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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen internen Viertakt-Verbrennungsmotor,
bei dem das Arbeitsspiel nach Beau de Rochas zur Anwendung kommt,
d. h., es handelt sich um einen 4-Takt-Motor.
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Die
bis heute am meisten angewandte Technik zur Anwendung des Arbeitsspiels
nach Beau de Rochas ist die Verwendung eines hin und her verschiebbaren
Kolbens im Inneren eines Zylinders.
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Diese
geradlinige Hin- und Her-Bewegung des Kolbens wird mit Hilfe des
Drehmoments Kurbelwelle-Pleuelstange (1) in eine
Drehbewegung umgewandelt. Der Wirkungsgrad dieses Motortyps liegt
in der Größenordnung
von 30%. Einer der Hauptgründe
für diesen
niedrigen Wirkungsgrad ist die Umformung der hin- und hergehenden
Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung mit Hilfe des Drehmoments
Kurbelwelle-Pleuelstange (1 und 2).
Denn wenn F die Druckkraft zum Zeitpunkt der Explosion bei diesem
Motortyp ist, d. h. wenn der Kolben am oberen Totpunkt ist, befinden
sich zu diesem Zeitpunkt die Kraft F, der Kolben und die Kurbelwelle
auf der gleichen Vertikalen, so dass sich ein Drehmoment gleich
Null ergibt (1). Unter der Annahme, dass
die sich aus der Explosion ergebende Druckkraft bis zur Hälfte des
Weges, den der Kolben bei seiner Abwärtsbewegung während der
Ausdehnung zurücklegt,
konstant bleibt, beträgt
der Wert des sich daraus ergebenden Drehmoments C: C
= r·F·cos m·cosl.
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Darin
ist:
- r
- der Kurbelwellenradius,
- m
- der Winkel, den die
Pleuelstange mit der Vertikalen bildet,
- l
- der Winkel zwischen
der Pleuelstange und der Senkrechten auf r.
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Der
Größe „cos m·cosl" verringert das vom Motor
entwickelte Drehmoment beträchtlich.
Einige Erfindungen wurden gemacht, um dieses Problem zu beseitigen,
indem ein Motor mit einem Kreiskolben benutzt wurde, wie z. B.:
- – der
Kreiskolbenmotor von Wankel,
- – der
Quasiturbinenmotor.
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Diese
Motortypen führten
zu Problemen bei ihrer Herstellung: ziemlich schwierig sicherzustellende
Dichtheit, Schwierigkeit bei der Bearbeitung der Hauptbestandteile
aufgrund der Eigenart ihrer Formen.
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Konstruktion des Motors
(Gegenstand der Erfindung)
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Bei
dem neuen Motortyp (3) ist der kreisförmige Kolben 1 fest
mit der Motorwelle 2 verbunden. Dieser Kolben schwingt
um eine zur Querachse von zwei die Ummantelungen bildenden Halbkugeln 3 und 4 zentrische
Achse. Für
den Austritt der beiden Enden der Motorwelle sind zwei Öffnungen beidseits
der beiden miteinander verbundenen Halbkugeln vorgesehen. Der Durchmesser
der Kolben ist annähernd
gleich dem Innendurchmesser der von den beiden miteinander verbundenen
Halbkugeln gebildeten Kugel. Es sind zwei Separatoren 5 und 6 vorgesehen,
um die beiden Halbkugeln voneinander zu trennen (3).
Die so geschaffenen Kammern bilden die vier Verbrennungskammern
des Motors.
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Die
Formen des Kolbens 1 und der Halbkugeln 3 und 4 sind
in den 4 und 5 dargestellt. In die beiden
Halbkugeln geschnittene Öffnungen
ermöglichen
den Gasen das Eintreten in und ihr Entweichen aus dem so gebildeten
Motor. Das Öffnen und das
Schließen
dieser Öffnungen
erfolgt mit Hilfe von Ventilen. Die Einlassventile sind mit A1,
A2, A3 und A4, während
die Auslassventile mit E1, E2, E3, E4 bezeichnet sind (3).
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Funktionsprinzip
des Motors
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Zur
Vereinfachung des Verständnisses
soll die Situation auf der Seite der Ventile A1 und E1 betrachtet
werden:
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Erster Takt: Einlassphase
(6)
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Zu
Beginn des Einlasses öffnet
das Einlassventil A1, während
das Auslassventil E1 geschlossen ist. Der Kolben 1 mit
der Motorwelle 2 beginnt, sich im entgegengesetzten Uhrzeigersinn
zu drehen, wobei er einen Winkel „n" entsprechend dem Pfeil beschreibt.
Während
der Verlagerung des Kolbens wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch das Einlassventil A1
ins Innere der Halbkugel 3 gesogen. Der Einlass ist beendet,
sobald der Winkel „n" überstrichen ist. In diesem
Augenblick schließt
das Einlassventil A1.
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Zweiter Takt: Kompressionsphase
(7)
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Zu
Beginn der Kompression ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Inneren
der Halbkugel 3 eingeschlossen, da die beiden Ventile A1
und E1 geschlossen sind. Der Kolben 1 und die Motorwelle 2, mit
der er fest verbunden ist, beginnen sich im Uhrzeigersinn zu drehen,
wobei sie den Winkel „n" beschreiben. Das
Luft-Kraftstoff-Gemisch
im Inneren der durch den Separator 5 begrenzten Verbrennungskammer
wird nach und nach komprimiert, so wie der Kolben den Winkel „n" überstreicht. Wenn der Kolben
den Winkel „n" vollständig überstrichen
hat, ist die Kompressionsphase beendet.
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Dritter Takt: Explosions-
und Expansion-Phase (8)
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Die
beiden Ventile A1 und E1 sind am Ende der Kompression immer noch
geschlossen. Ein gesteuertes Zündsystem
sendet dann einen Strom mit hoher Spannung an eine Zündkerze,
die Zugang zum Innern der Verbrennungskammer hat. Der zwischen den
Elektroden dieser Zündkerze überspringende Zündfunken
entzündet
das in der Verbrennungskammer komprimierte Luft-Kraftstoffgemisch.
Die daraufhin stattfindende Explosion erzeugt einen auf den Kolben 1 wirkenden
Druck, der ihn zwingt, mit der Motorwelle eine Drehbewegung gegen
den Uhrzeigersinn auszuführen:
das ist die Arbeitsphase. Energie in Form eines Drehmoments wird
auf die Motorwelle übertragen.
Die Expansion ist vollständig
beendet, sobald der Kolben den Winkel „n" entsprechend dem Pfeil in 8 überstrichen
hat.
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Vierter Takt: Ausstoß-Phase
(9)
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Am
Ende der Expansion befindet sich nur noch Rauch im Inneren der Halbkugel 3.
Zu Beginn des Ausstoßens,
d. h. am Ende der Expansion, öffnet nun
das Auslassventil E1 und der Kolben mit der Motorwelle beginnt,
den Winkel „n" im Uhrzeigersinn
zu überstreichen.
Bei der Lageveränderung
treibt der Kolben das verbrannte Gas durch das Auslassventil E1,
um es nach außen
zu evakuieren. Nach dem vollständigen
Evakuieren des Rauchs beginnt ein neues Arbeitsspiel und so weiter.
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Die
vorhergehenden Erläuterungen
bezogen sich auf die Seite der Ventile A1 und E1, die gleichen Prozesse
laufen aber auch auf der Seite der Ventile A2 und E2, A3 und E3,
A4 und E4 ab. Hierzu die folgenden Anmerkungen:
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Wenn
in der 6 auf der Seite von A1 und E1 der Einlass beginnt:
- – beginnt
auf der Seite von A4 und E4 die Explosion-Expansion,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 die Kompression,
- – beginnt
auf der Seite von A3 und E3 der Ausstoß.
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Wenn
in der 7 auf der Seite von A1 und E1 die Kompression
beginnt:
- – beginnt
auf der Seite von A4 und E4 der Ausstoß,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 die Explosion-Expansion,
- – beginnt
auf der Seite A3 und E3 der Einlass.
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Wenn
in der 8 auf der Seite von A1 und E1 die Explosion-Expansion beginnt:
- – beginnt
auf der Seite von A4 und E4 der Einlass,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 der Ausstoß,
- – beginnt
auf der Seite von A3 und E3 die Kompression.
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Wenn
in 9 auf der Seite von A1 und E1 der Ausstoß beginnt:
- – beginnt
auf der Seite von A4 und E4 die Kompression,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 der Einlass,
- – beginnt
auf der Seite von A3 und E3 die Explosion.
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Ebenso,
wenn in der 6 auf der Seite von A1 und E1
der Einlass beginnt:
- – beginnt auf der Seite von
A4 und E4 die Explosion-Expansion,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 der Ausstoß,
- – beginnt
auf der Seite von A3 und E3 die Kompression.
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Wenn
in 7 auf der Seite von A1 und E1 die Kompression
beginnt:
- – beginnt
auf der Seite von A4 und E4 der Ausstoß,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 der Einlass,
- – beginnt
auf der Seite von A3 und E3 die Explosion-Expansion.
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Wenn
in 8 auf der Seite von A1 und E1 die Explosion-Expansion beginnt:
- – beginnt
auf der Seite von A4 und E4 der Einlass,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 die Kompression,
- – beginnt
auf der Seite von A3 und E3 der Ausstoß.
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Wenn
in 9 auf der Seite von A1 und E1 der Ausstoß beginnt:
- – beginnt
auf der Seite von A4 und E4 die Kompression,
- – beginnt
auf der Seite von A2 und E2 die Explosion-Expansion,
- – beginnt
auf der Seite von A3 und E3 der Ausstoß.
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Wichtige Anmerkungen
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Angenommen,
die von der Explosion hervorgerufenen Druckkräfte sind senkrecht zur Oberfläche des
Kolbens in diesem R-R-Motor gerichtet und die Resultierende Fall
dieser Kräfte
befindet sich in einer Entfernung „r" von der Mittellinie der Motorwelle (10),
dann ergibt sich der Betrag des entstehenden Drehmoments C durch
die Formel: C = F·r.
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Wie
man leicht sieht, enthält
die Formel für das
entstehende Drehmoment kein Cosinus-Glied. Folglich ist bei gleichem
Hubraum, gleichem Verdichtungsverhältnis und gleichem Wert von „r" (2 und 10)
das von diesem Motor entwickelte Drehmoment in Bezug auf dasjenige,
das von einem herkömmlichen
Motor mit hin- und hergehendem Kolben entwickelt wird, eindeutig
größer. Ein
anderer Vorteil ist die Ausnutzung der beiden Seiten des Motors
mit kreisförmigen
Kolben.
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In
den bis hierher erfolgten Erläuterungen sind
die Hauptbestandteile die beiden Halbkugeln mit dem kreisförmigen,
fest mit der Motorwelle verbundenen Kolben. Den solchermaßen konzipierten
Motor nennt man KUGELFÖRMIGER
R-R-MOTOR.
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Es
ist aber auch ein R-R-Motor mit einer von zwei Halbzylindern und
einem rechteckigen Kolben gebildeten Ummantelung vorstellbar (11, 12).
Der so konzipierte Motor hieße
dann ZYLINDRISCHER R-R-MOTOR.
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Zu
beachten ist, dass die Motorwelle eines R-R-Motors, sei er nun kugelförmig oder
zylindrisch, von einer schwingenden Bewegung in Gang gehalten wird.
An einem der Enden dieser Motorwelle 2 wird ein mit Hilfe
einer Pleuelstange 9 (13) mit
einer Kurbelwelle 8 verbundener Schwinghebel 7 derart
befestigt, dass der fest mit der Motorwelle verbundene Schwinghebel 7 die
Kurbelwelle 8 in eine kontinuierliche Drehbewegung versetzt,
weil die Pleuelstange 9 vorgesehen ist. Ausgehend von dieser
kontinuierlichen Drehbewegung werden der Steuerungsmechanismus und
die Zündung
eines R-R-Motors eingestellt. Diese Einrichtung wird auch die Schwingbewegung
des Kolbens im Inneren der Kugel oder des Zylinders aufrechterhalten
und das Anlassen des Motors kann mit Hilfe eines Anlassers erfolgen,
der ein auf der Kurbelwelle 8 befestigtes Schwungrad in Drehung
versetzt. Von dieser Kurbelwelle 8 kann man auch je nach
Bedarf andere Drehbewegungen abgreifen, dadurch würde jedoch
das Drehmoment verringert werden.
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Am
anderen Ende der Motorwelle eines R-R-Motors kann man einen Bewegungswandler
anbringen, d. h. eine Einrichtung, die die kreisförmige Schwingbewegung
der Motorwelle in eine kontinuierliche Drehbewegung umwandelt. Man
kann sich einen Umwandler vorstellen, der ein Sperrklinkensystem
oder irgendeinen anderen Mechanismus voraussetzt.
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Steuerungsvorrichtung
bei einem R-R-Motor
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Die
Steuerung des Steuerungssystems, d. h. die Steuerung des Öffnens und
Schließens
der Ventile des R-R-Motors, kann mit Hilfe eines zentrisch um den
Motor herum und senkrecht zur Mittellinie der Motorwelle angeordneten
Nockenrads erfolgen (14). Das Nockenrad wird von
der Kurbelwelle 8 über
einen Zahnriemen, eine Kette oder mit Hilfe eines Zahnrads angetrieben.
Es ist so befestigt, dass es genau das 4-Takt-Arbeitsspiel ermöglicht.
Wenn die Anzahl der auf dem Nockenrad ausgebildeten Nocken erhöht wird,
kann die auf das Nockenrad zu übertragende
Geschwindigkeit verringert werden (in 14 ist
ein mit sechs Nocken ausgestattetes Nockenrad gezeigt).
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Verbesserung
des R-R-Motors
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Wenn
ein Motor mit großer
Leistung gewünscht
wird, können
mehrere R-R-Motoren hintereinander angeordnet werden. Aus technischen
Anordnungsgründen
kann man einen R-R-Motor in zwei Teile aufteilen, d. h. die beiden
Halbkugeln oder Halbzylinder versetzt anordnen, damit sie keinen
gemeinsamen Separator mehr haben. Die Motorwelle gehört weiterhin
zu dem aufgeteilten Kolben (15). Auf diese
Weise können
die Separatoren durch Verschlüsse 11 ersetzt
werden (ein Verschluss für
jede Halbkugel oder jeden Halbzylinder), an denen die Ventile angeordnet
sind, die durch eine Nockenwelle 12 gesteuert werden können (16).
Der Vorteil einer solchen Aufteilung besteht darin, dass eine größere Oberfläche zur
Aufnahme der Ventile und der Zündkerzen
entsteht. Auf jeden Fall kann man sich immer für die Steuerung durch ein Nockenrad
entscheiden, wenn es die technische Ausführung erlaubt.
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Lösung des
Dichtungsproblems
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Die
Dichtheit zwischen dem Kolben und der Ummantelung erfolgt mit Hilfe
von Segmenten 13, die in in den Kolben eingeschnittene
Rillen angeordnet sind (17).
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Lösung des
Schmierungsproblems
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Die
Schmierung an der Kontaktstelle Segment-Ummantelung kann durch Einspritzen
von Schmierstoff zwischen die beiden Segmente 13 durch
Kanäle 14 hindurch
erfolgen, die im Kolben und in der Motorwelle ausgebildet sind.
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Lösung des
Kühlungsproblems
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Die
Kühlung
erfolgt entweder durch Luft, indem Lamellen auf der Ummantelung
angebracht werden, oder durch Flüssigkeit,
indem der Motor mit einem Block mit Kanälen im Inneren umgeben wird, damit
die Kühlflüssigkeit
darin zirkulieren kann. Schließlich
kann die Kühlung
des Kolbens, wenn es die technische Ausführung ermöglicht, dadurch erfolgen, dass
eine Kühlflüssigkeit
im Inneren des Kolbens zirkuliert.
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Die
Ummantelungen eines R-R-Motors werden nicht gezwungenermaßen von
zwei Halbkugeln oder zwei Halbzylindern gebildet, denn man kann
sie auch sehr gut mit Hilfe von Teilen eines Zylinders oder Teilen
einer Kugel ausbilden.
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R-R-Motor
als Dieselmotor
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Ein
R-R-Motor kann sehr gut als Dieselmotor mit Selbstzündung durch
Kompression ausgeführt werden.
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Anwendung
des R-R-Motor-Prinzips bei der Konzeption eines Flüssigkeitsverdichters
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Die
Konzeption eines R-R-Kompressors auf der Grundlage des Funktionsprinzips
eines R-R-Motors ist möglich,
wenn die Ventile die Funktion von Druck- und Ansaugventilen haben.
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Vorteile des
R-R-Motors
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Aufgrund
seiner Bauart im Hinblick auf andere Motortypen gleichen Hubraums:
- – ist
der R-R-Motor kompakt und führt
zu Platzgewinn;
- – hat
der R-R-Motor eine geringere Anzahl beweglicher Teile; folglich
sind die Vibrationen deutlich verringert und ist die Lärmbelästigung
vermindert;
- – hat
der R-R-Motor ein geringeres Gewicht;
- – ist
das Drehmoment des Motor größer, was
zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs führt;
- – ist
der R-R-Motor ökologischer;
aufgrund seines geringen Verbrauchs ist der Ausstoß giftiger
Auspuffgase verringert;
- – weist
die Hubraumberechnung keine Fragwürdigkeit auf.