DE10135217A1 - Verbrennungsmotor mit Knickpleuel und verlängerter oberer Totpunkt-Zeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder (g) und darin verschieblich angeordnetem Kolben (f), der drehbeweglich mit einem Ende einer ersten Pleuelstange (e) verbunden ist, deren anderes Ende über eine zweite Pleuelstange (c, d) mit der Kurbel (b) einer Kurbelwelle (h) drehbeweglich verbunden ist, wobei die zweite Pleuelstange (c, d) durch Anlenkung (k) an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange (a) um eine ortsvariable Drehachse (k) drehbar ist und die erste (e) und zweite Pleuelstange (c, d) ein zweielementiges Knickpleuel (e, c, d) bilden, wobei in einer Umgebung des oberen Totpunktes, insbesondere im oberen Totpunkt des Kolbens (f) zwischen den beiden Pleuelstangen (e, d, c) ein Winkel (alpha) durchlaufen wird, der in einer Umgebung von 90 Grad liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors eines solchen Verbrennungsmotors, bei dem die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Zylindervolumen erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder und darin verschieblich angeordnetem Kolben, der drehbeweglich mit einem Ende einer ersten Pleuelstange verbunden ist, deren anderes Ende über eine zweite Pleuelstange mit der Kurbel einer Kurbelwelle drehbeweglich verbunden ist, wobei die zweite Pleuelstange durch Anlenkung an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange um eine ortsvariable Drehachse drehbar ist und die erste und zweite Pleuelstange ein zweielementiges Knickpleuel bilden. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Betriebsverfahren.

Die Verwendung eines Knickpleuels, d. h. mindestens zweier Gelenkstangen, welche mit einem Bolzen drehbar miteinander in Verbindung stehen, um den Kolben eines Motors mit der Kurbelwelle zu verbinden, ist bekannt. Sinn und Zweck des Einsatzes eines Knickpleuels ist insbesondere eine Verbesserung des Leistungsbildes der entsprechenden Motoren. In MTZ Motortechnische Zeitschrift 49 (1988) 3 und in dem Dokument WO 8808922 sind Beispiele entsprechender Maschinen gezeigt. Bei diesen Maschinen weist die Ortskurve des Kolbens im oberen Totpunkt (OT) eine günstige Kurvencharakteristik auf, d. h. der Kolben hat im oberen Totpunkt eine gewisse Verweilzeit. Außerdem existiert ein günstigerer Drehmomentverlauf als bei herkömmlichen Hubkolbenaggregaten. Ein Nachteil besteht in den höheren Massenkräften.

Ein Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist ebenfalls aus dem Dokument DE 77 28 728 bekannt. Die Orientierung der beiden Pleuelstangen, die das Knickpleuel bilden, und der Kurbel des Motors ist bei dem hier vorgestellten Verbrennungsmotor derart gewählt, dass im Bereich des oberen Totpunktes zunächst ein maximales Drehmoment übertragen werden kann, da im oberen Totpunktbereich des Kolbens die erste und zweite Pleuelstange einen gestreckten Zustand aufweisen, d. h. der Winkel zwischen diesen beiden Stangen nahe 180° ist, wobei weiterhin der Winkel zwischen der zweiten Pleuelstange und der Kurbel an der Kurbelwelle etwa im Bereich von 90° liegt.

Kurz nach Durchlaufen des oberen Totpunktes wirken die beiden Teilstücke des Knickpleuels, d. h. also die erste und zweite Pleuelstange aufgrund ihrer gestreckten Anordnung im Wesentlichen wie eine starre Verbindung, so dass die wirkende Kraft nahezu senkrecht auf die Kurbel der Kurbelwelle wirkt und somit zu diesem momentanen Zeitpunkt ein maximales Drehmoment auf die Kurbelwelle übertragbar ist. Bei einer genaueren Betrachtung der Drehmomentübertragung zu sämtlichen Zeiten eines Motorzyklus zeigt sich jedoch, dass in der Summe betrachtet die Drehmomentübertragung bei der gewählten Ausführung keineswegs optimal ist.

Aufgabe der Erfindung ist es bei einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art den Prozessablauf örtlich und zeitlich derart zu optimieren, dass bei einer gegebenen Anzahl von Arbeitszyklen pro Zeiteinheit besonders für den Zünd- bzw. Entflammungsvorgang sowie nachfolgender Verbrennung von Medien bzw. Stoffen vergleichsweise noch mehr Zeit zur Verfügung gestellt wird. Weiterhin soll bei sicherer, zügiger und konstantvolumiger Entflammung der eingesetzten Medien bzw. Stoffe eine verbesserte Verbrennungscharakteristik und ein günstigerer Drehmomentverlauf erzielt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Gegensatz zum vorzitierten Stand der Technik in einer Umgebung des oberen Totpunktes, insbesondere im oberen Totpunkt des Kolbens zwischen den beiden Pleuelstangen ein Winkel durchlaufen wird, der in einer Umgebung von 90 Grad liegt.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine (Verbrennungsmotor) ist die zweite Pleuelstange durch Anlenkung an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange um eine ortsvariable Drehachse zumindest in einem bestimmten Winkelbereich drehbar. Die zweite Pleuelstange kann jedoch keine vollständige 360-Grad-Drehung vollziehen.

Bei einem zyklischen Umlauf der an der Kurbelwelle angeordneten Kurbel wird entsprechend der vollzogenen Bewegung und der Art der Verbindung der Pleuelstangen und Kurbel untereinander die zweite Pleuelstange eine aus zwei Bewegungen überlagerte Bewegung durchführen. Aufgrund der Anlenkung der zweiten Pleuelstange an einer Führungsstange, wobei die Anlenkstelle eine Drehachse bildet, kann diese Pleuelstange zum einen eine Drehbewegung um diese Achse und aufgrund der Ortsvariabilität dieser Drehachse ebenso eine translatorische Schubbewegung durchführen. Die effektive Bewegung ist eine Überlagerung beider Bewegungen, wobei nur zu ganz diskreten Zeiten jeweils nur eine Bewegungsart vorliegt.

Durch einen kreisförmigen Umlauf der Anlenkstelle zwischen Kurbel und der zweiten Pleuelstange um die Kurbelwelle wird dementsprechend die Überlagerung zwischen Schubbewegung und Drehbewegung der zweiten Pleuelstange erreicht.

Im vorbekannten Stand der Technik, dem Dokument DE 77 28 728 wird die Hubbewegung des Kolbens in eine entsprechende translatorische Schubbewegung der ersten Pleuelstange umgesetzt, wobei diese Schubbewegung in eine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange übertragen wird, welche an der Kurbel der Kurbelwelle angelenkt ist. Hier korrespondiert dementsprechend die Hubbewegung des Kolbens mit der Schubbewegung der zweiten Pleuelstange.

Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Motor durch die Konstruktion bewirkt, dass durch den Winkel in einer Umgebung von 90 Grad, insbesondere von genau 90 Grad zwischen den beiden Pleuelstangen (im Knickpleuel) im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens eine Abwärtsbewegung des Kolbens aufgrund der nahezu rechtwinkligen Anordnung zwischen den beiden Pleuelstangen im Wesentlichen keine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange, sondern eine Rotationsbewegung um die Drehachse erzeugt, die in der Anlenkstelle zwischen der zweiten Pleuelstange und der Führungsstange ausgebildet ist.

Durch den ungefähren oder bevorzugt genau erreichten rechten Winkel zwischen der ersten und der zweiten Pleuelstange wird erfindungsgemäß erreicht, dass die aufgrund der Schwungmassen oder weiterer Zylinder an der Kurbelwelle fortgeführte Bewegung, insbesondere der Schubbewegung der zweiten Pleuelstange im Wesentlichen keine Hubbewegung des Kolbens erzeugt, sondern lediglich bei einer angenommenen vertikalen Anordnung des Zylinders eine seitliche pendelartige Bewegung der ersten Pleuelstange erzeugt, was effektiv über einen sehr großen Umdrehungsbereich der Kurbelwelle einen nahezu Stillstand des Kolbens im oberen Totpunktbereich bewirkt.

Die Konstruktion ist besonders vorteilhaft, wenn bei angenommenem vertikalen Hub des Kolbens in einer Umgebung des oberen Totpunktes die Kurbel der Kurbelwelle den unteren Wendepunkt durchläuft, insbesondere also der Winkel zwischen der Kurbel und der zweiten Pleuelstange 90° durchläuft. Durch diese Konstruktion wird erreicht, dass im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens sowohl der Winkel zwischen der ersten und zweiten Pleuelstange als auch der Winkel zwischen der Kurbel und der zweiten Pleuelstange entweder zeitgleich oder zeitlich nacheinander, jedoch beide Male im Bereich des oberen Totpunktes einen Winkel von etwa 90° durchläuft. Die aufgrund der Schwungmassen in der Kurbelwelle fortgesetzte Bewegung erzeugt dementsprechend aufgrund der ersten 90°-Orientierung zwischen Kurbel und zweiter Pleuelstange im Wesentlichen lediglich eine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange, weil mit der Bewegung der Kurbelwelle ebenfalls die Drehachse, um die die zweite Pleuelstange beweglich angeordnet ist, örtlich verschoben wird.

Durch die nahezu ausschließliche Schubbewegung der zweiten Pleuelstange wird sodann aufgrund der zweiten (beinahe-) 90°-Orientierung zwischen der zweiten und der ersten Pleuelstange bewirkt, dass die erste Pleuelstange wie oben beschrieben lediglich eine pendelartige Bewegung um die Anlenkstelle am Kolben vollzieht, diese Bewegung jedoch nicht oder nur kaum in einer Hubbewegung des Kolbens resultiert. So kann bei dieser Anordnung der Bereich des oberen Totpunktes, in dem sich der Kolben nahezu nicht bewegt, über einen sehr großen Drehwinkel der Kurbelwelle, insbesondere von bis zu 75° erstreckt werden. Die Tatsache, dass bei einer Bewegung der Kurbel im Bereich des unteren Wendepunktes an der Kurbelwelle lediglich eine Schubbewegung, nicht jedoch eine Rotationsbewegung um die Drehachse der zweiten Pleuelstange erfolgt, kann im Wesentlichen dadurch bewirkt werden, dass bei einem angenommenen vertikalen Hub des Kolbens im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens sowohl die Kurbelwellenachse als auch die Lagerung der Führungsstange, die an der zweiten Pleuelstange beweglich angelenkt ist, oberhalb der zweiten Pleuelstange angeordnet sind. Würde man diese Anordnung umkehren, so dass die zweite Pleuelstange oberhalb der Kurbelwellenachse und der Führungsstange angeordnet ist, so würde sich in einer analogen Weise eine Verlängerung des unteren Totpunktes einstellen.

Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion der Wärmekraftmaschine, insbesondere des Verbrennungsmotors wird dementsprechend bei der Umsetzung der translatorischen Kolbenbewegung in die Rotationsbewegung der Kurbel durch die Tatsache, dass im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens sämtliche Getriebegestänge in einem Winkel von etwa 90° orientiert sind, bzw. diesen Winkel im Totpunktbereich durchlaufen erreicht, dass eine Bewegung der Kurbel aufgrund der rotierenden Schwungmassen über einen sehr großen Winkelbereich nicht in eine nennenswerte Translation des Kolbens umgesetzt wird. Dieses Prinzip der etwa senkrechten Anordnung sämtlicher Hebel zum Zeitpunkt des Erreichens des oberen Totpunktes bewirkt die signifikante Verlängerung der Zeit, in der der Kolben im oberen Totpunkt verweilt.

Bei einer Drehung der Kurbel aufgrund der Schwungmassenbewegung wird im Bereich des unteren Wendepunktes wie erwähnt im Wesentlichen eine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange erzeugt. Hierbei wird die ortsvariable Drehachse, um die die zweite Pleuelstange drehbeweglich ist, bevorzugterweise aufgrund ihrer Anlenkung z. B. am Motorblock mittels der genannten Führungsstange auf einer Kreisbahn verschoben. Es ist auch möglich, durch die Art der Anlenkung z. B. am Motorblock auch eine andere Art der Bewegung einzustellen. Beispielsweise kann die Anlenkstelle am Motorblock hierfür ebenfalls ortsvariabel ausgestaltet sein.

Im Laufe der Kurbelwellenbewegung werden sich die Strecken zwischen der Kurbelwellenachse, der Anlenkstelle zwischen Kurbel und zweiter Pleuelstange sowie der Anlenkstelle zwischen der ortsvariablen Drehachse an der zweiten Pleuelstange bei zwei diskreten Kurbelwellenorientierungen, die zu 180° zueinander angeordnet sind maximal bzw. minimal additiv überlagern. Aufgrund der festen Anlenkung der Führungsstange an der zweiten Pleuelstange wird bei diesen Kurbelwellenorientierungen die Führungsstange und damit die ortsvariable Drehachse beide Male das Maximum ihrer Auslenkungsmöglichkeit, insbesondere auf der genannten Kreisbahn erreichen. Bei Erreichen dieser Punkte aufgrund der Schubbewegung der zweiten Pleuelstange wird die Bewegung der zweiten Pleuelstange in diesem Augenblick maximal in eine Drehbewegung um die Drehachse umgesetzt, da die Drehachse nicht mehr weiter translatiert werden kann. Sodann resultiert aus den gegebenen Winkelverhältnissen zwischen dem ersten und zweiten Pleuel eine Hubbewegung des Kolbens.

Aufgrund der signifikanten Verlängerung des oberen Totpunktbereiches, der sich beispielsweise über einen Winkelbereich von bis zu 75° der Kurbelwellendrehung erstreckt, kann erreicht werden, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches innerhalb eines Verbrennungsmotors bei konstantem Zylindervolumen erfolgt. Deshalb wird auch bevorzugt der Kraftstoff bzw. das Kraftstoffgemisch erst beim oder nach Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinder eingespritzt, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo ein Kraftstoffgemisch grundsätzlich vor Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinderhohlraum eingespritzt wird.

Aufgrund der gegebenen Konstruktion der signifikanten Verlängerung des oberen Totpunktbereiches entspricht das PV-Diagramm des erfindungsgemäßen Motors, sofern er als Dieselmotor betrieben wird, dem eines Ottomotors.

Durch entsprechende Längenverhältnisse zwischen den einzelnen Pleuelstangen sowie den weiteren Abständen der einzelnen Anlenkstellen kann die Veränderung der Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt eingestellt werden, so dass günstige Kolbenaufdruckkräfte dann wirken, wenn geometrisch betrachtet ein günstiges Drehmoment an einer Antriebswelle einer Wärmekraftmaschine erzielt werden kann.

Die Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt kann maximal eingestellt werden, wenn der Winkel zwischen den beiden Pleuelstangen, den diese in einer Umgebung des oberen Tortpunktes zueinander einnehmen 90 Grad durchläuft. Die Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt kann dementsprechend verringert werden, wenn der Winkel zwischen den Pleuelstangen Werte von weniger oder mehr als 90 Grad durchläuft. So kann im wesentlichen durch eine Verkippung der Kolben-/Zylinderachse zu den übrigen Motorelementen, insbesondere der erfinderischen Hebelkonstruktion eine variabel einstellbare Totpunktzeit erreicht werden. An einem erfindungsgemäßen Motor kann dementsprechend eine Mechanik zur Verkippung der Kolben-/Zylinderachse vorgesehen sein, um z. B. auch im Betrieb eine Änderung der Totpunktzeit vornehmen zu können. So kann die Totpunktzeit an die aktuellen Betriebsbedingungen des Motors angepasst werden.

Der bevorzugte Winkelbereich, der in der Umgebung des oberen Totpunktes zwischen den Pleuelstangen des Knickpleuel durchlaufen wird beträgt 90 Grad plus/minus 30 Grad, besonders bevorzugt plus/minus 10 Grad. Maximale Totpunktzeit kann erreicht werden, wenn im Bereich des oberen Totpunktes der Winkel von 90 Grad durchlaufen wird.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine wird eine optimale Betriebsart erreicht insbesondere auch durch eine passende Art der Steuerung des Prozessablaufes. Der Bedingung einer optimalen Drehmomentübertragung wird die Ausbildung von speziellen Wirkflächen der erfindungsgemäßen Konstruktion gerecht, welche zusammen mit Koppelelementen den Prozess räumlich und zeitlich vorgeben, wobei über die Formgebung und räumliche Plazierung hinausgehend auch das Ausmaß einer gegebenenfalls verstellbaren Bewegungsbahn berücksichtigt werden kann. Eine Verstellbarkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Anlenkung der Führungsstange z. B. am Motorblock nicht örtlich fest sondern ebenfalls örtlich variabel vorgesehen sein kann. Dies würde bedeuten, dass die Achse, um die die zweite Pleuelstange drehbar ist, nicht notwendigerweise nur auf einer Kreisbahn beweglich ist, sondern sich auch andere Bahnformen einstellen lassen.

Bei einer üblichen Betrachtungsweise des Geschehens während eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsmotor bestimmt bei Verbrennungsvorgängen eine bestimmte Reaktionszeit bzw. Trägheit die sogenannte Wärmeexplosion von Medien bzw. Stoffen und damit deren zeitliche und auch räumliche Ausdehnung. Zur Optimierung der Verbrennungsprozesse gibt es Lösungsansätze, die diesen zeitlichen Faktor insofern berücksichtigen, dass dem Kolben eine Expansionsmaschine im Bereich seiner oberen Totpunktstellung mehr Zeit für die Umkehrung seiner Bewegungsbahn gegeben wird, der Kolben also im oberen Totpunkt verweilt, wobei die Verbrennung in diesem Punkt beginnen kann. Dieser Vorgang kann dann als statisch bezeichnet werden, wenn ein wirklicher Stillstand des Kolbens im oberen Totpunkt über einen längeren Zeitraum erreicht werden kann.

Eine deutliche Verlängerung des oberen Totpunktes über einen Winkelbereich von bis zu 75° der Kurbelwelle kann mit der erfindungsgemäßen Konstruktion der den Kolben und die Kurbelwelle verbindenden Pleuelstangen erreicht werden, so dass gegenüber dem Stand der Technik eventuelle durch Frühzündung erhöhte negative Anfangsmomente an der Abtriebswelle entfallen und demzufolge die Energie der Wärmeexplosion nicht mehr einer Kolbenbewegung entgegen steht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kolbens eines Verbrennungsmotors, der über ein an einer Führungsstange drehbeweglich gelagertes Knickpleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei sämtliche Hebel senkrecht zueinander angeordnet sind,

Fig. 2 eine Position maximaler Auslenkung der Führungsstange, bei der die Drehbewegungskomponente der zweiten Pleuelstange maximal ist,

Fig. 3 ein Diagramm mit der Ortskurve, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Massenmomente des Kolbens gegenüber der Winkelstellung der Kurbelwelle,

Fig. 4 ein PV-Diagramm des erfindungsgemäßen Motors,

Fig. 5 einen Vergleich zwischen Zylinderinnendruck und freigesetzter Wärmemenge in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel zwischen einem konventionellen Motor und einem erfindungsgemäßen Motor.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor bzw. allgemein eine Wärmekraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder g, in dem sich ein Kolben f auf und ab bewegen kann. Der Kolben f ist über angegliederte Elemente e, d, a, c und b mit einer Kurbelwelle h verbunden. Der Kolben f ist verbunden mit einer an diesem beweglich angeordneten ersten Pleuelstange e, die wiederum beweglich mit einer zweiten Pleuelstange verbunden ist, die sich aus den Teilstücken d und c zusammensetzt, so dass die zweite Pleuelstange einen zweiarmigen Hebel bildet. Die zweite Pleuelstange ist ihrerseits beweglich an einer Führungsstange a angelenkt, die wiederum drehbeweglich z. B. am Motorblock oder einem anderen festen Gehäuseelement angeordnet ist. Das zweite Hebelelement c der zweiten Pleuelstange ist drehbeweglich mit der Kurbel b einer Kurbelwelle h verbunden. Mit dieser Konstruktion kann die translatorische Auf- und Abbewegung des Kolbens f im Zylinder g umgesetzt werden in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle h. Die dargestellte Anordnung kann in einem realisierten Motor beispielsweise mehrfach hintereinander angeordnet werden, um einen Motor mit mehreren Zylindern auszubilden.

In der dargestellten Ausgangssituation der Fig. 1 ist die Anordnung derart gewählt, dass der Winkel α zwischen der ersten Pleuelstange e und dem Hebelelement d der zweiten Pleuelstange 90° beträgt, wobei ein Winkel β von 90° ebenfalls vorherrscht zwischen dem zweiten Teilelement c der zweiten Pleuelstange und der Kurbel b der Kurbelwelle sowie der Führungsstange a. Insbesondere durch die Änderung des Winkels α in dieser Ausgangssituation sowie der Verkippung der Kolben-/Zylinderachse o gegenüber den übrigen Getriebeteilen in Richtung der Pfeile p kann die Verweildauer des Kolbens im oberen Totpunktbereich beeinflusst werden.

Bei einer Drehung der Kurbelwelle h in Pfeilrichtung i beispielsweise durch in Rotation versetzte Schwungmassen oder durch die Bewegung weiterer hintereinander angeordneter Kolben wird eine Schubbewegung erzeugt, die die zweite Pleuelstange bestehend aus den Elementen d und c in erster Näherung in Richtung des Pfeiles j bewegt. Die Pfeilrichtung j beschreibt eine Kreisbewegung mit großem Radius, so dass über einen großen Winkelbereich der Drehung der Kurbelwelle h die zweite Pleuelstange bestehend aus den Elementen c und d im Wesentlichen nur seitlich verschoben und nur unwesentlich in der Höhe bewegt wird.

Aufgrund dieser Tatsache und der Konstruktion, dass zwischen dem Element d der zweiten Pleuelstange und der ersten Pleuelstange e ebenfalls ein rechter Winkel vorherrscht, wird bei der Drehung der Kurbelwelle h nur eine nichtsignifikante Hubbewegung des Kolbens f im Zylinder g erzeugt. Durch die seitliche Bewegung der zweiten Pleuelstange in Richtung des Pfeiles j wird im wesentlichen lediglich die Pleuelstange e um ihren Anlenkpunkt am Kolben f verschwenkt, so dass der nach unten gerichtete Kolbenhub verschwindend ist. Bei der gezeigten Darstellung in der Fig. 1 handelt es sich um die Stellung des oberen Totpunktes des Kolbens f. Für andere als die gezeigte Ausführungsformen bedarf es nicht notwendigerweise eines genauen rechten Winkels zwischen den einzelnen Hebelelementen bzw. Pleuelstangen.

Die Bewegung der zweiten Pleuelstange bestehend aus den einzelnen Teilelementen d und c ist genau genommen eine Überlagerung aus einer Schubbewegung und einer Rotationsbewegung um die Drehachse k, die am unteren Ende der Führungsstange a ausgebildet ist. Die Fig. 1 zeigt hierbei eine Momentaufnahme, bei der die Bewegung der zweiten Pleuelstange lediglich aus einer translatorischen Schubbewegung, nicht jedoch auch aus einer Drehbewegung besteht.

Demgegenüber zeigt die Fig. 2 eine Momentaufnahme des Getriebesystemes, bei der die zweite Pleuelstange lediglich eine Rotationsbewegung um die Anlenkstelle k, nicht jedoch eine Translation ausführt.

Diese Situation tritt ein, wenn aufgrund der Kurbelwellendrehung sich die Längen der an der Kurbelwelle angeordneten Kurbel b und des Teilstückes c der zweiten Pleuelstange maximal oder minimal additiv überlagern. Dargestellt ist in der Fig. 2 maximale additive Überlagerung, so dass zwischen der Kurbelwelle h und der Drehachse k ein maximaler Abstand entsteht. Hierdurch ist gleichzeitig die maximale Winkelauslenkung der Führungsstange a definiert.

Eine Rotation der Kurbelwelle h im Moment dieser Stellung bewirkt eine ausschließliche Rotation der zweiten Pleuelstange um die Achse k in Pfeilrichtung m.

Bei der gemäß Fig. 2 dargestellten Momentaufnahme erfolgt eine hervorragende Drehmomentübertragung, sofern der Kolben f aufgrund einer im oberen Totpunkt stattgefundenen Explosion des Kraftstoffes, da die wirkende Explosionskraft beinahe senkrecht über die Pleuelstange e auf das Teilstück d der zweiten Pleuelstange übertragen wird, woraufhin die zweite Pleuelstange eine Rotation um die Drehachse k vollzieht und eine maximal übertragene Kraft in Pfeilrichtung l auf die Kurbel b der Kurbelwelle h wirkt. Eine ähnlich gute Stellung ergibt sich bei weiterer Drehung der Kurbelwelle um 180°, wenn sich die Längen der Kurbelwelle b und des Teilstückes c der zweiten Pleuelstange minimal überlagern und somit der Abstand zwischen der Kurbelwelle h und der Drehachse k minimal wird. Entsprechend der Anlenkung der zweiten Pleuelstange im Drehpunkt k an einer beweglich gelagerten Führungsstange a ergibt sich eine Bewegung der ortsvariablen Drehachse k auf einer Kreisbahn.

Das Diagramm in Fig. 3 zeigt in einer Zusammenstellung die Ortskurve u, die Geschwindigkeit ú, die Beschleunigung ü und die Massenmomente M eines Kolbens eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors bzw. einer Wärmekraftmaschine. Aufgrund der gegebenen geometrischen Verhältnisse, wie sie die Fig. 1 zeigt, ergibt sich durch die rechtwinklige Anordnung sämtlicher Hebel zueinander über einen sehr großen Drehwinkelbereich der Kurbelwelle ein besonders großer oberer Totpunktbereich. Dies zeigt in der Fig. 3 die Kurve u in dem unteren abgeflachten Verlauf, wobei dieser Verlauf einen Winkelbereich von etwa 75° der Kurbelwellendrehung überstreckt.

Neben dem ausgeweiteten oberen Totpunktbereich ergibt sich auch wie beschrieben der positive Effekt, dass bei geringer Kolbenbewegung aus dem oberen Totpunkt heraus die untere zweite Pleuelstange eine solche Position erreicht, dass ein maximal mögliches Drehmoment an der Kurbelwelle erzielt wird. Diese Position entspricht in etwa der Darstellung der Fig. 2. Das heißt, dass der Kolben in Einklang mit dem erfindungsgemäßen Prinzip die maximale Beschleunigung durch den Verbrennungsdruck genau dann erfährt, wenn das maximale Drehmoment an der Kurbelwelle übertragen werden kann, während der Kolben bei konventionellen Motoren schon eine relativ große Distanz zurückgelegt hat, bei dem das maximale Drehmoment auf die Kurbelwelle wirkt. Deshalb ist es bei dem erfindungsgemäßen Motor möglich, einen weitaus größeren Anteil an Energie aus dem Kraftstoff oder Kraftstoffgemisch zu gewinnen, als es bei üblichen Motoren der Fall ist.

Der Umstand, dass das maximale Drehmoment bereits nach einer relativ geringen Kolbenbewegung übertragen wird, hat einen entscheidenden Vorteil beispielsweise im Fall von Zweitakt-Motoren, in denen das Auslassventil spätestens nach 90° Kurbelwellenwinkel geöffnet ist. Es ist dementsprechend erfindungsgemäß möglich, den weitaus größten Anteil der Verbrennungsenergie in Nutzarbeit an der Kurbelwelle zu transferieren, während bei konventionellen Zweitakt-Motoren ein beachtlicher Anteil der Energie nicht profitabel genutzt werden kann und durch das Auslassventil verschwindet.

Wegen der relativ langen Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt passen die Verbrennung des Treibstoffes einerseits und der Verbrennungsablauf andererseits optimal zusammen. Die Energie der Verbrennungsabgase wirkt einer Kolbenbewegung nicht entgegen, statt dessen kann die Energie in Richtung der Kolbenbewegung wirken. Die bessere Energieausnutzung resultiert in einer geringeren Erwärmung des Motors und in einer niedrigeren Abgastemperatur. Darüber hinaus sind die Abgasbestandteile deutlich vermindert im Vergleich zu einer konventionellen Maschine, so dass unter Umständen auch auf den Einsatz eines Katalysators verzichtet werden kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor kann das Maximum des Drehmomentverlaufs z. B. bereits nach 58° des Kurbelwellenwinkels erreicht werden, während das Maximum des Drehmomentverlaufs bei einem herkömmlichen Motor beispielsweise erst nach 76°-Kurbelwellenwinkel erreicht wird. Für einen Zweitakt-Motor kann dementsprechend abgeschätzt werden, dass das maximale Drehmoment weit früher erreicht wird als sich das Auslassventil öffnet, so dass die Verbrennungsenergie viel effizienter in Bewegungsenergie der Kurbelwelle umgesetzt werden kann. Zusammen mit der geringeren Erwärmung des Motors und der Abgase als Resultat der zuvor beschriebenen verbesserten Energieausnutzung ist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor besonders geeignet und vorteilhaft für die Konstruktion und für den Betrieb als Zweitakt-Motor.

Ein erfindungsgemäßer Motor kann dementsprechend bis zu 50% weniger Treibstoff verbrauchen und mehr Leistung erbringen als ein konventioneller Vergleichsmotor. Die Erwärmung des Motors sowie der Abgase kann um wenigstens 25% verringert werden. Aus diesem Grunde enthalten die Abgase auch weniger schädliche Stoffe. Wegen der kürzeren Verzugszeit beim Zünden des Treibstoffes resultiert ein geringerer Spitzendruck und es folgt eine weichere Verbrennung, d. h. nahezu eine Gleichraumverbrennung, da während der gesamten Verbrennungsdauer das Zylindervolumen im oberen Totpunktbereich nahezu konstant bleibt.

Der erfindungsgemäße Motor kann mit Dieselöl, Gas oder anderen, auch minderwertigen Treibstoffen betrieben werden. Eine Ausführung als Viertakt-Motor ist ebenfalls möglich.

Neben dem geringeren Treibstoffverbrauch, welches ein hohes Einsparpotential an Betriebskosten bildet, ist auch ein höheres Verdichtungsverhältnis im Motor möglich. Beispielsweise können Verdichtungen von 1 : 20 erreicht werden, so dass auch bei benzinbetriebenen Ottomotoren z. B. eine Selbstzündung ohne Zündanlage möglich sein kann. Es können neben den bekannten Treibstoffen Pflanzenöle, Wasserstoff oder andere Treibstoffe minderer Qualität gezündet werden. Auch ist eine Zündung von heterogenen Fluiden, beispielsweise mit definierten Wasseranteilen als Ärosol möglich.

Durch die konstant-volumige Verbrennung im oberen Totpunktbereich ergibt sich im PV-Diagramm gemäß der Fig. 4 der typische Verlauf eines theoretischen Ottoprozesses, selbst wenn der erfindungsgemäße Motor als Dieselaggregat betrieben wird.

Betrachtet man das erfindungsgemäße Indikatordiagramm nach Fig. 4 und zieht man Meßergebnisse aus Versuchen mit Gleichraumprozessen heran, so wird ersichtlich, dass sich durch eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine (Motor) die "Verluste des wirklichen Motors" im Vergleich zu den "Verlusten des vollkommenen Motors" drastisch reduzieren lassen. Das Treibstoffmittel- Einsparungspotential beträgt erfindungsgemäß bis zu 50%. Das bedeutet, dass von den "gesamten Verlusten des vollkommenen Motors von ca. 60%" ein erheblicher Anteil hiervon durch erfindungsgemäße Wirkanordnung und erfindungsgemäßer thermodynamischer Prozessführungskette vermieden werden kann.

So können beispielsweise Wandwärmeverluste in Höhe von ca. 20%, die bei konventionellen Maschinentypen im weit geöffneten Expansionsraum auftreten, nicht mehr in Druckenergie umgesetzt werden und gehen somit dem eigentlichen Kreisprozess verloren.

Dagegen resultiert aus der "vollkommenen Verbrennung" bereits im oberen Totpunkt der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine eine wesentlich größere Druckenergie zur Umwandlung in mechanische Nutzleistung, da die beteiligten Wärmeübertragungsflächen sehr viel kleiner gehalten sind. Ein erfindungsgemäß betriebenes DIESEL-Verfahren hat somit als Ergebnis ein praktisches Indikatordiagramm, welches dem des theoretischen OTTO-Prozesses entspricht und somit - bei jeweils gleichen Verdichtungsverhältnissen - schon theoretisch über signifikante Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades erfindungsgemäßer Verbrennungskraftmaschinen verfügt. Diese Art des Betriebsverfahrens ist nur mit der erfindungsgemäßen Getriebekinematik zu erreichen.

Durch die bessere Energieausnutzung kann auch ein niedrigeres Drehzahlniveau angestrebt werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Motors auswirkt. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor zeigt die Fig. 5 den Zylinderinnendruck und die freigesetzte Wärmemenge in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel in der Umgebung des oberen Totpunktbereiches. Typisch für konventionelle Motoren ist es, dass bereits vor Erreichen des oberen Totpunktes Kraftstoff in das Zylindervolumen eingespritzt und zur Zündung gebracht wird. Dementsprechend ergibt sich eine signifikante freigesetzte Wärmeenergie, die eine Zylinderinnendruckerhöhung erzeugt, welche als Kraft dem in Richtung oberen Totpunkt strebenden Kolben entgegenwirkt.

Demgegenüber zeigt die Fig. 5 im unteren Teil einen typischen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, dem erst nach Erreichen des oberen Totpunktes das Kraftstoffgemisch in den Zylinderhohlraum eingespritzt wird. Der Zylinderinnendruck steigt somit aufgrund der Verbrennung erst dann signifikant an, wenn der Kolben sich im bzw. knapp hinter dem oberen Totpunkt befindet, so dass die wirkende Kraft vollständig in den Abtrieb des Kolbens umgesetzt werden kann.

Die Energieausnutzung bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist dementsprechend deutlich effizienter als bei einem vergleichbaren konventionellen Motor. Eine besonders gute Verlängerung des oberen Totpunktes ergibt sich bei einem Längenverhältnis der Pleuelstangen e, d, c bzw. der Kurbel b und der Führungestange a für folgende Werte: e : d : c : a : b = 70 : 80 : 60 : 34 : 24. Bei dieser Wahl oder nur geringen Abweichungen kann ein Totpunktbereich von bis zu 75 Grad der Kurbelwellendrehung erreicht werden.

Claims (13)

1. Wärmekraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder (g) und darin verschieblich angeordnetem Kolben (f), der drehbeweglich mit einem Ende einer ersten Pleuelstange (e) verbunden ist, deren anderes Ende über eine zweite Pleuelstange (d, c) mit der Kurbel (b) einer Kurbelwelle (h) drehbeweglich verbunden ist, wobei die zweite Pleuelstange (d, c) durch Anlenkung (k) an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange (α) um eine ortsvariable Drehachse (k) drehbar ist und die erste (e) und zweite (d, c) Pleuelstange ein zweielementiges Knickpleuel (e, d, c) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Umgebung des oberen Totpunktes, insbesondere im oberen Totpunkt des Kolbens (f) zwischen den beiden Pleuelstangen (e, d, c) ein Winkel (α) durchlaufen wird, der in einer Umgebung von 90 Grad liegt.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umgebung über einen Winkelbereich (α) von 90 Grad plus/minus 30 Grad insbesondere plus/minus 10 Grad erstreckt.

3. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Umgebung des oberen Totpunktes des Kolbens (f) der Winkel (α) zwischen den beiden Pleuelstangen (e, d, c) 90 Grad durchläuft.

4. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-/Zylinderachse bezüglich der übrigen Getriebeteile verkippbar ist, wodurch insbesondere die Verweildauer des Kolbens im oberen Totpunkt einstellbar ist.

5. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikalem Hub des Kolbens (f) in einer Umgebung des oberen Totpunktes die Kurbel (b) der Kurbelwelle (h) den unteren Wendepunkt durchläuft, insbesondere der Winkel (β) zwischen Kurbel (b) und zweiter Pleuelstange (c) 90 Grad durchläuft.

6. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikalem Hub des Kolbens (f) im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens (f) die Kurbelwellenachse (h) und die Lagerung (n) der Führungsstange (α) oberhalb der zweiten Pleuelstange (d, c) angeordnet sind.

7. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bereich des oberen Totpunktes über einen Drehwinkel der Kurbelwelle von wenigstens 50 Grad, insbesondere 75 Grad erstreckt.

8. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsvariable Drehachse (k) auf einer Kreisbahn (j) erschieblich ist.

9. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegung des Kolbens (f) durch die Anlenkung der zweiten Pleuelstange (c, d) an der ortsvariablen Drehachse (k) in eine Drehbewegung (m) der zweiten Pleuelstange (c, d) um diese Achse (k) umgesetzt wird.

10. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Zylindervolumen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff bzw. das Kraftstoffgemisch erst beim oder nach Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinder eingespritzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb des Motors als Dieselmotor dessen pV-Diagramm dem eines Ottomotors entspricht.

13. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Dauer des oberen Totpunktes der Winkel (α), den die Pleuelstangen (e, d, c) beim Durchlaufen des oberen Totpunktes einnehmen, in einer Umgebung von 90 Grad variiert wird, insbesondere, dass die Kolben-/Zylinderachse gegenüber den übrigen Getriebeteilen verkippt wird.