to the path of the swing-side articulation point ( 7.5 , 7.6 ): in this case, said path ( 8 ) is circular in shape with stretched positions in the reversal points ( 7.7 , 7.8 ); the piston is guided in the cylinder ( 3 ) with a stroke, the amount of which depends on the offset ( 3.2 ) of the cylinder axis ( 3.1 ) and the angle of inclination ( 3.3 ) and ( 4.8 ). If necessary, counterweights ( 20 ) can be provided as a mass balance, which ensure a smoother running of the engine depending on the application.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird auf die Darstellung von Kraftstoffzuführungs- bzw. externen Gemischaufbereitungssystemen sowie Zündmittel(n) und Ladungswechselorganen verzichtet. Hier können konventionelle Anlagen bzw. Ventiltrieb(e) zum Einbau gelangen.For the sake of clarity, the presentation of fuel supply or external mixture preparation systems as well as ignition means and charge exchange elements waived. Conventional systems or valve train (s) can be installed here.
Im Falle eines Zweitaktbetriebes des Motors zeigt Fig. 1.1 die Getriebestellung nach dem Expansions- bzw. im Gaswechseltakt. Fig. 1.2 illustriert dieselbe Maschine im wesentlichen nach dem Gaswechsel und während des Verdichtungstaktes.In the case of two-stroke operation of the engine, FIG. 1.1 shows the gear position after the expansion or in the gas exchange stroke. Fig. 1.2 illustrates the same machine essentially after the gas change and during the compression stroke.
Die in den vorherigen Absätzen beschriebene Funktionsgruppe bildet den erfinderischen Grundgedanken für die bevorzugten Ausgestaltungen der Getriebe nach Fig. 1.3 und Fig. 1.4. Insbesondere diese Getriebekonstellationen, deren zentralen Bauteile die variationsreich gestaltbaren Schwinge sowie Koppel darstellen, eröffnen der Erfindung vielseitige Anwendbarkeit, nicht zuletzt durch die Kombinationsmöglichkeiten mit den skizzierten Kolbenvarianten.The functional group described in the preceding paragraphs is the basic inventive idea of the preferred embodiments of the transmission according to Fig. 1.3 and Fig. 1.4. In particular, these gearbox constellations, the central components of which represent the swing arm and coupling which can be designed in a variety of ways, open up the invention to versatility, not least because of the possible combinations with the piston variants outlined.
BezugszeichenlisteReference list
1= Sonnenrad(-Mittelpunkt) bzw. Abtrieb
1.1 = Kurbelwellen- bzw. Exzenterwellenlagerung
2 = Kurbel(-Zapfen) bzw. Exzenter
3 = Zylinder
3.1 = Zylinderachse (Tauchkolben)
3.2 = Zylinderachsen-Versatz bzgl. 7.5 (Tauchkolben)
3.3 = resultierender Winkel aus 3.2 (Tauchkolben)
3.5 = strömungsbeeinflussendes Element
4 = Kolben (allgemein)
4.0 = Kolbenboden
4.1 = (im wesentlichen konzentrische) Beaufschlagungsfläche des
(Schwenk-)Kolbens
4.2 = zu 4.1 abgewinkelte Beaufschlagungsfläche des (Schwenk-)Kolbens
4.3 = Drehachse des (Schwenk-)Kolbens
4.4 = (projizierte kolbenseitige) Achsschenkelfläche
4.5 = kolbenseitige Anlenkstelle (i.d.R. Achse: Kolbenbolzen)
4.6 = Dichtsystem/-grenze (kolbenseitig): Medium Gas
4.6.1 = Dichtgrenze im Nackenbereich des Kolbens
4.6.2 = Dichtgrenze im Frontbereich des Kolbens
4.6.3 = Dichtgrenze im Seitenteilbereich des Kolbens
4.7 = (fluides) Dichtsystem/-grenze (kolbenseitig): Medium Öl
4.8 = Winkel zwischen Kolbenboden und -schaft
4.9 = Kolbenschaft bzw. starre Kolbenstange
5 = Knickhebel
5.1 = bestimmender Knickwinkel
6 = Führungsvermittelnder Körper/Koppel
6.1 = Kolbenbolzen
6.2 = Verbindungselement
6.3 = Geradführungselement
6.4 = Exzenterelement
7 = schwingendes Getriebeelement/Schwinge
7.1 = Teilbereich der Schwinge
7.2 = der zu 7.1 im wesentlichen parallele Teilbereich der Schwinge
7.3 = Verbindungssteg
7.4 = Schwingenlagerung (schwingenseitig)
7.5 = kolbennaher Gelenkpunkt
7.6 = kolbenferner Gelenkpunkt
7.7 = obere Strecklage des kolbennahen Gelenkpunktes
7.8 = untere Strecklage des kolbennahen Gelenkpunktes
7.9 = Winkelschwinge/-hebel
7.9.1 = Schwingenwinkel
8 = (Bewegungs-)Bahn
10 = Pleuel
10.1 = oberes Pleuelauge
10.2 = unteres Pleuelauge
10.3 = einteiliges Pleuel (einteilige Pleuelstange)
10.4 = mehrteiliges Pleuel (mehrteilige Pleuelstange)
11 = (maximales) Hauptbrennraum-Volumen
12 = (Gemisch-)Zündungsbereich
13 = Überströmbereich
14 = Flamme bzw. Flammenfront(en)
14.1 = ellipsenförmige bzw. paraboloidförmige Flamme bzw. Flammenfront(en)
20 = Massenausgleich
30 = Gehäuse
31 = gehäuseseitige Schwingenlagerung
41 = (periphere) Mulde der Beaufschlagungsfläche (4.1)
42 = (periphere) Mulde der Beaufschlagungsfläche (4.2)
50 = Einspritzsystem: Pilotdüse (50)
51 = Einspritzsystem: Hauptdüse (51)
60 = Ladungswechselorgan, z. B. Einlaßventil (60): Pilzventil
61 = Ladungswechselorgan, z. B. Auslaßventil (61): Drehschieberregelung oder
Schlitzsteuerung
70 = Getriebeparameter, allgemein
71 = geometrisches Kompressions-/Expansionsverhältnis εg
80 = Regeleinrichtung, allgemein
81 = Klopfgrenzen-Regeleinrichtung
90 = Einrichtung zur Positions- bzw. Lageänderung, allgemein
91 = Einrichtung zur Positions- bzw. Lageänderung der Schwinge
1 = sun gear (center point) or output
1.1 = crankshaft or eccentric shaft bearing
2 = crank (pin) or eccentric
3 = cylinder
3.1 = cylinder axis (plunger)
3.2 = cylinder axis offset with respect to 7.5 (plunger)
3.3 = resulting angle from 3.2 (plunger)
3.5 = flow influencing element
4 = piston (general)
4.0 = piston crown
4.1 = (essentially concentric) pressure surface of the (swivel) piston
4.2 = working surface of the (swivel) piston angled to 4.1
4.3 = axis of rotation of the (swivel) piston
4.4 = (projected piston side) knuckle surface
4.5 = articulation point on the piston side (usually axis: piston pin)
4.6 = sealing system / limit (piston side): medium gas
4.6.1 = sealing limit in the neck area of the piston
4.6.2 = sealing limit in the front area of the piston
4.6.3 = sealing limit in the side area of the piston
4.7 = (fluid) sealing system / limit (piston side): medium oil
4.8 = angle between piston crown and stem
4.9 = piston shaft or rigid piston rod
5 = articulated lever
5.1 = determining kink angle
6 = leadership mediating body / paddock
6.1 = piston pin
6.2 = connecting element
6.3 = straight guide element
6.4 = eccentric element
7 = swinging gear element / swing arm
7.1 = section of the swing arm
7.2 = the section of the rocker which is essentially parallel to 7.1
7.3 = connecting bridge
7.4 = swing arm mounting (swing arm side)
7.5 = pivot point near the piston
7.6 = pivot point remote from the piston
7.7 = upper extended position of the joint point near the piston
7.8 = lower stretch of the hinge point near the piston
7.9 = angle rocker / lever
7.9.1 = swing arm angle
8 = (motion) path
10 = connecting rod
10.1 = upper connecting rod eye
10.2 = lower connecting rod eye
10.3 = one-piece connecting rod (one-piece connecting rod)
10.4 = multi-part connecting rod (multi-part connecting rod)
11 = (maximum) main combustion chamber volume
12 = (mixture) ignition range
13 = overflow area
14 = flame or flame front (s)
14.1 = elliptical or paraboloidal flame or flame front (s)
20 = mass balance
30 = housing
31 = swing arm bearing on the housing side
41 = (peripheral) trough of the applied area ( 4.1 )
42 = (peripheral) trough of the exposure surface ( 4.2 )
50 = injection system: pilot nozzle ( 50 )
51 = injection system: main nozzle ( 51 )
60 = charge change organ, e.g. B. Inlet valve ( 60 ): mushroom valve
61 = charge change organ, e.g. B. Exhaust valve ( 61 ): rotary slide control or slot control
70 = gearbox parameters, general
71 = geometric compression / expansion ratio ε g
80 = control device, general
81 = knock limit control device
90 = device for changing position or position, general
91 = Device for changing the position or position of the swing arm
Fig. 1: Schematische Getriebeanordnung, allgemeine, unspezifische Ausführung, in OT Fig. 1: Schematic gear arrangement, general, unspecific version, in TDC
Fig. 1.1: Wie Fig. 1, jedoch in UT Fig. 1.1: Like Fig. 1, but in UT
Fig. 1.2: Wie Fig. 1, jedoch ca. 215° nach OT Fig. 1.2: Like Fig. 1, but approx. 215 ° after TDC
Fig. 1.3: Modifizierte Ausführungsvariante von Fig. 1, in UT Fig. 1.3: Modified embodiment of Fig. 1, in subtitles
Fig. 1.4: Modifizierte Ausführungsvariante von Fig. 1, ca. 30° v.OT bzw. n.OT Fig. 1.4: Modified design variant of Fig. 1, approx. 30 ° from top or from top
Fig. 1.5: Schematische Ausgestaltung des Getriebeschemas nach Fig. 1.4 Fig. 1.5: Schematic configuration of the transmission diagram according to Fig. 1.4
Fig. 2: Varianten des erfindungsgemäßen Kolben-Hubgetriebes: Fig. 2: Variants of the piston-lifting gear according to the invention:
Fig. 2.1: in der Ausführung als Schwenkkolbensystem, in Stellung OT Fig. 2.1: as a swing piston system, in the TDC position
Fig. 2.2: Wie Fig. 2.1, jedoch mit Einzelheiten im stirnseitigen Kolbenbereich Fig. 2.2: Like Fig. 2.1, but with details in the front piston area
Fig. 2.3: Schwenkkolben-Variante, Einkammer-Ausführung Fig. 2.3: Swinging piston variant, single-chamber version
Fig. 2.4: Schwenkkolben-Variante, Zweikammer-Ausführung Fig. 2.4: Swinging piston variant, two-chamber version
Fig. 3: Vereinfachte, vergleichende Illustration von Verbrennungsabläufen: Fig. 3: Simplified, comparative illustration of combustion processes:
Fig. 3.1: Konventioneller Tauchkolben in zylindrischem Zylinder Fig.3.1 : Conventional plunger in a cylindrical cylinder
Fig. 3.2: qualitative räumliche Flammenausbreitung bei einem erfindungsgemäßen (Schwenk-)Kolbensystem Fig. 3.2: qualitative spatial flame propagation in a (swivel) piston system according to the invention
Fig. 3.3: Variante von Fig. 3.2 Fig. 3.3: variant of Figure 3.2.
Fig. 3.4: örtliche Querschnittsdarstellung der Flammenkontur Fig. 3.4: Local cross-sectional representation of the flame contour
Fig. 3.5: Schematische Brennraumvolumen-Geometrie Fig. 3.5: Schematic combustion chamber volume geometry
Fig. 4: Ansichten zweier Varianten des erfindungsgemäßen Hub-Kolbengetriebes Fig. 4: Views of two variants of the reciprocating piston transmission according to the invention
Fig. 4.1: Schwenkkolbensystem als (Quasi-)"Langhuber" Fig. 4.1: oscillating-piston system as a (quasi -) "long-stroke"
Fig. 4.2: Schwenkkolbensystem als (Quasi-)"Kurzhuber" Fig. 4.2: The oscillating piston system as a (quasi -) "short-stroke"
Fig. 5: Gegenüberstellung: erfindungsgemäße Maschine / "Stand der Technik"
Diesbezüglich veranschaulichen:
Vollinien = erfindungsgemäße(s) Hubgetriebe
Strichlinie = Maschine(n) nach WO 88/08922 bzw. EP 88/00367
Punktlinie = konventionelle(s) Hubgetriebe Fig. 5: Comparison: machine of the invention / the "prior art"
Illustrate in this regard:
Solid lines = lifting gear according to the invention
Dash line = machine (s) according to WO 88/08922 or EP 88/00367
Dot line = conventional lifting gear
Fig. 5.1: Darstellung der Kolbenbeschleunigung (ak), qualitativ Fig. 5.1: Representation of the piston acceleration (ak), qualitative
Fig. 5.2: Tangentialkraftverlauf bzw. Drehmomentenverlauf (Mi) an der Kurbel bei konstanter Druckkraft auf den Kolben Fig. 5.2: Tangential force curve or torque curve (Mi) on the crank with constant pressure on the piston
Fig. 5.3: Einfluß der Massenkräfte auf das Drehmoment an der Kurbel bzw. Drehkraftlinie (Mm) Fig. 5.3: the inertial forces (m M) influence on the torque on the crank or rotational force line
Fig. 5.4: Drehkraftlinie (Mi) wie Fig. 5.2, jedoch für kompletten Vier-Takt-Zyklus Fig. 5.4: Torque line (M i ) like Fig. 5.2, but for a complete four-stroke cycle
Fig. 6: (Fig. 6.1 bis Fig. 6.12) Ausführungsvarianten, insbesondere von Kolben, auf der Basis des erfindungsgemäßen orbitalen Hubgetriebes Fig. 6: ( Fig. 6.1 to Fig. 6.12) design variants, in particular of pistons, based on the orbital lifting gear according to the invention
Fig. 7: (Fig. 7.1 bis Fig. 7.6) Ausführungsvarianten, insbesondere von Getriebeelementen, auf der Basis des erfindungsgemäßen orbitalen Hubgetriebes Fig. 7: ( Fig. 7.1 to Fig. 7.6) design variants, in particular of gear elements, based on the orbital lifting gear according to the invention
Fig. 8: Konstruktive Gestaltung eines speziellen orbitalen Hubgetriebes Fig. 8: Constructional design of a special orbital lifting gear
Fig. 9: bzw. Fig. 9.1 bis Fig. 9.4: Druck-, Volumen-Diagramme (p,V-D) bzw. Temperatur-, Entropie- Diagramme (T,s-D) für erfindungsgemäße Maschine auf der Basis der Fig. 1.3 Fig. 9 or Fig 9.1 to 9.4 Fig.:. Pressure, volume diagrams (p, VD) or temperature, entropy diagram (T, SD) for machine according to the invention on the basis of Fig 1.3.
Fig. 10: Schematische Darstellung des Steuer- und Regelsystems. Fig. 10: Schematic representation of the control and regulation system.
Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die Figuren Bezug genommen.To further illustrate the invention, reference is made to the figures.
Fig. 1: Allgemeine, unspezifische Ausführung, d. h. nichtoptimierte kinematische Abmessungen bzw. Getriebeparameter (z. B. Bezugszeichen (4.8), (4.9) oder (5.1)). Schwinge (7) in der Ausführung als "Winkelschwinge" (7.9), hier mit Schwingenwinkel (7.9.1) ca. 90°; Grund hierfür: "Entzerrung" des konzentrierten Kraftflusses. Kolben (4) am kolbennahen Gelenkpunkt (7.5) angelenkt, Pleuel (10) am kolbenfernen Gelenkpunkt (7.6) angelenkt. Aus dieser Tauchkolbenversion folgt eine argumentative Modifizierung zum Schwenkkolbensystem (z. B. Fig. 2ff). Eine noch allgemeinere Darstellung (ohne Figur) würde eine "Geradführung" im Abtrieb, unterschiedliche Radien bzgl. der (Schwingen-) Gelenkpunkte (Laufbahnradien) (7.5) und (7.6) sowie differenzierte Ausführungen der Anlenkstellen für Kolben (4.5) und Pleuel (10.1) wie auch der Schwingenlagerung (7.4) umfassen. Fig. 1: General, unspecific design, ie non-optimized kinematic dimensions or gear parameters (e.g. reference numerals ( 4.8 ), ( 4.9 ) or ( 5.1 )). Swing arm ( 7 ) designed as an "angle swing arm " ( 7.9 ), here with swing arm angle ( 7.9.1 ) approx. 90 °; The reason for this: "equalization" of the concentrated flow of force. Piston ( 4 ) articulated at the articulation point ( 7.5 ) near the piston, connecting rod ( 10 ) articulated at the articulation point ( 7.6 ) remote from the piston. From this plunger version, an argumentative modification to the swing piston system follows (e.g. Fig. 2ff). A more general representation (without figure) would be a "straight line" in the output, different radii with regard to the (swing) articulation points (raceway radii) ( 7.5 ) and ( 7.6 ) as well as differentiated designs of the articulation points for pistons ( 4.5 ) and connecting rods ( 10.1 ) as well as the swing arm mounting ( 7.4 ).
Fig. 1.1 und Fig. 1.2: skizzieren eine prinzipielle Arbeitsweise. Im Falle eines Zweitaktbetriebes des Motors zeigt Fig. 1.1 die Getriebestellung nach dem Expansions- bzw. im Gaswechseltakt. Fig. 1.1 and Fig. 1.2: outline a principle of operation. In the case of two-stroke operation of the engine, FIG. 1.1 shows the gear position after the expansion or in the gas exchange stroke.
Fig. 1.2 illustriert dieselbe Maschine im wesentlichen nach dem Gaswechsel und während des Verdichtungstaktes. Die bevorzugte Drehrichtung ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Fig. 1.2 illustrates the same machine essentially after the gas change and during the compression stroke. The preferred direction of rotation is marked with an arrow.
Fig. 1.3: zeigt eine Weiterentwicklung erfindungsgemäßer Funktionsgruppe auf der Basis von Fig. 1. Eine bevorzugte Ausgestaltung dieses Getriebes erschließt der Erfindung vielseitige Anwendbarkeit, wie in der Beschreibung noch gezeigt wird. Die Bezugszeichen entsprechen im wesentlichen denen in Fig. 1. Fig. 1.3: shows a further development of the functional group according to the invention on the basis of Fig. 1. A preferred embodiment of this transmission opens up a variety of uses for the invention, as will be shown in the description. The reference numerals essentially correspond to those in FIG. 1.
Fig. 1.4: stellt ein alternatives erfindungsgemäßes Getriebeschema auf der Basis von Fig. 1 dar. Die Koppel (6) ist hier als Dreigelenkglied ausgeführt und auf einer kreisförmigen Bahn umlauffähig. Sie verbindet die Kurbel mit dem Pleuel und bestimmt zusammen mit der zu einer Kurbel entarteten Schwinge die Bahndaten des Kolbens. Bei speziellen geometrischen und kinematischen Parametern wird mit dieser Getriebevariante eine Korrelation von maximaler Gaskraft im Zylinder und maximalem Drehmoment an der Kurbel erreicht und auch praktisch umsetzbar. Die in diesem Fall auftretende längere Verweilzeit im unteren Totpunkt kann vorteilhaft für die Gaswechselprozesse während eines Zweitaktbetriebes der Maschine genutzt werden. Mit bestimmten Getriebeparametern können außerdem Ungleichmäßigkeiten in der Drehbewegung der Abtriebswelle verringert werden. Die Bezugszeichen entsprechen im wesentlichen denen von in Fig. 1. Fig. 1.4: represents an alternative transmission scheme according to the invention on the basis of Fig. 1. The coupling ( 6 ) is designed here as a three-joint link and can be driven on a circular path. It connects the crank to the connecting rod and, together with the rocker degenerated into a crank, determines the orbital data of the piston. In the case of special geometric and kinematic parameters, this transmission variant achieves a correlation between maximum gas force in the cylinder and maximum torque on the crank and can also be implemented in practice. The longer dwell time in bottom dead center that occurs in this case can advantageously be used for the gas exchange processes during two-stroke operation of the machine. With certain gear parameters, irregularities in the rotational movement of the output shaft can also be reduced. The reference numerals essentially correspond to those in FIG. 1.
Fig. 1.5: zeigt beispielhaft eine mögliche physikalisch technische Auslegung bzw. konstruktive Gestaltung des schematischen Getriebes von Fig. 1.4, mit Stellung im OT. Die Getriebeelemente sind zum besseren Verständnis gedreht zueinander gezeichnet. Die Koppel (6) weist hier drei Drehgelenke auf, deren Achsen exzentrisch und räumlich zueinander versetzt sind. Die Koppel kann aus De-/Montagegründen zweckmäßig zweiteilig ausgeführt sein und beispielsweise entlang der Symmetrieachse von Fig. 1.5 einfach mittels einer Vielnut- oder auch Zahnwellenverbindung gekoppelt werden. Letzteres ist hier - im Gegensatz zu konventionell gebauten Kurbelwellensegmenten - deshalb möglich, weil betriebsbedingte Biegemomente in diesem Getriebeabschnitt durch die dreifache Lagerung (1.1, 7.4) der Koppel (6) auf ein Minimum beschränkt sind. Hierbei kann eine aufwendige axiale Sicherung gegen Verschiebung entfallen. Die Verbindung hat also im wesentlichen die Aufgabe, eine relative Verdrehung der Getriebekomponenten zu verhindern. In bestimmten Fällen kann zusätzlich eine Synchronisierung der beiden Abtriebswellen segmente angemessen sein, beispielsweise mittels eines Zahnradgetriebes. Die Koppel kann im Bedarfsfall einen Massenausgleich (20) in Form einer Ausnehmung aufweisen. Das Gehäuse kann aus den o.g. Gründen ebenfalls an der Symmetrielinie zweiteilig sein, während das Pleuel in diesem Fall aus zwei identischen Teilsegmenten besteht und diese nur mittelbar miteinander verbunden sind, wobei jedes für sich einteilig ausgeführt ist. Bei dieser "Doppel-Pleuel Maschine" werden die einteiligen Pleuel bei der Montage einfach auf die Koppelgelenke geschoben. Dabei entfällt die übliche Schraubenverbindung der Pleuelhälften. Die kolbenseitige Anlenkstelle 4.5 befindet sich in der Nähe des Kolbenzentrums und nicht wie üblich in der peripheren Randzone des Kolbens. Hierdurch wird einerseits die Spannungsverteilung innerhalb des Kolbens homogenisiert und andererseits eine günstige Voraussetzung zur Gestaltung von (Kolben-)Mulden und/oder (Ventil-)Taschen geschaffen. Falls erforderlich, kann die Abtriebswelle (1) mit Schwermetalleinsätzen - als Massenausgleich (20) - ausgerüstet sein und/oder (nicht gezeigte) Gegengewichte aufweisen. Für die Lagerung der einzelnen Getriebekomponenten kommen sowohl Gleit- als auch Wälzlager in Frage, mit oder auch ohne Ölschmierung. Die Lager müssen in keinem Fall geteilt sein. Das Getriebe zeichnet sich also insgesamt auch durch einfache (De-)Montage aus und ist zudem kostengünstig in der Herstellung. Die Wirtschaftlichkeit erhöht sich im übrigen dadurch, daß auf eine teure Kurbelwelle verzichtet werden kann. Fig. 1.5: shows an example of a possible physical-technical design or structural design of the schematic transmission of Fig. 1.4, with position in the TDC. The gear elements are drawn rotated to each other for better understanding. The coupling ( 6 ) here has three rotary joints, the axes of which are offset eccentrically and spatially from one another. For reasons of disassembly / assembly, the coupling can be expediently made in two parts and can be coupled, for example, along the axis of symmetry of FIG . The latter is possible here - in contrast to conventionally built crankshaft segments - because operational bending moments in this gear section are limited to a minimum by the triple bearing ( 1.1 , 7.4 ) of the coupling ( 6 ). A complex axial securing against displacement can be omitted. The connection therefore essentially has the task of preventing a relative rotation of the transmission components. In certain cases, a synchronization of the two output shaft segments may also be appropriate, for example by means of a gear transmission. If necessary, the coupling can have a mass balance ( 20 ) in the form of a recess. For the reasons mentioned above, the housing can also be in two parts on the line of symmetry, while in this case the connecting rod consists of two identical sub-segments and these are only indirectly connected to one another, each being designed in one piece. With this "double connecting rod machine", the one-piece connecting rods are simply pushed onto the coupling joints during assembly. The usual screw connection of the connecting rod halves is omitted. The articulation point 4.5 on the piston side is located near the center of the piston and not, as is customary, in the peripheral peripheral zone of the piston. This on the one hand homogenizes the stress distribution within the piston and on the other hand creates a favorable prerequisite for the design of (piston) troughs and / or (valve) pockets. If necessary, the output shaft ( 1 ) can be equipped with heavy metal inserts - as a mass balance ( 20 ) - and / or have counterweights (not shown). Both plain and roller bearings can be used to support the individual gear components, with or without oil lubrication. The bearings do not have to be divided under any circumstances. Overall, the transmission is also characterized by simple (dis) assembly and is also inexpensive to manufacture. The economy also increases because there is no need for an expensive crankshaft.
Auch dieses Getriebe kann beispielsweise vorteilhaft in einem Kolbenverdichter eingesetzt werden. Hierdurch reduziert sich die für den Betrieb des Verdichters notwendige Antriebsleistung deutlich.This transmission can also be used advantageously in a piston compressor, for example will. This reduces what is necessary for the operation of the compressor Drive power clearly.
Fig. 2.1: skizziert eine gestalterische Umsetzung des Knickhebels (5) sowie die kolbenintegrierte Schwinge (7). Erkennbar sind die zueinander abgewinkelten Beaufschlagungsflächen (4.1) und (4.2), mit einer relativen Winkeligkeit von hier nahezu 90°. Das (konventionelle) Pleuel (10.4) ist am unteren Pleuelauge (10.2) geteilt, der Abtrieb erfolgt über eine Kurbelwelle (1) bzw. (1.1). Eine periphere Mulde (41) ist für die Bereitstellung eines die Gemischzündung begünstigenden Raumes verfügbar und läßt eine intensive sowie gerichtete (Quetsch-)Strömung in Richtung des Zündmittels zu bzw. ermöglicht eine Ladungsschichtung. Weiterhin ist eine schematische gas- sowie kolbenseitige Dichtgrenze (4.6) eingezeichnet. Fig. 2.1: outlines a design implementation of the articulated lever ( 5 ) and the piston-integrated rocker ( 7 ). The angled surfaces ( 4.1 ) and ( 4.2 ) can be seen, with a relative angularity of almost 90 ° here. The (conventional) connecting rod ( 10.4 ) is split on the lower connecting rod eye ( 10.2 ), the output is via a crankshaft ( 1 ) or ( 1.1 ). A peripheral trough ( 41 ) is available for the provision of a space which favors the mixture ignition and permits an intensive and directed (squeezing) flow in the direction of the ignition means or enables charge stratification. Furthermore, a schematic sealing limit ( 4.6 ) on the gas and piston side is shown.
Fig. 2.2: Die Mulde (41) im stirnseitigen Kolbenbereich (4.1) intensiviert einerseits Ladungsdurchmischung über einen größeren Kurbelwinkelbereich und ermöglicht in Verbindung mit einer zusätzlichen Mulde (42) im stegseitigen Kolbenbereich (4.2) eine Variante der Ladungsverteilung bzw. -schichtung. Nicht dargestellte Zündmittel (z. B. Zündkerzen) befinden sich im Zylinder (3) bzw. im Motorblock. Ferner ist folgendes Einspritzschema aufgezeigt: Eine Pilotdüse (50) in Verbindung mit (nicht gezeichnetem) Zündmittel sowie eine Hauptdüse (51) erzielen bei einer Ladungsschichtung entweder eine sequentielle oder auch gleichzeitige Einspritzung zwecks optimiertem Zünd- und Verbrennungsablauf. Vorteilhaft ist ein Überströmbereich (13) im Anschluß oder überschneidend mit dem Zündungsbereich (12). Fig. 2.2: The trough ( 41 ) in the front piston area ( 4.1 ) intensifies charge mixing on the one hand over a larger crank angle range and, in conjunction with an additional trough ( 42 ) in the piston area ( 4.2 ) on the web side, enables a variant of the charge distribution or stratification. Ignition means (not shown) (e.g. spark plugs) are located in the cylinder ( 3 ) or in the engine block. The following injection scheme is also shown: A pilot nozzle ( 50 ) in connection with (not shown) ignition means and a main nozzle ( 51 ) achieve either sequential or simultaneous injection for the purpose of an optimized ignition and combustion process. An overflow area ( 13 ) following or overlapping with the ignition area ( 12 ) is advantageous.
Als Beispiel für den (schematisch dargestellten) Ladungswechsel ist, insbesondere für den 2-Takt-Betrieb des Motors, eine Gleichstromspülung mit Einlaßmechanismus (60), insbesondere Pilzventil sowie Auslaßmechanismus (61), speziell Drehschieberregelung oder Schlitzsteuerung vorgesehen. Hierdurch wird ein unsymmetrisches Steuerdiagramm erzielt (siehe jeweils korrespondierende Pfeilrichtungen für Zu- bzw. Abstrom sowie Ladungsströmung). Eine (fluide) Dichtgrenze (4.7), insbesondere Öldichtungssystem, ein- oder mehrteilig ausgeführt, erwirkt an den Stoßecken "gewollte" Leckagen zur Laufbahn bzw. Dichtkörperschmierung. Das schematisch angedeutete elastische Element (4.7), insbesondere eine mechanische Feder, gewährleistet den notwendigen Anpreßdruck, vor allem beim Startvorgang. Ein zusätzliches Element (3.5), in der Kontur beispielsweise konkav, konvex oder beides, insbesondere Drallerzeuger bzw. Turbulenz- und Wirbelbildner oder auch Abrißkontur/-Kante, gestaltet die Strömung in der Kammer nach vorbeschriebenen Grundsätzen. Es kann auch als Einlaßschlitz im 2-Takt-Betrieb dienen (symmetrisches Steuerdiagramm).As an example of the (schematically represented) charge change, in particular for the 2-stroke operation of the engine, a direct current flushing with an inlet mechanism ( 60 ), in particular a mushroom valve and an outlet mechanism ( 61 ), especially a rotary slide valve control or slot control is provided. This results in an asymmetrical control diagram (see corresponding arrow directions for inflow and outflow and charge flow). A (fluid) sealing limit ( 4.7 ), in particular an oil sealing system, made in one or more parts, causes "deliberate" leaks to the raceway or sealing body lubrication at the butt corners. The schematically indicated elastic element ( 4.7 ), in particular a mechanical spring, ensures the necessary contact pressure, especially during the starting process. An additional element ( 3.5 ) in the contour, for example concave, convex or both, in particular swirl generator or turbulence and vortex generator or also tear-off contour / edge, shapes the flow in the chamber according to the principles described above. It can also serve as an inlet slot in 2-stroke operation (symmetrical control diagram).
Fig. 2.3: zeigt einen Einkammer-Schwenkkolben. Die (kolbenseitige) Schwingenlagerung ist zwecks Gewichtsreduzierung mit einer ggf. durchgehenden Hohlbohrung versehen. Das Material ist z. B. Aluminium Spritzdruckguß bzw. eine AL- Legierung. Im Kolbenstirnflächenbereich können sich Einsätze aus Keramik befinden, die eine günstige Beeinflussung des Wärmeübergangsverhalten (z. B. Isolation) gestatten. Außerdem können Dichtleistenträger ("Panzerung" bzw. Armierung der Dichtgrenze) durch vergleichsweise härtere Materialien wie z. B. "austenitisches Gußeisen" eingegossen sein, woraus sich eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes ergibt. Fig. 2.3: shows a single-chamber swivel piston. The (piston-side) rocker bearing is provided with a through hole, if necessary, to reduce weight. The material is e.g. B. aluminum injection molding or an AL alloy. Ceramic inserts can be located in the piston face area, which allow a favorable influence on the heat transfer behavior (e.g. insulation). In addition, sealing strip carriers ("armor" or reinforcement of the sealing limit) can be made by comparatively harder materials such. B. cast "austenitic cast iron", resulting in an increase in wear resistance.
Fig. 2.4: zeigt einen Zweikammer-Schwenkkolben, wobei die zweite Kammer für eine insbesondere "saubere" Vorverdichtung bzw. Frischladungszuführung sorgt. Verstärkte Anlenkstellen (4.5) bzw. Verbindungsstege (7.3) ergeben eine Strukturversteifung des Kolbens. Fig. 2.4: shows a two-chamber swivel piston, the second chamber ensuring in particular a "clean" pre-compression or fresh charge supply. Reinforced articulation points ( 4.5 ) or connecting bars ( 7.3 ) result in structural stiffening of the piston.
Fig. 3.1: skizziert beispielhaft und qualitativ die räumliche Flammenausbreitung eines
Tauchkolbenmotors, mit seitlichem Zündbereich (12) in der OT-Umgebung, zu drei
unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. Kurbelgraden. Der Hauptbrennraum wird im
wesentlichen durch den Kolben (4) (-Boden, 4.0) und den Zylinder (3) gebildet und ist in
diesem Fall im wesentlichen zylinderförmig. Es ist zu erkennen, daß im Verlauf des
Verbrennungszyklusses sukzessive ein immer größer werdender Anteil der
Zylinderkopffläche erfaßt wird. Dabei muß aber auch die Flammenfront (14) in
zunehmendem Maße dem sich mit wachsender Geschwindigkeit vom OT entfernenden
Kolben in Z-Richtung und in die Tiefe des Brennraumes folgen. Hierbei besteht die Gefahr,
daß sich insbesondere gegen Brennende mehr oder weniger große Zonen direkt über dem
Kolben bilden, die nicht (mehr) von der Flammenfront erreicht werden können
("Quenchzonen-Bildung"). Quenchzonenvolumina und HC-Bildung stehen hier in direktem
Zusammenhang, d. h. mit wachsendem Quenchzonenvolumina steigt auch der Anteil an
unverbranntem Kohlenwasserstoff. Bei hohen Luftverhältnissen kann außerdem ein
vorzeitiges Erlöschen der Flamme einsetzen und diesen Prozeß verstärken, trotzdem in den
Quenchzonen vornehmlich Frischgemisch aus Brennstoff und Luft enthalten ist.
Flammenkontur: im wesentlichen sphärisch. Fig. 3.1: exemplarily and qualitatively outlines the spatial flame spread of a plunger engine, with a lateral ignition area ( 12 ) in the TDC environment, at three different times or crank degrees. The main combustion chamber is essentially formed by the piston ( 4 ) (bottom, 4.0 ) and the cylinder ( 3 ) and in this case is essentially cylindrical. It can be seen that, in the course of the combustion cycle, an increasingly larger proportion of the cylinder head surface is successively recorded. However, the flame front ( 14 ) must also increasingly follow the piston moving away from the TDC with increasing speed in the Z direction and into the depth of the combustion chamber. There is a risk here that more or less large zones form directly above the piston, particularly towards the end of the flame, which zones can no longer (more) be reached from the flame front ("quench zone formation"). Quench zone volumes and HC formation are directly related here, ie with increasing quench zone volumes, the proportion of unburned hydrocarbon also increases. At high air ratios, the flame may go out prematurely and intensify this process, although the quench zones primarily contain a fresh mixture of fuel and air.
Flame contour: essentially spherical.
Fig. 3.2: Gezeigt wird qualitativ die räumliche Flammenausbreitung eines erfindungsgemäß gestalteten (Schwenk-)Kolbens mit Zündbereich in Höhe der peripheren Mulde (41). Die (zeitlich variable) Hauptbrennraumkontur wird im wesentlichen angenähert durch die beiden hier zueinander abgewinkelten Beaufschlagungsflächen (4.1) und (4.2) sowie außerdem durch den Zylinder (3) (mit seinen Seitenwänden). Das auf diese Weise aufgespannte maximale Brennraumvolumen (11) ist in Fig. 3.5 strichpunktiert dargestellt und ergibt in diesem Fall angenähert einen Quader. Fig. 3.2: The spatial flame propagation of a (swivel) piston designed according to the invention with ignition area at the level of the peripheral trough ( 41 ) is shown qualitatively. The (temporally variable) main combustion chamber contour is essentially approximated by the two admission surfaces ( 4.1 ) and ( 4.2 ), which are angled to one another here, and also by the cylinder ( 3 ) (with its side walls). The maximum combustion chamber volume ( 11 ) spanned in this way is shown in dash-dot lines in FIG. 3.5 and in this case results approximately in a cuboid.
Üblicherweise ist die Brenngeschwindigkeit des von dem Zündmittel(-kerze) entzündeten Gemisches wesentlich geringer als die Gasgeschwindigkeit. Erfindungsgemäß wird letztere mit strömungsgebenden Konturen erhöht (insbesondere durch oben beschriebene Maßnahmen), welche im Vergleich zu konventionellen Maßnahmen über einen größeren Kurbelwinkel die vorteilhaften Strömungsverhältnisse erzwingen sollen. Hierdurch entwickelt sich die Flamme nicht kreisförmig oder sphärisch, sondern ihre Ausbreitung erfolgt ellipsenähnlich bzw. ellipsoid- oder paraboloidförmig, also konturkonform zur Kammergeometrie. Hieraus resultieren eine schnellere Entflammung, erhöhte Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, kürzere Durchbrennzeiten, Verlagerung des Verbrennungs- bzw. Flammenschwerpunktes in Bereiche günstigerer Raum-/Druckverhältnisse und damit erhöhtes Drehmoment. Zusätzlich wird der Wärmeverlust über die Brennraumwände gesenkt.Usually the burning rate is that ignited by the ignition means (candle) Mixtures much lower than the gas velocity. The latter is according to the invention with flow-giving contours increased (especially through those described above Measures), which are larger than conventional measures Crank angle should enforce the advantageous flow conditions. Developed by this the flame is not circular or spherical, but spreads out ellipsoidal or ellipsoidal or paraboloidal, i.e. conforming to the contour Chamber geometry. This results in a faster ignition, increased Flame spreading speed, shorter burn times, displacement of the Combustion or flame center of gravity in areas of more favorable space / pressure conditions and thus increased torque. In addition, the heat loss is over the combustion chamber walls lowered.
Fig. 3.3: wie Fig. 3.2, jedoch mit anderer Strömungsführung und/oder "Einfachzündung". Fig. 3.3: like Fig. 3.2, but with a different flow and / or "single ignition".
Fig. 3.4: Querschnittsdarstellung: zeigt ellipsenähnliche bzw. ellipsoid- oder paraboloid förmige Flammenkontur, konform zur Brennraumgeometrie. Hieraus folgt unter anderem die bereits zuvor beschriebene schnellere Entflammung sowie erhöhte Flammen ausbreitungsgeschwindigkeit. Die räumliche Flammenkontur-Ausbreitung ist "quasi zweidimensional", da eine der drei Dimensionen in räumlich-zeitlicher Relation vergleichsweise kleiner wird. Fig. 3.4: Cross-sectional view: shows ellipsoid-like or ellipsoidal or paraboloid-shaped flame contour, conforming to the combustion chamber geometry. Among other things, this results in the faster ignition described above and increased flame propagation speed. The spatial flame contour spread is "quasi two-dimensional", since one of the three dimensions becomes comparatively smaller in spatial-temporal relation.
Fig. 3.5: Erfindungsgemäß gestalteter (Schwenk-)Kolben mit, im wesentlichen durch die beiden zueinander abgewinkelten Beaufschlagungsflächen (4.1), (4.2) sowie durch den Zylinder (3) (mit seinen Seitenwänden) gebildeten, Hauptbrennraumkontur. Das auf diese Weise aufgespannte maximale Brennraumvolumen (11) ist strichpunktiert dargestellt und ergibt in diesem Fall angenähert einen Quader. Fig. 3.5: (Swivel) piston designed according to the invention with the main combustion chamber contour formed essentially by the two angled acting surfaces ( 4.1 ), ( 4.2 ) and by the cylinder ( 3 ) (with its side walls). The maximum combustion chamber volume ( 11 ) spanned in this way is shown in dash-dot lines and in this case results approximately in a cuboid.
Fig. 4.1: "Quasi-Langhuber"; Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen orbitalen Hub getriebes, wobei der Abtrieb über eine Exzenterwelle (2) erfolgt, auf deren Exzenterzapfen ein einteiliges Pleuel (10.3) gelagert ist, welches mit dem Kolben (4) über die kolbenseitigen Anlenkstellen (4.5), (4.5′) in den Teilbereichen (7.1) und (7.2) der Schwinge mit einer konventionellen Bolzenverbindung in kraftschlüssiger Verbindung steht. Fig. 4.1: "Quasi-Langhuber"; Design of an orbital lifting gear according to the invention, wherein the output takes place via an eccentric shaft ( 2 ), on the eccentric pin of which a one-piece connecting rod ( 10.3 ) is mounted, which with the piston ( 4 ) via the piston-side articulation points ( 4.5 ), ( 4.5 ') in the sections ( 7.1 ) and ( 7.2 ) of the rocker are non-positively connected with a conventional bolt connection.
Erkennbar ist, daß sich der Exzenterzapfen (2) im Bereich zwischen den Teilen (7.1) und (7.2) der Schwinge bzw. der kolbenseitigen Anlenkstellen (4.5), (4.5′) bewegt und die Zapfenrandbereiche dabei die Ebene der in Axialrichtung der Drehachse (4.3) projizierten kolbenseitigen Achsschenkelfläche (4.4) (hier: rechtwinklig) schneidet; Zweck: Gewichtsreduzierung bzw. Minderung des Masseneinflusses auf das Abtriebs-Drehmoment; außerdem Bauraumminimierung; weitere, diesbezügliche Zielmaßnahme: Das Stichmaß (=Abstand der Augenmittelpunkte) des Pleuels soll minimiert werden. Dabei dürfen die betreffenden gehäuseseitigen Lagerungen radial und zueinander einen Mindestabstand nicht unterschreiten (Lagerdimension, Festigkeit).It can be seen that the eccentric pin ( 2 ) moves in the area between the parts ( 7.1 ) and ( 7.2 ) of the rocker arm or the piston-side articulation points ( 4.5 ), ( 4.5 ′) and the pin edge areas thereby the plane of the axis of rotation ( 4.3 ) projected piston-side knuckle surface ( 4.4 ) (here: right-angled); Purpose: to reduce the weight or reduce the influence of mass on the output torque; also minimizes installation space; Another target measure in this regard: The center distance (= distance between the center of the eyes) of the connecting rod should be minimized. The relevant bearings on the housing side must not be less than a minimum radial distance from one another (bearing dimension, strength).
Der Kolben weist aus denselben Gründen strukturell örtliche Erleichterungskonturen auf.The piston has structurally localized relief contours for the same reasons.
Die (günstige) Wirkung dieser Auslegungsgrößen spiegelt sich u. a. in dem Kurvenverlauf der Fig. 5.3 wieder.The (favorable) effect of these design variables is reflected, inter alia, in the curve of FIG. 5.3.
Weiterhin, hier: die Beaufschlagungsfläche (4.2) bildet im wesentlichen die Verlängerung der gedachten Sehne der zur Drehachse (4.3) im wesentlichen konzentrisch ausgebildeten Beaufschlagungsfläche (4.1).Furthermore, here: the loading surface ( 4.2 ) essentially forms the extension of the imaginary chord of the loading surface ( 4.1 ), which is essentially concentric with the axis of rotation ( 4.3 ).
Ansonsten: Gaswechsel, Dichtung, Strömungsverhältnisse können ähnlich aufgebaut werden wie in Fig. 2ff gezeigt wurde.Otherwise: gas exchange, seal, flow conditions can be constructed similarly as was shown in Fig. 2ff.
Fig. 4.2: "Quasi-Kurzhuber"; Variante eines erfindungsgemäßen orbitalen Hubgetriebes, wobei der Abtrieb analog zu Fig. 4.1 erfolgt, gezeichnet mit kolbennahem Gelenkpunkt (7.5) in der oberen Strecklage. Fig. 4.2: "Quasi-short stroke"; Variant of an orbital lifting gear according to the invention, the output taking place analogously to FIG. 4.1, drawn with the hinge point ( 7.5 ) near the piston in the upper extended position.
Gegenüber Fig. 4.1 besteht die Möglichkeit, das Totvolumen zu verringern; damit hat man mehr Flexibilität zur Gestaltung von Strömungsbildnern (Mulden, Düsen, . . . ). Gegenüber konventionellen Zweitaktern ist ein kleineres Hub-Bohrungs-Verhältnis insofern zulässig, da der Verlauf des "Nutzhubes" (vgl. Fig. 5.2) es gestattet, Spül-, Ein- bzw. Auslaßschlitze zeitlich (bzw. bzgl. des Kurbelwinkels) weiter vorzuverlegen. Zwar ist das Oberflächen-/Volumenverhältnis ungünstiger ("Kurzhuber"), jedoch ist wegen des speziellen räumlichen und zeitlichen Ablaufes der Prozeßtakte nicht zwangsweise mit höheren Wärmeverlusten zu rechnen.Compared to Fig. 4.1, there is the possibility of reducing the dead volume; this gives you more flexibility for the design of flow formers (troughs, nozzles,...). Compared to conventional two-stroke engines, a smaller stroke-bore ratio is permissible insofar as the course of the "useful stroke" (cf. Fig. 5.2) allows flushing, inlet and outlet slots to be advanced (or with regard to the crank angle) . Although the surface / volume ratio is less favorable ("Kurzhuber"), due to the special spatial and temporal sequence of the process cycles, higher heat losses are not necessarily to be expected.
Der Kolben ist leichter. Die Maschine weist einen nochmals reduzierten Masseneinfluß bezüglich der Drehkraftlinie auf; Der Kurvenverlauf ist ähnlich Fig. 5.3 oder (noch) günstiger.The piston is lighter. The machine has a further reduced mass influence with respect to the torque line; The curve is similar to Fig. 5.3 or (still) cheaper.
Weiterhin, hier: die Beaufschlagungsfläche (4.2) fällt i.Vgl. zu Fig. 4.1 deutlich größer aus. Dagegen ist die Beaufschlagungsfläche (4.1) i.Vgl. zu letzterer wesentlich kleiner ausgebildet.Furthermore, here: the exposure area ( 4.2 ) falls in comparison. to Fig. 4.1 was much greater. In contrast, the applied area ( 4.1 ) i. trained to the latter much smaller.
Ferner: Die oben beschriebenen Strömungsbildner können sich bevorzugt am oder im Wandbereich des Zylinders (3) wie auch im äquivalenten Kolbenbereich (4.2) befinden.Furthermore: The flow formers described above can preferably be located on or in the wall area of the cylinder ( 3 ) as well as in the equivalent piston area ( 4.2 ).
Ansonsten: Gaswechsel, Dichtung, Strömungsverhältnisse beispielsweise ähnlich wie in Fig. 2.2.Otherwise: gas exchange, seal, flow conditions, for example similar to that in Fig. 2.2.
Fig. 5: Die Darstellungen basieren auf realitätsnahen Vergleichsrechnungen mit jeweilig gleichem Hubvolumen sowie bei jeweils konstanter Winkelgeschwindigkeit der Welle (1), außerdem als Funktion des Kurbelwinkels (°KW) bzw. der Zeit (t) (Ausnahme: orbitales Hubgetriebe auf der Basis von Fig. 1.3: hier ist sowohl das Hubvolumen als auch die Winkelgeschwindigkeit der Welle etwa halb so groß wie bei den anderen Maschinen). Fig. 5: The representations are based on realistic comparative calculations with the same stroke volume and constant angular velocity of the shaft ( 1 ), as well as a function of the crank angle (° KW) or the time (t) (exception: orbital lifting gear based on Fig. 1.3: here both the stroke volume and the angular velocity of the shaft are about half the size of the other machines).
Fig. 5.1: Für die erfindungsgemäße (Schwenk-)Kolbenmaschine gilt hier: Die Kolbenbeschleunigung ist analog der Winkelbeschleunigung um die Drehachse (4.3). Fig. 5.1: The following applies to the (swivel) piston machine according to the invention: the piston acceleration is analogous to the angular acceleration about the axis of rotation ( 4.3 ).
Beim "speziellen Stand der Technik", WO 88/08922 bzw. EP 88/00367 (gestrichelter Kurvenverlauf), signalisiert der Verlauf der Beschleunigungskurve mit ihren zusätzlichen Wendepunkten gleichzeitig Lastwechselpunkte und damit verbundene ungünstige Belastungsspitzen. Es ist zu erkennen, daß hier der Kolben bei vergleichsweise großem Hebelarm an der Kurbel gerade sein Beschleunigungsmaximum erreicht und hierdurch infolge der oszillatorischen Massenträgheitskräfte den in Fig. 5.3 gezeigten (ungünstigeren) Kurvenverlauf entwickelt.In the "special prior art", WO 88/08922 and EP 88/00367 (dashed curve course), the course of the acceleration curve with its additional turning points simultaneously signals load change points and associated unfavorable load peaks. It can be seen that here the piston just reaches its acceleration maximum with a comparatively large lever arm on the crank and, as a result, develops the (less favorable) curve shown in FIG. 5.3 as a result of the oscillatory inertia forces.
Beim "speziellen Stand der Technik" kann die längere Verweilzeit des Kolbens im OT eine Erhöhung der über die Brennraumwand abgeführten Wärmemenge pro Arbeitsspiel bewirken (im OT weist das Oberflächen-/Volumen-Verhältnis bekanntlich ein Maximum auf; folglich ist unter diesem Aspekt der wärmeabführende Flächenanteil am größten).With the "special state of the art", the longer residence time of the piston in the TDC can be one Increasing the amount of heat dissipated via the combustion chamber wall per work cycle cause (in OT, the surface / volume ratio is known to have a maximum; consequently, the heat-dissipating area is the largest under this aspect).
Außerdem können sich wegen der im OT herrschenden hohen Druckverhältnisse sowie der vergleichsweise längeren Teilzyklusdauer zunehmende Leckagen an den Kolbenringen ergeben mit ebenfalls negativem Effekt auf den Wirkungsgrad.In addition, due to the high pressure conditions prevailing in OT and the comparatively longer partial cycle duration increasing leakages on the piston rings result in an equally negative effect on efficiency.
Demgegenüber können die erfindungsgemäß getroffenen Maßnahmen einen Zünd- und Expansionszyklus bewirken, der diese Nachteile weitgehend vermeidet. Der Prozeß der Gemischaufbereitung, Zündung sowie Expansion wird durch schnellere Gemischverteilung über die Wirkflächen "quasi-dynamisch" strukturiert (statt "quasi-statischem" Vorgang im OT beim "spezieller Stand der Technik"), vgl. Beschreibung.In contrast, the measures taken according to the invention can be an ignition and Expansion cycle that largely avoids these disadvantages. The process of Mixture preparation, ignition and expansion is made possible by faster mixture distribution structured "quasi-dynamically" via the effective surfaces (instead of "quasi-static" process in OT in the "special prior art"), cf. Description.
Fig. 5.2: Druck-Zeit-Diagramm bzw. Druck-Kurbelwinkel-Diagramm. Die zusätzlich gezeigte Strich-Punktlinie für die erfindungsgemäße (Schwenk-)Kolbenmaschine entspricht dem Kolbenweg (Schwenkwinkel). Die maximale Tangentialkraft der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen nach Fig. 1.4 und Fig. 4.1 liegt vor 60° Kurbelwinkel, also mindestens wie bei dem "speziellen Stand der Technik" (die konventionelle Hubkolbenmaschine erzielt bei zirka 75° Kurbelwinkel ihren maximalen Wert), während erfindungsgemäße Variante nach Fig. 1.3 das Tangentialkraftmaximum zu einem späteren Zeitpunkt entwickelt als "spezieller Stand der Technik". Fig. 5.2: Pressure-time diagram or pressure-crank angle diagram. The additionally shown dash-dotted line for the (swivel) piston machine according to the invention corresponds to the piston travel (swivel angle). The maximum tangential force of the internal combustion engines according to Fig. 1.4 and Fig. 4.1 is 60 ° crank angle, at least as in the "special prior art" (the conventional reciprocating machine achieves its maximum value at approximately 75 ° crank angle), while the variant according to the invention Fig. 1.3 developed the maximum tangential force at a later time as "special prior art".
Die den Kolbenweg (bzw. Schwenkwinkel) der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine repräsentierende Strich-Punktlinie zeigt, daß bei ca. 60° KW der Kolben der Maschine nach Fig. 4.1 ca. 1/3 seines Hubes zurückgelegt hat, also im wesentlichen dem "speziellen Stand der Technik" entspricht, während der Kolben der Maschine nach Fig. 1.3 sowie der konventionellen Hubkolbenmaschine jeweils etwa 50% ihres Hubes zurückgelegt haben.The dash-dotted line representing the piston travel (or swivel angle) of the piston machine according to the invention shows that at approximately 60 ° KW the piston of the machine according to FIG. 4.1 has covered approximately 1/3 of its stroke, ie essentially the "special state of the art Technology "corresponds, while the piston of the machine according to FIG. 1.3 and the conventional reciprocating piston machine each covered about 50% of their stroke.
Die Maschine nach Fig. 1.4 entwickelt ihr maximales Drehmoment noch früher, so daß maximale Gaskraft im Zylinder und maximales Drehmoment an der Kurbel korrelieren können.The machine according to FIG. 1.4 develops its maximum torque even earlier, so that maximum gas power in the cylinder and maximum torque can be correlated to the crank.
Fig. 5.3: Massentangentialdruckdiagramme bei jeweils konstanter Drehzahl. Erfindungs gemäße Motoren weisen hier mit den kleineren Amplituden einen weicheren Kurvenverlauf auf. Der durch Massenkräfte erzeugte Unwuchtanteil ist erfindungsgemäß reduziert. Es ist auch ein vergleichsweise geringerer zusätzlicher Aufwand für die Auswuchtung der Maschine nötig. Der Kurvenverlauf deutet also auch an, daß beim "speziellen Stand der Technik" die Beherrschung von Massenkräften schwieriger ist, dies um so mehr, je höher die Drehzahl des Motors ist. Fig. 5.3: Mass tangential pressure diagrams at constant speed. Motors according to the invention have a softer curve with the smaller amplitudes. The proportion of unbalance generated by inertial forces is reduced according to the invention. Comparatively less additional effort is also required for balancing the machine. The course of the curve also indicates that the "special state of the art" makes it more difficult to master inertial forces, the higher the engine speed, the more it is mastered.
Fig. 5.4: Druck-Zeit-Diagramm (Druck-Kurbelwinkel-Diagramm), ähnlich Fig. 5.2, jedoch für ein komplettes Viertakt-Arbeitsspiel. Das Beurteilungskriterium bzw. der Vergleichsmaßstab ist die vom "speziellen Stand der Technik" erreichte maximale Tangentialkraft, also im wesentlichen nach ca. 1/3 des jeweiligen Kolbenhubes. Bei etwa halb so großem Hubvolumen sowie halb so großer Drehzahl der Abtriebswelle wie bei den Vergleichsmotoren (allgemeiner und spezieller "Stand der Technik") erzielt erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auf der Basis der Fig. 1.3 nach ca. 1/3 des Kolbenhubes gleichzeitig ein höheres Drehmoment als diese Maschinen. Außerdem ist erkennbar, daß erfindungsgemäße Brennkraftmaschine über weiteres Einsparpotential verfügt, in diesem Zusammenhang vor allem bezüglich des für die weiteren Takte erforderlichen Arbeitsaufwandes (Kurvenverlauf mit niedrigeren Amplituden, kleineren Steigungswinkeln in den Wendepunkten). Fig. 5.4: Pressure-time diagram (pressure-crank angle diagram), similar to Fig. 5.2, but for a complete four-stroke cycle. The assessment criterion or the benchmark is the maximum tangential force achieved by the "special prior art", ie essentially after about 1/3 of the respective piston stroke. At about half the displacement and half the speed of the output shaft as in the comparison engines (general and special "state of the art"), the internal combustion engine according to the invention achieves a higher torque on the basis of FIG. 1.3 after about 1/3 of the piston stroke at the same time these machines. In addition, it can be seen that the internal combustion engine according to the invention has further potential for savings, in this connection especially with regard to the work required for the further cycles (curve shape with lower amplitudes, smaller pitch angles at the turning points).
Fig. 6: mit Ausnahme von Fig. 6.4, Fig. 6.9 und Fig. 6.0, welche "Quasi-Langhuber" darstellen - sind ausschließlich "Quasi-Kurzhuber" dargestellt. Diese Darstellung ist als schematische Übersicht zu verstehen. Außer der unterschiedlichen geometrischen Ausbildung, insbesondere der Kolben, bestehen Variationen hinsichtlich der Dichtgrenze bzw. des diesbezüglich gestalteten Hub-Raumes. Fig. 6: with the exception of Fig. 6.4, Fig. 6.9 and Fig. 6.0, which represent "quasi-long stroke" - only "quasi-short stroke" are shown. This representation is to be understood as a schematic overview. In addition to the different geometrical design, in particular the pistons, there are variations with regard to the sealing limit and the stroke space designed in this regard.
Eine Umsetzung von Fig. 6.1 in eine praktisch funktionierende Maschine ist infolge des konzentrierten Kraftflusses im Achsenbereich (4.5) nicht sinnvoll.A conversion of Fig. 6.1 into a practically functioning machine is not sensible due to the concentrated power flow in the axis area ( 4.5 ).
Fig. 6.2: Der konzentrierte Kraftfluß ist "entzerrt", durch Veränderung der Schwingen geometrie, Winkelschwinge(n) (7.9). Fig. 6.2: The concentrated flow of force is "equalized" by changing the swing arm geometry, angular swing arm (s) ( 7.9 ).
Fig. 6.3: Schwinge integriert in den Kolben, Teilbereiche (7.1, 7.2). Fig. 6.3: Swing arm integrated in the piston, partial areas ( 7.1 , 7.2 ).
Fig. 6.4: Abtrieb über Exzenterwelle (2), gegenüber Fig. 6.3 abgeänderte Dichtgrenze im Nackenbereich des Kolbens (4.1) und hiermit korrespondierende Hub-Raum-Geometrie. Fig. 6.4: driven via the eccentric shaft (2), with respect to FIG 6.3 modified sealing boundary in the neck area of the piston (4.1) and corresponding thereto hub chamber geometry..
Fig. 6.5: Variation der Dichtgrenzen (4.6.2 und 4.6.3) sowie deren Einsatz als Ladungswechsel-Steuerorgane. Fig. 6.5: Variation of the sealing limits ( 4.6.2 and 4.6.3 ) and their use as charge exchange control units .
Fig. 6.6: ähnlich Fig. 6.5, jedoch mit reduzierter Distanz zwischen Kolbenboden (4.0) und Kolbenanlenkstelle (4.5). Fig. 6.6: similar to Figure 6.5, but with a reduced distance between the piston bottom (4.0) and Kolbenanlenkstelle (4.5)..
Fig. 6.7: wie Fig. 6.5, Strukturvariation, Ausbildung einer speziellen Muldengeometrie (4.1). Fig. 6.7: like Fig. 6.5, structural variation, formation of a special trough geometry ( 4.1 ).
Fig. 6.8: Kolben mit vergleichsweise simplem Aufbau, reduziertes Einsatzspektrum. Fig. 6.8: piston with a comparatively simplem structure, reduced spectrum of uses.
Fig. 6.9: Kolbengeometrie für ein Zwei-Kammer-System und "sauberer" Vorverdichtung. Fig. 6.9: Piston geometry for a two-chamber system and "clean" pre-compression.
Fig. 6.0: wie Fig. 6.9, jedoch in der Ausführung als kombinierter "Quasi-Kurz-/Langhuber". Fig. 6.0: like Fig. 6.9, but in the version as a combined "quasi short / long stroke".
Fig. 7: Ausführungsvarianten, insbesondere von Getriebeelementen, auf der Basis des erfindungsgemäßen orbitalen Hubgetriebes. FIG. 7 embodiment variants, in particular of gear elements, on the basis of the orbital lifting gear according to the invention.
Fig. 7.1: Zwischen Kolbenboden (4.0) und Kolbenschaft (4.9) ist ein linearverschiebliches, führungsvermittelndes Element (6) mit im wesentlichen einem Freiheitsgrad integriert, beispielsweise Rollen- oder Gleitlager bzw. -führung. Zweck: Vermeidung des Kolbenkippens. Fig. 7.1: Between the piston crown ( 4.0 ) and piston skirt ( 4.9 ), a linearly displaceable, guiding element ( 6 ) is integrated with essentially one degree of freedom, for example roller or plain bearing or guide. Purpose: to avoid piston tipping.
Fig. 7.2 skizziert die Funktionsweise dieses Elementes schematisch mittels der gegeneinander verschobenen Dreiecke. Fig. 7.2 outlines the functioning of this element schematically by means of the mutually displaced triangles.
Fig. 7.3: Variante der Kolbenführung; Verhindern des Kolbenkippens. Bewegungssequenz für drei aufeinanderfolgende Zeitabschnitte t1 bis t3 (oberes Bild = OT, unteres Bild = UT, mittleres Bild = Zwischenstellung). Die Kolbenführung innerhalb des Zylinders (Achse 3.1) wird mit aufeinander abgestimmten Körpern vermittelt, wobei eine mit der Schwinge unverschiebliche Einheit bildende Anlenkstelle (7.5) über eine trochoidenförmige Außenkontur verfügt und die kolbenseitige Anlenkstelle (4.5) über das hierzu korrespondierende Profil bestimmt ist. In die Führung können auch Rollkörper eingebaut sein (oberes Bild). Fig. 7.3: Variant of the piston guide; Prevent the piston from tilting. Movement sequence for three successive time periods t1 to t3 (upper picture = OT, lower picture = UT, middle picture = intermediate position). The piston guidance within the cylinder (axis 3.1 ) is mediated by means of coordinated bodies, whereby an articulation point ( 7.5 ) that forms a unit that cannot be moved with the rocker arm has a trochoidal outer contour and the articulation point on the piston side ( 4.5 ) is determined by the corresponding profile. Rollers can also be installed in the guide (upper picture).
Fig. 7.4 skizziert die Erfindung mit einer Watt′schen Geradführung. Zwei Schwingen (7a, 7b) stehen über ein Element (6.2), an dem der Kolben (4) an der Stelle (4.5) angelenkt ist, miteinander in Verbindung und vermitteln auf diese Art und Weise die gewünschte (Gerad-) Führung. Fig. 7.4 outlines the invention with a Watt's straight guide. Two rockers ( 7 a, 7 b) are connected to each other via an element ( 6.2 ), on which the piston ( 4 ) is articulated at the point ( 4.5 ), and in this way convey the desired (straight) guidance .
Fig. 8: Konstruktive Gestaltung eines speziellen orbitalen Hubgetriebes. Fig. 8: Constructional design of a special orbital lifting gear.
Fig. 8.1 und Fig. 8.2 unterscheiden sich nur in der Art und Weise der konstruktiven Umsetzung des führungsvermittelnden Körpers (6) am kolbennahen Gelenkpunkt (7.5) der Winkelschwinge (7.9). Fig. 8.1 and Fig. 8.2 differ only in the manner in which the guiding body ( 6 ) is implemented at the articulation point ( 7.5 ) of the angle rocker ( 7.9 ) near the piston.
Fig. 8.1 weist an betreffender Stelle eine Geradführung (6.3) auf, ähnlich der von Kurbelschlaufenmotoren, während in Fig. Instructs 8.1 of respective point a rectilinear guide (6.3), similar to the loop of crank engines, while in
Fig. 8.2 im wesentlichen ein Exzenterelement (6.4) verwendet ist. Fig. 8.2 essentially an eccentric element ( 6.4 ) is used.
Fig. 8.3 zeigt eine erweiterte Variante der Kolbenmaschine, mit auf einer Achse angeordneten und gegenüberliegenden Zylindern, in denen sich die Kolben hin und her bewegen. Die vorgesehene Geradführung ist an dieser Stelle sehr vorteilhaft, da hierdurch einerseits jeweils eine "saubere" Vorverdich 01621 00070 552 001000280000000200012000285910151000040 0002019507082 00004 01502tung in einem einzigen Zylinder durch doppeltwirksame Kolben möglich wird (Zweitaktzyklus) und andererseits die relative Geschwindigkeit der Führungs-/ bzw. Gleitpartner gegenüber herkömmlichen Kurbelschlaufenmotoren stark reduziert ausfällt. Fig. 8.3 shows an extended variant of the piston engine, which is arranged on an axis and opposed cylinders in which the pistons move back and forth. The straight guidance provided is very advantageous at this point, since on the one hand this enables a "clean" pre-compression in a single cylinder by means of double-acting pistons (two-cycle) and on the other hand the relative speed of the guiding / sliding partner is significantly reduced compared to conventional crank loop motors.
Sonstige Bezugszeichen dienen der Orientierung und entsprechen im übrigen denen vorangegangener Abschnitte.Other reference symbols serve as orientation and otherwise correspond to those previous sections.
Fig. 9: Die Fig. 9.1 bis Fig. 9.4 zeigen Druck-, Volumen-Diagamme (p,V-D) bzw. Temperatur-, Entropie- Diagramme (T,s-D) für erfindungsgemäße Maschine auf der Basis der Fig. 1.3. Detaillierte Erläuterungen hierzu finden sich in der Beschreibung. . FIG. 9: Figs. 9.1 to 9.4 show Fig pressure, volume Diagamme (p, VD) or temperature, entropy diagram (T, SD) for machine according to the invention on the basis of Fig 1.3.. Detailed explanations can be found in the description.
Fig. 10: zeigt eine vereinfachte Darstellung des Steuer- bzw. Regelsystems, inbesondere für erfindungsgemäße Maschine auf der Basis der Fig. 1.3. Die gestrichelten Linien an den Blöcken "Stellglied/Steuerorgan" sowie "εg<1, εg=1, εg<1" zeigen an, daß auch eine vom Regelkreis unabhängige (ggf. zusätzliche), zum Beispiel "manuelle", Veränderung der betreffenden Funktionselemente vorgenommen werden kann. Die Aufgabe der Steuer- oder Regelschleife ("Control-Loop") besteht im wesentlichen darin, den realen, tatsächlichen Betriebszustand der Maschine so nahe wie möglich an die für einen optimalen Kreisprozeß erforderlichen Bedingungen heranzuführen bzw. zu halten. Detailliertere Erläuterungen hierzu finden sich in der Beschreibung. Fig. 10: shows a simplified diagram of the control system, in particular for machine according to the invention on the basis of Fig 1.3.. The dashed lines on the blocks "actuator / control element" and "ε g <1, ε g = 1, ε g <1" indicate that a change that is independent of the control loop (possibly additional), for example "manual", change of the functional elements concerned can be made. The main task of the control loop is to bring the real, actual operating state of the machine as close as possible to the conditions required for an optimal cycle. More detailed explanations can be found in the description.
Claims (28)
daß der Kolben (4) während seiner Bewegung in eine Bahn gesteuert ist, deren Form und Dimension durch einen Gelenkpunkt der Koppel (6) vorgegeben wird,
und daß während des Umlaufes die Kolbenbewegung entlang der Bahn durch den oberen Totpunkt (OT) und den unteren Totpunkt (UT) begrenzt wird, die durch den Abstand des Koppelgelenkpunktes in den Totlagenwinkeln der Kurbel definiert ist,
wobei das zur kinematischen Kette gehörende und der Koppel (6) mittelbar oder unmittelbar benachbarte Getriebeelement relativ zur Kurbel (2) eine Schwingbewegung ausführt.1.Orbital lifting gear for internal combustion engines in particular, the stroke of which is designed with a crank ( 2 ) eccentrically rotating driver to the axis of a sun wheel ( 1 ) and for the cylinder ( 3 ) there is a regionally guided piston ( 4 ) which together with an articulated lever ( 5 ) on a guide mediating body ( 6 ) with the proviso that there is an effect on the path of movement, the piston being in drive connection with a vibrating gear element ( 7 ), and thereby also forming chambers of changing volume, while the piston is guided and the articulated lever passes through its articulated position, characterized in that
that the piston ( 4 ) is controlled during its movement in a path, the shape and dimension of which is predetermined by an articulation point of the coupling ( 6 ),
and that during the revolution the piston movement along the path is limited by the top dead center (OT) and the bottom dead center (UT), which is defined by the distance of the coupling articulation point in the crank dead center angles,
the gear element belonging to the kinematic chain and the coupling ( 6 ) indirectly or directly adjacent executing an oscillating movement relative to the crank ( 2 ).
daß die Schwinge (7) integrierter Bestandteil des Kolbens (4) ist und über eine Anlenkstelle verfügt, die mit einem oberen Pleuelauge (10.1) gelenkig und kraftschlüssig verbunden ist,
wohingegen ein unteres Pleuelauge (10.2) an der Kurbel (2) derart angreift,
daß eine begrenzte Winkelbewegung entlang einer Kurvenbahn, insbesondere Kreisbogen, entsteht.11. Hoist gear according to at least one of claims 8 to 10, characterized in that
that the rocker ( 7 ) is an integral part of the piston ( 4 ) and has a articulation point which is connected to an upper connecting rod eye ( 10.1 ) in an articulated and non-positive manner,
whereas a lower connecting rod eye ( 10.2 ) acts on the crank ( 2 ) in such a way
that a limited angular movement along a curved path, in particular an arc, arises.
daß sich der Exzenterzapfen (2) im Bereich zwischen den Teilen (7.1 und 7.2) des schwingenden Getriebeelementes bewegt,
und dabei eine Ebene der in Axialrichtung der schwingenseitigen Drehachse (7.4) projizierten Achsschenkelfläche schneidet.14. A lifting gear according to claim 1 and at least one of the preceding claims, wherein the output takes place via an eccentric shaft, on the journal of which a connecting rod is mounted, which is in a non-positive connection with the piston, characterized in that
that the eccentric pin ( 2 ) moves in the area between the parts ( 7.1 and 7.2 ) of the oscillating gear element,
and thereby intersects a plane of the knuckle surface projected in the axial direction of the pivot axis ( 7.4 ) on the swing arm.
Erzeugen von inkrementalen Ortsveränderungen des in (7.4) gelagerten Getriebegliedes aufgrund bekannter und/oder vorgegebener Lastzustandswerte des orbitalen Hubgetriebes.26. A method for changing the compression and / or expansion ratio of a piston machine with a lifting gear according to claim 1 and at least one of the preceding claims, with the step of providing a device for (on /) adjustment and / or change of the geometric compression and / or or expansion ratio, characterized by the following process steps:
Generating incremental changes in position of the gear member mounted in ( 7.4 ) on the basis of known and / or predetermined load status values of the orbital lifting gear.
Erzeugen von inkrementalen Betriebszuständen des Steuerorgans durch das Stellglied aufgrund bekannter und/oder vorgegebener Werte in Reaktion auf Ortsveränderungen des in (7.4) gelagerten Getriebegliedes.27. The method according to claim 26, with the method steps of providing an actuator and a control member which is attached in or on the supply tract of a cylinder, characterized by the following method step:
Generation of incremental operating states of the control member by the actuator based on known and / or predetermined values in response to changes in location of the gear member mounted in ( 7.4 ).
Vorgabe und/oder Feststellen des aktuellen geometrischen Kompressions- und/oder Expansionsverhältnisses,
Erfassung des Betriebszustandes im Zylinder und/oder am Gehäuse mittels der Sensorik,
Weiterverarbeitung der gewonnenen Datensignale gemäß einer Logik innerhalb einer (Auswertungs-)Elektronik; und
Manipulierung des Steuerorgans durch einen Aktor bzw. Stellantrieb in Reaktion auf eine Zustandsänderung mit/ohne Überschreitung vorgegebener Grenzwerte.28. The method according to claim 27, with the step of providing a control loop, in which at least one sensor and at least one actuator are integrated, which detect or change the operating state of the cylinder, characterized by the following steps:
Specification and / or determination of the current geometric compression and / or expansion ratio,
Detection of the operating state in the cylinder and / or on the housing by means of the sensors,
Further processing of the data signals obtained according to a logic within (evaluation) electronics; and
Manipulation of the control element by an actuator or actuator in response to a change in state with / without exceeding specified limit values.
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|---|---|---|---|
| DE1995107082 DE19507082A1 (en) | 1995-03-01 | 1995-03-01 | Orbital lift gear for cam operating system used in internal combustion engine |
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