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Die
vorliegende Erfindung hat einen Verbrennungsmotor als Gegenstand.
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Da
das Volumenverhältnis
eines Motors als Verhältnis
zwischen den Volumina der Verbrennungskammer eines Zylinders am
unteren Totpunkt und am oberen Totpunkt definiert ist, ist die Wahl
des Volumenverhältnisses
ein Kompromiß zwischen
dem Wirkungsgrad bei niedriger Drehzahl und bei niedriger Last (geringe
erforderliche Leistung) und dem Auftreten von Klopfen unter belasteteren
Betriebsbedingungen.
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Es
ist interessant, das Volumenverhältnis
in Abhängigkeit
von den Verwendungsbedingungen des Motors variieren zu lassen. Die
bekannten und bis jetzt eingesetzten Vorrichtungen betreffen die Phasenverschiebung
der Verteilung mit der Verringerung des effektiven Verhältnisses
relativ zu den geometrischen Basisverhältnissen als Effekt.
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Die
Veränderung
des Totvolumens und/oder des gespülten Volumens war Gegenstand
zahlreicher Vorschläge,
denen jedoch keine bekannten industriellen Nutzungen in großer Serie
folgten. Die Familien von vorgeschlagenen Lösungen sind im wesentlichen
folgende:
- – Modifikation
des Totvolumens seitens des Zylinderkopfs durch einen zusätzlichen
Kolben,
- – variable
Länge der
Pleuelstange,
- – "aufblasbarer" Kolben,
- – variabler
Abstand Kurbelwellenachse – Zylinderkopfdichtungsebene,
- – variabler
Hub.
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Diese
verschiedenen Vorschläge
führen
zu einer begrenzten Veränderung
des Motorhubraums in einem Verhältnis
unterhalb 25% und weisen verschiedene Nachteile auf.
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Die
Erfindung hat das Ziel, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es ermöglicht,
das Volumenverhältnis
zu regeln und folglich den Motorhubraum in Abhängigkeit von den Verwendungsbedingungen
in Verhältnissen
variieren zu lassen, die höher
sind als das, was bis jetzt verwirklich wurde, und eine größere korrelative
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung
umfaßt
der Verbrennungsmotor Mittel, um die Position des oberen Totpunkts
zwischen vorbestimmten Grenzen variieren zu lassen, um gleichzeitig
den Hub des Kolbens, die Position des unteren Totpunkts und korrelativ
das Volumenverhältnis
und den Motorhubraum in Abhängigkeit
von den Verwendungsbedingungen des Motors variieren zu lassen, und
die eine Pleuelstange umfassen, die einerseits am Kolben und andererseits
an einer Hauptpleuelstange angelenkt ist, die sich an einer Kurbelwelle
dreht, wobei die Hauptpleuelstange auch an einem Schwingarm angelenkt
ist, der einen Schwinghebel bildet, welcher mit einer Einrichtung zur
Regelung der Position des Schwingarms verbunden ist, welche die
Positionen des oberen und des unteren Totpunkts steuert, wobei die
Hauptpleuelstange einen kurzen Arm zwischen einem Kurbelzapfen der
Kurbelwelle und einer Achse der Pleuelstange und einen langen Arm,
der mit dem kurzen Arm einen Winkel zwischen ungefähr 100 und
130° festlegt und
zwischen dem Kurbelzapfen und einer Anlenkachse an dem den Schwinghebel
bildenden Schwingarm angeordnet ist, umfaßt.
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In
Abhängigkeit
von der Regelung der Position des oberen Totpunkts mittels eines
geeigneten Systems erhält
man somit einen kleinen spezifischen Motorhubraum und ein hohes
Verhältnis
oder einen größeren Motorhubraum
und ein niedrigeres Verhältnis.
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Weitere
Besonderheiten und Vorteile der Erfindung zeigen sich im Verlauf
der Beschreibung, die folgt und die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
durchgeführt
wird, die eine Ausführungsform
als nicht-begrenzendes Beispiel von dieser darstellen.
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1 ist
eine schematische Ansicht, die das Prinzip der Vorrichtung darstellt,
die es ermöglicht, das
Volumenverhältnis
und den Motorhubraum gemäß der Erfindung
zu regeln.
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2 ist
ein vereinfachter Seitenaufriß einer industriellen
Ausführungsform
eines Verbrennungsmotors, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Regeln des Volumenverhältnisses
und des Motorhubraums ausgestattet ist.
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3 und 4 sind
perspektivische Ansichten der Hauptpleuelstange der in 2 dargestellten
Vorrichtung.
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5 ist
ein Seitenaufriß ähnlich zu 2, welcher
die Position des oberen Totpunkts des Kolbens und seiner Steuervorrichtung
für ein
hohes Verhältnis
und einen kleinen Hub des Kolbens zeigt.
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6 ist
eine Ansicht ähnlich
zu 5, welche den Kolben an seinem unteren Totpunkt
und die entsprechende Position seiner Steuervorrichtung für ein hohes
Verhältnis
und einen kleinen Hub zeigt.
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7 ist
eine Ansicht analog zu 5, welche die Position des oberen
Totpunkts des Kolbens und seiner Steuervorrichtung für ein geringes
Verhältnis
und einen großen
Hub des Kolbens zeigt.
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8 ist
eine Ansicht analog zu 7, welche den Kolben in seiner
Position des unteren Totpunkts sowie die Position seiner Steuervorrichtung für ein geringes
Verhältnis
und einen großen
Hub des Kolbens zeigt.
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9 ist
ein schematischer Seitenaufriß des Kolbens
und seiner Vorrichtung zum Steuern des Motorhubraums im vergrößerten Maßstabs bezüglich 2,
welcher die Bahnen, die von den Anlenkachsen zurückgelegt werden, für eine erste
Regelung des einen Schwinghebel bildenden Schwingarms zeigt.
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10 ist
eine Ansicht analog zu 9, welche die Bahnen, die von
den Anlenkachsen während der
Drehung der Kurbelwelle zurückgelegt
werden, für
eine zweite Regelungsposition des einen Schwinghebel bildenden Schwingarms
zeigt.
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11 ist
eine Graphik, die die verschiedenen möglichen Hübe des Kolbens zwischen dem oberen
Totpunkt und dem unteren Totpunkt sowie den Bereich der Regelung
des Schwinghebelarms und der Hübe
der Anlenkachsen während
der Drehung der Kurbelwelle darstellt.
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12 ist
eine Graphik, die die Veränderungen
des Volumenverhältnisses
und des Motorhubraums in Abhängigkeit
vom Wert des Bereichs der Regelung des Schwinghebelarms darstellt.
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Die
in 1 dargestellte schematische Vorrichtung umfaßt einen
Zylinder 1, in dem ein Kolben 2 Hübe zwischen
einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt ausführen kann.
Der Kolben 2 ist mit einem Schwingarm 3, der Nebenpleuelstange
genannt wird, verbunden, welcher einerseits am Kolben 2 und
andererseits an einer Hauptpleuelstange 4 angelenkt ist,
die sich an einer Kurbelwelle 5 dreht. Die Hauptpleuelstange 4 ist
auch über
eine Achse 6 an einem einen Schwinghebel bildenden Schwingarm 7 angelenkt,
welcher mit einer Einrichtung 8 zur Regelung der Position
des Schwingarms 7 verbunden ist. An seinem zur Achse 6 entgegengesetzten
Ende ist der Schwinghebelarm folglich bei 9 an der Regelungseinrichtung 8 angelenkt,
die beispielsweise ein Exzenter, ein Kolben, eine Nockenwelle usw.
sein kann.
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Die
Hauptpleuelstange 4 umfaßt einen kurzen Arm 11 und
einen langen Arm 12, die mit einem röhrenförmigen Körper 13 fest verbunden
sind, der sich an einem Kurbelzapfen 14 drehen kann, der
ein einteiliger Teil einer Kurbelwelle 15 ist. Diese letztere umfaßt einen
Zapfen 16, einen Arm, der nicht dargestellt ist, und den
Kurbelzapfen 14.
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Der
kurze Arm 11 stellt die Verbindung zwischen dem Kurbelzapfen 14 und
der Achse 17 des Schwingarms 3 sicher, während der
lange Arm 12 die Verbindung zwischen dem Kurbelzapfen 14 und
der Anlenkachse 6 an dem Schwinghebelarm 7 sicherstellt.
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Diese
Vorrichtung wird in der folgenden Weise eingesetzt.
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Die
Position der Regelungseinrichtung 8 und folglich des Schwinghebelarms 7 entlang
einer Achse, die zur allgemeinen Achse XX parallel ist, welche das
Zentrum des Kolbens 2 und die Drehachse YY der Kurbelwelle 15 verbindet,
bestimmt die Position des oberen Totpunkts des Kolbens 2.
Diese Position bestimmt wiederum den Hub des Kolbens und folglich
die Position seines unteren Totopunkts, das heißt den Motorhubraum und das
Volumenverhältnis.
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Sobald
die Position des Schwinghebelarms 7 durch die Einrichtung 8 geregelt
ist, und während des
Betriebs des Motors führt
der Kolben 2 entlang der Achse XX Hin- und Herbewegungen
aus, die Kurbelwelle 15 dreht sich um die Achse YY, die
Anlenkachse 17 des Schwingarms 3 am kurzen Arm 11 beschreibt
eine Ellipse, während
der Schwingarm 7 Schwinghebelbewegungen um seine Anlenkachse 9 an
der Regelungseinrichtung 8 ausführt, wobei diese Schwinghebelbewegungen
in der Ebene der 1 liegen.
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Wir
beschreiben nun eine industrielle Ausführungsform des Motors und seiner
Vorrichtung zum Regeln des Volumenverhältnisses mit Bezug auf die 2 bis 10.
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In 2 ist
der Kolben 2 an einem unteren Totpunkt dargestellt, wobei
der Zylinder 1 und die Vorrichtung zur Steuerung des Volumenverhältnisses des
Kolbens 2 in einem Zylinderkopfblock 10 aufgenommen
sind. Die Regelungseinrichtung 8 wirkt mit einer Betätigungsvorrichtung 20 zusammen,
die auch im Inneren des Zylinderkopfblocks 10 angeordnet
ist.
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Jede
Position der Regelungseinrichtung 8, die durch eine Betätigungsvorrichtung 20 gesteuert wird,
entspricht einer Position des Schwinghebelarms 7, der Hauptpleuelstange 4,
der Kurbelwelle 15 und ihres Zapfens 16, des Nebenschwingarms 3 und des
Kolbens 2.
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Die 5 und 6 stellen
die äußersten Positionen
des Kolbens 2 für
ein hohes Kompressionsverhältnis
und einen kleinem Hub dar: 5 zeigt den
Zustand der Vorrichtung und des Kolbens 2 am oberen Totpunkt
und 6 zeigt dieselben Positionen am unteren Totpunkt
des Kolbens 2.
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Die 7 und 8 stellen
die Positionen des Kolbens und seiner Steuervorrichtung am oberen
Totpunkt bzw. am unteren Totpunkt für ein geringes Verhältnis und
einen großen
Hub des Kolbens 2 dar.
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Jede
der äußersten
Positionen dieses kleinen bzw. großen Hubs entspricht einer Position
des Schwinghebelarms 7 und folglich seiner Regelungseinrichtung 8.
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9 zeigt
die Bahnen der beweglichen Elemente der Vorrichtung für eine gegebene
Position der Anlenkachse 9 des Schwingarms 7 an
der Regelungseinrichtung 8: für eine gegebene Position dieses
Regelungspunkts 9 beschreibt der Kurbelzapfen 14 einen
Kreis, der nicht dargestellt ist, um den festen Zapfen 16.
Die Achse 17 des Schwingarms 3 beschreibt eine
Ellipse E1, während
sich der Kolben 2 entlang der vertikalen Achse XX verschiebt.
Der Schwingarm 7 führt
eine Schwinghebelbewegung um seine Anlenkachse 9 aus und
dient als Reaktionselement. Wenn man die Achse 9 entweder
vertikal oder gemäß einem
beliebigen Gesetz in einer Ebene verschiebt, modifiziert man die
Position des Kolbens 2 am Ende des Hubs und die elliptische
Bahn E der Achse 17 des Schwingarms 3 und das
Bewegungsgesetz der Gesamtheit dieser zwei Stücke.
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12 gibt
ein Beispiel der gleichzeitigen Entwicklung des Volumenverhältnisses
(auf der Ordinate links) und des Motorhubraums in Kubikzentimetern
(auf der Ordinate rechts) in Abhängigkeit
von der Regelung der Position der Anlenkachse 9 im Bereich P
(in mm), 11.
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Die
Positionen der Achsen 17, 6, 9, die relativen
Längen
der Arme 11 und 12 der Hauptpleuelstange 4 und
der Winkel, den diese Arme miteinander bilden, sowie die Länge der
Schwinghebelpleuelstange 7 werden gewählt, um die gewünschte Verhältnisänderung
und vorzugsweise eine inverse Änderung
des Motorhubraums zu erhalten. Ein hohes Verhältnis entspricht einem verringerten
Motorhubraum und umgekehrt. Der Winkel der Arme 11 und 12 der
Hauptpleuelstange 4 liegt zwischen ungefähr 100 und
130°. Dieser
Abstand der Arme ermöglicht
es, die Kräfte
auf den Schwinghebelarm 7 und folglich auf die Betätigungsvorrichtung 20 zu
verringern, die einen verringerten Steuerenergieverbrauch aufweisen
kann.
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Vorzugsweise
liegt das Verhältnis
zwischen den Längen
des kurzen Arms 11 und des langen Arms 12 zwischen
0,6 und 0,8, was es ermöglicht,
ein Motorhubraumverhältnis
(kleiner Motorhubraum zu großem
Motorhubraum) von 0,75 bzw. 0,60 für eine Kompressionsverhältnisänderung
in der Größenordnung
von 7 Prozentpunkten bzw. 4,5 Prozentpunkten zu erhalten.
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Man
wählt auch
vorzugsweise die Position der Regelungseinrichtung 8 und
der Anlenkachse 9, damit die Anlenkachse 6 in
der unteren Position unter der horizontalen Achse ZZ (10)
entlang einer Kurve 30 schwingt. Die Achse ZZ ist zur Achse
XX, die durch die Ausrichtung der Achse YY der Kurbelwelle 15,
der Achse des Kurbelzapfens 14, der Achse 17 und
der Anlenkachse 40 der Nebenpleuelstange 3 am
Kolben 2 definiert ist, senkrecht. Allgemeiner wählt man
vorzugsweise die Position der Regelungseinrichtung 8 und
der Anlenkachse 9, damit die Anlenkachse 6 über der
Achse ZZ in der oberen Position und unter dieser Achse in der unteren
Position schwingt. Ein weiteres Regelungselement ist der Versatz
d der Anfangsachse XX des Zylinders 1 bis zu einer Position
X'X' (10),
vorzugsweise in der zu den Anlenkachsen 6, 9 entgegengesetzten
Richtung bezüglich
der Anfangsachse XX. Dieser Parameter modifiziert die Schrägheit des
Schwingarms 3 in Abhängigkeit
von der Position der Totpunkte.
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Die
Drehrichtung der Kurbelwelle 15 ist beliebig, aber wie
in der Vorderansicht des Schwinghebels 7 auf der rechten
Seite der Achse XX dargestellt, ist die bevorzugte Drehrichtung
jene der Zeiger einer Uhr.
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Im
vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist die Bahn des Anlenkpunkts 9 zwischen dem Schwingarm 7 und
der Regelungseinrichtung 8 geradlinig.
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Gemäß einer
Variante ist die Bahn dieses Anlenkpunkts 9 gekrümmt. Wenn
der Anlenkpunkt 9 seine obere maximale Position erreicht,
nähert
er sich in diesem Fall der Achse des Zylinders 1 und der Winkel
zwischen der Hauptpleuelstange 4 und dem Schwingarm 7 wird
verringert.
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Die
Graphik der 11 zeigt die Bahnen der verschiedene
Elemente der vorher beschriebenen Vorrichtung:
- – Der Bereich
P ist die Regelungshöhe
der Anlenkachse 9 des Schwinghebelarms 7 zwischen dem
oberen Punkt 9(H) und dem unteren Punkt 9(B) mit einer Amplitude
P.
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Die
Kurve C1 ist die Schwingungsbahn, die vom unteren Anlenkende 6 der
Pleuelstange 7 zurückgelegt
wird, wenn sich ihre Anlenkachse 9 in der oberen Position
9(H) befindet, und die Kurve C2 entspricht der Bahn ihrer Anlenkachse 6 für eine untere Position
9B ihres oberen Endes 9.
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Die
Ellipse E1 wird von der Anlenkachse 17 des Nebenschwingarms 3 durchlaufen,
wenn sich der Schwinghebelarm 7 in der oberen Position
9H befindet und sich der Kolben 2 in der tiefsten Position des
oberen Totpunkts (PMHb) befindet. Die Ellipse E2 wird von der Achse 17 des
Nebenschwingarms 3 durchlaufen, wenn sich die Achse 9 des
Schwinghebels 7 in der äußersten
unteren Position 9B befindet und sich der Kolben 2 in der
höchsten
Position des oberen Totpunkts (PMHh) befindet.
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Schließlich ist
der große
Hub C3 des Kolbens 2 durch seinen "tiefen" oberen Totpunkt (PMH b) und durch seinen "tiefen" unteren Totpunkt
(PMB b) begrenzt: dieser Hub C3 entspricht dem Abstand zwischen
den Positionen des Kolbens 2 in 7 und in 8 (großer Hub,
geringes Verhältnis).
Der kleine Hub C4 des Kolbens 2 ist durch eine Position
des oberen Totpunkts (PMH h), die höher liegt als die Position
des oberen Totpunkts (PMH b) des großen Hubs, und die Position
des unteren Totpunkts (PMB h), die auf einer Höhe liegt, die höher ist
als jene des unteren Totpunkts des großen Hubs C3 (PMB b), begrenzt;
dieser kleine Hub C4 entspricht dem Hub des Kolbens 2 zwischen
den Positionen der 5 und der 6.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die gerade beschrieben wurde, sind folgende:
- – theoretische
Vorteile:
sehr große
potentielle Gewinne im Verbrauch durch:
- – Verbesserung
des Wirkungsgrades bei teilweiser Last, wenn man das Kompressionsverhältnis steigert
und wenn man den spezifischen Motorhubraum verringert (Effekt des
Verhältnisses
plus Effekt der "Verkleinerung" bei geringer Last),
- – mögliche Steigerung
des Aufladungsverhältnisses
jenseits von Klopfen, wenn das Volumenverhältnis verringert wird (neuer "Verkleinerungs"-Effekt, aber bei
voller Last),
- – Steuerung
der Nachentspannung (Atkinson-Zyklus) in einem großen Verwendungsbereich,
- – Betrieb
bei besonderen Verbrennungsarten: Selbstzündung, homogenes mageres Gemisch, starker
Gasumlauf.
- Praktische Vorteile:
- – mögliche Veränderung
des Motorhubraums in Verhältnissen
oberhalb 25% für
eine Volumenverhältnisveränderung
von 100%,
- – verwendete
Technologie für
die verschiedenen Komponenten der Baugruppe bekannt (Anordnung vom
Typ Pleuelstange und Schwingarm),
- – Kompaktheit
und Masse der Vorrichtung zur Hubveränderung.
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Die
Erfindung ist auf alle Bauarten von Motoren und auf alle Arten von
Kraftstoffen oder Brennstoffen anwendbar.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform begrenzt und kann
zahlreiche Ausführungsvarianten
umfassen.