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Abstract

A piston (4) within a cylinder (5) is connected to a piston rod (3) with an eccentric shaft (2) connected around a stationary point (1). A transmission structure is thereby formed having a maximum compression ratio greater than 25. The piston rod is made from steel, aluminum or titanium and has larger cross-sectional areas to resist bending torque.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und wenigstens einem darin beweglich angeordnetem Kolben, welcher Medien verdichtet bzw. Expansionsarbeit verrichtet. Dabei wird der Kolben mittels eines Pleuels gesteuert, welches seinerseits durch eine Exzentrizität angelenkt ist.The The invention relates to an internal combustion engine with at least a cylinder and at least one piston movably disposed therein, which condenses media or performs expansion work. there the piston is controlled by a connecting rod, which in turn by an eccentricity is articulated.

Verbrennungskraftmaschinen mit diesem Wirkungsmechanismus sind seit langem bekannt. Jüngeren Datums sind Hubkolbenaggregate, welche den Kolben mittels eines Knickhebels auf seine Bahn führen. Ein Getriebe dieser Art ist nach der PCT-Anmeldung EP 88/00367 bekannt.Internal Combustion Engines with this mechanism of action have been known for a long time. Younger date are Hubkolbenaggregate which the piston by means of a buckling lever lead to his orbit. A transmission of this type is known from PCT application EP 88/00367.

Danach wird eine Steuerung der Kolbenbewegung 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 deutlich länger im Bereich des oberen Totpunktes (OT) verbleibt. Hierdurch soll der Verbrennungsablauf, die Abgasqualität und der Treibstoffverbrauch verbessert werden. Nachteilig bei dieser Ausführungsvariante ist allerdings der erhöhte Bauaufwand, verbunden mit einer deutlichen Drehzahlreduzierung infolge der höheren Massenkräfte.After that a control of the piston movement is proposed in which the use of split connecting rods, instead of the usual ones one-piece connecting rod, is provided. This is supposed to be the kinematics the machine changed be, with the proviso, that the piston is much longer remains in the area of top dead center (TDC). This is intended the combustion process, the quality of the exhaust gas and the fuel consumption be improved. However, a disadvantage of this embodiment is the increased Construction costs, combined with a significant speed reduction due the higher mass forces.

Untersuchungen dieses Maschinentyps lieferten gleichwohl sehr unterschiedliche Ergebnisse. Einerseits konnten durch Messungen deutliche Verbrauchsreduzierungen und verbesserte Abgasqualität festgestellt werden, jedoch musste das Drehzahlniveau in allen Fällen stark reduziert werden. Andere Messungen lieferten hingegen keinerlei Verbesserungen (vgl. insbesondere Motortechnische Zeitschrift MTZ 49 von 1988).investigations However, this type of machine delivered very different Results. On the one hand, measurable consumption reductions could be achieved through measurements and improved exhaust quality However, the speed level had to be strong in all cases be reduced. Other measurements did not provide anything Improvements (see in particular Motortechnische Zeitschrift MTZ 49 of 1988).

Ziel der Erfindung ist es also, eine Verbrennungskraftmaschine zu entwickeln, welche den effektiven Wirkungsgrad sehr deutlich erhöht, die Abgasqualität deutlich verbessert, den Treibstoffverbrauch effektiv reduziert, einen Vielstoffmotor darstellt, einfach im Aufbau ist und trotzdem ohne Senkung des Drehzahlniveaus auskommt. Dies ist mit dem herkömmlichen Stand der Technik nicht ausführbar.aim The invention therefore is to develop an internal combustion engine, which increases the effective efficiency very clearly, the exhaust gas quality significantly improved, effectively reducing fuel consumption, represents a multi-fuel engine, is simple in construction and still works without lowering the speed level. This is with the conventional one State of the art can not be carried out.

Die Erfindung erreicht dies allerdings durch Realisierung von extremalen Einflußgrößen bzgl. ihrer Geometrien und korrespondierenden, optimierten Prozessparametern.The However, this invention achieves this by realizing extremal Influencing factors. their geometries and corresponding, optimized process parameters.

Ein prinzipielles Ausführungsbeispiel der Erfindung – insbesondere als Hubkolbenverbrennungskraftmaschine – ist in den nachfolgenden 1 bis 3 dargestellt und findet auch anhand der Patentansprüche Erläuterung:A basic embodiment of the invention - in particular as Hubkolbenverbrennungskraftmaschine - is in the following 1 to 3 illustrated and also finds on the basis of the claims explanation:

1: Mit 1 ist ein ortsfester Drehpunkt markiert, den eine Exzentrizität 2 umläuft. An letzterer ist ein Getriebeglied, insbesondere ein Pleuel 3, drehbeweglich befestigt. Mit diesem in Antriebsverbindung steht ein Kolben 4, welcher in dem Zylinder 5 auf seine Bahn geführt ist. 1 : With 1 is a fixed fulcrum marked, which has an eccentricity 2 circulates. At the latter is a gear member, in particular a connecting rod 3 , rotatably mounted. With this in drive connection is a piston 4 which is in the cylinder 5 led to his orbit.

Dieser Darstellung entsprechen die meisten heutigen Verbrennungskraftmaschinen. Hieraus ersichtlich sind jedoch nicht die tatsächlichen Realisierungspotenziale hinsichtlich der Geometrien und Prozessparameter, auf die es aber erfindungsgemäß entscheidend ankommt. Deswegen wird die Erfindung mittels 2 nachfolgend genauer spezifiziert.This representation corresponds to most of today's internal combustion engines. However, this does not show the actual realization potentials with regard to the geometries and process parameters, but which are crucial to the invention. Therefore, the invention by means of 2 specified in more detail below.

2: Die hier gezeigte, im Wesentlichen maßstäbliche Skizze, stellt erfindungsgemäß einen sogenannten „kurzhubigen" Motor dar. Hierdurch lassen sich vorteilhafte Geometrien und Prozessparameter realisieren. Zum einen kann statt einer kostenintensiven und vergleichsweise labilen Kurbelwelle eine wesentlich preisgünstigere, dynamischere und stabilere Exzenterwelle 2 gewählt werden. Erleichterungsbohrungen 2.1 kennzeichnen u.a. die Minimierungsmöglichkeiten bzgl. der trägen Massen. Dieses Bauteil ergibt bessere Möglichkeiten für die Lagerung (unmittelbar am Exzenter selbst) und Auswuchtung (z.B. direkt neben der Lagerung oder an der Schwungscheibe). Das ortsfeste Drehzentrum ist wiederum mit 1 gekennzeichnet. Es kommt lediglich ein Pleuel 3 zur Anwendung, welches vorteilhaft nur einteilig ausgeführt werden kann und somit nicht nur montagefreundlich ist, sondern zudem den erfindungsgemäß extrem hohen Belastungen besser entsprechen kann als konventionelle Pleuel. Diese hohen Belastungen resultieren aus dem erfindungsgemäßen sehr hohen und völlig unüblichen Verdichtungsverhältnis in Höhe von ε = 40 (üblich für OTTO-Motoren ist etwa ε = 10 und für DIESEL-Motoren etwa ε = 20). Da hierbei sehr große Kräfte auftreten, werden besondere konstruktive Maßnahmen erforderlich und erfindungsgemäß realisiert. Deswegen befinden sich an den Enden des Pleuels Querschnitte hohen Widerstandmoments gegen Biegung, nämlich 3.1 am kolbenseitigen Ende und 3.2 am wellenseitigen Ende. Das Pleuel kann nicht zuletzt deswegen aus Aluminium (oder ggf. Titan) hergestellt werden, statt üblicherweise aus Stahl. Diese Maßnahme führt ebenfalls zu einer Gewichtsreduzierung und wiederum zu einer Verkleinerung der trägen Massen. (Der Grund für das erfindungsgemäß außerordentlich hohe Verdichtungsverhältnisses wird mittels 3 näher erläutert). 2 According to the invention, the essentially sketch to this extent, shown here, represents a so-called "short-stroke" motor, which can be used to realize advantageous geometries and process parameters 2 to get voted. lightening holes 2.1 characterize, among other things, the possibilities of minimizing the inert masses. This component gives better possibilities for storage (directly on the eccentric itself) and balancing (eg directly next to the storage or on the flywheel). The stationary center of rotation is again with 1 characterized. It comes only a connecting rod 3 for use, which can advantageously be carried out in one piece and thus not only easy to install, but also can meet the invention extremely high loads better than conventional connecting rods. These high loads result from the inventive very high and completely unusual compression ratio of ε = 40 (common for OTTO engines is about ε = 10 and for DIESEL motors about ε = 20). Since this very large forces occur, special design measures are required and realized according to the invention. Therefore, located at the ends of the connecting rod cross-sections high resistance torque against bending, namely 3.1 at the piston end and 3.2 at the shaft end. Not least because of this, the connecting rod can be made of aluminum (or possibly titanium) instead of usually made of steel. This measure also leads to a reduction in weight and in turn to a reduction of inertial masses. (The reason for the extremely high compression ratio according to the invention is determined by means of 3 explained in more detail).

Der Kolben 4 wird im Zylinder 5 geführt und überstreicht während seiner Bahnbewegung die Gaswechselöffnungen 5.1 (Auslaß) bzw. 5.2 (Einlaß). Dieser Zweitaktbetrieb wird durch ein hier nicht näher beschriebenes Gebläse ermöglicht. Es bläst Frischluft in vorteilhafter Weise durch den Zylinder. Die Frischluft wird durch die besondere Kolbenform (bogenförmig) effektiv zugeführt und ersetzt in hohem Maße das Abgas. Ein gewisser Restgasanteil kann dabei prozesstechnisch sogar von Vorteil sein.The piston 4 is in the cylinder 5 guided and sweeps during his orbit movement the gas exchange openings 5.1 (Outlet) or 5.2 (Inlet). This two-stroke operation is made possible by a blower not described here. It blows fresh air in an advantageous manner through the cylinder. The Fresh air is effectively supplied by the special piston shape (arcuate) and replaces the exhaust gas to a large extent. A certain amount of residual gas can be process technology even beneficial.

Wenigstens eine Mulde 4.1 befindet sich im Kolbenboden und ermöglicht prozesstechnisch eine sehr effektive und erfindungsgemäße Verbrennung: Wenigstens eine Düse 7 spritzt ab etwa 20 Grad vor OT Treibstoff bzw. Gemisch in diese Mulde. Die durch die Erfindung resultierenden sehr günstigen thermodynamischen Bedingungen (sehr hoher Druck, sehr hohe Temperatur) können auch schwerer entflammbare Stoffe vorteilhaft und sauber verbrannt werden.At least one hollow 4.1 is located in the piston crown and allows process engineering a very effective and inventive combustion: At least one nozzle 7 injects fuel from about 20 degrees before OT fuel or mixture in this trough. The very favorable thermodynamic conditions resulting from the invention (very high pressure, very high temperature) can also be burned advantageously and cleanly into flammable materials.

Es ist auch eine sehr effektive Benzindirekteinspritzung mit Selbstzündung möglich (HCSI = High Compression Self Ignition). Die Verbrennung verläuft erfindungsgemäß sehr viel schneller und intensiver, also insgesamt dynamischer, als üblich. Hieraus resultiert ein deutlich besseres Abgasverhalten und eine starke Reduzierung des Kraftstoffverbrauches.It is also a very effective gasoline direct injection with auto-ignition possible (HCSI = High Compression Self Ignition). The combustion is very much according to the invention faster and more intense, more dynamic overall than usual. From this results in a much better exhaust behavior and a strong Reduction of fuel consumption.

Dass hohe Kräfte beherrscht werden müssen – und auch können – wird u.a. durch den großen Kolbenbolzen 6 erkennbar, welcher wiederum mit einer Erleichterungsbohrung versehen ist.The fact that high forces must be mastered - and can - is achieved, among other things, by the large piston pin 6 recognizable, which in turn is provided with a lightening hole.

Insgesamt ist erfindungsgemäße Maschine viel einfacher im Aufbau als der oben skizzierte Stand der Technik. Die Erfindung vermeidet somit auch die Nachteile des Standes der Technik; besitzt jedoch gleichzeitig deren Anspruch auf Verbesserungen, insbesondere des Verbrennungsgeschehens. Und auch die Massendynamik wird erfindungsgemäß sehr viel besser beherrschbar. Außerdem ist der erfindungsgemäß sehr hohe Arbeitsdruck mit konventioneller Technologie nicht zu kontrollieren.All in all Machine according to the invention is much simpler in construction than the above-outlined prior art. The Invention thus avoids the disadvantages of the prior art; At the same time, however, it has the right to improvements, in particular of the combustion process. And also the mass dynamics according to the invention is very much better controllable. Furthermore the invention is very high Not to control working pressure with conventional technology.

3: Gezeigt werden hier die Kolbenwege des Standes der Technik (Knickpleuelmotor) und der Erfindung (Basismotor) bzw. des verallgemeinerten Standes der Technik. Klar erkennbar ist die in der Umgebung des OT länger verweilenden Kolbens beim Knickpleuelmotor. Hierdurch gewinnt man mehr Zeit für eine bessere Verbrennung. 3 : Shown here are the piston paths of the prior art (articulated truss engine) and the invention (base engine) or the generalized state of the art. Clearly recognizable is the longer lasting in the environment of the OT piston at Knickpleuelmotor. This will give you more time for better combustion.

Der Erfindung liegt nun der diametrale Gedanke zugrunde nicht den Kolben länger verweilen zu lassen, sondern die Prozessparameter derart zu verbessern, so dass für die Einspritzung, die Entflammungsphase und die vollständige Verbrennung sehr viel weniger Zeit benötigt wird; m. a. Worten: diese Prozesse werden drastisch beschleunigt, so dass Zeit „eingespart" werden kann. Dem „statischen" Verweilen des Kolbens in OT wird demzufolge erfindungsgemäß eine „quasidynamische" Verweilzeit übergeordnet. D.h.: Günstigere thermodynamische Bedingungen werden erfindungsgemäß durch die ungewöhnlich hohe Verdichtung längere Zeit (Kurbel- bzw. Exzenterwinkel) aufrechterhalten. Der gesamte Verbrennungsprozeß wird stark intensiviert und dabei verkürzt.Of the Invention is now based on the diametrical idea not the piston longer to linger, but to improve the process parameters in such a way so for the injection, the ignition phase and the complete combustion much less time needed becomes; m. a. Words: these processes are drastically accelerated, so that time can be "saved." The "static" lingering of the piston Accordingly, in OT a "quasi-dynamic" residence time is superordinated according to the invention. D.h .: Cheaper Thermodynamic conditions are inventively the unusual high compression longer Time (crank or Eccentric angle) maintained. The entire combustion process becomes strong intensified and shortened.

Erklärung: Beim Stand der Technik herrscht nur unmittelbar in OT ein günstiger thermodynamischer Zustand welcher für die Entflammung und Durchbrennung der Ladung verantwortlich ist. Oder anders beschrieben: Der thermodynamisch günstige Zustand bleibt erfindungsgemäß länger erhalten.Explanation: At The state of the art is only directly in OT a cheaper thermodynamic state which for the ignition and burning the charge is responsible. Or described differently: the thermodynamic favorable condition remains longer according to the invention.

Die Linien A-A und B-B markieren den Bereich der erfindungsgemäß zusätzlich abgedeckt wird, bei dem also thermodynamisch günstigere Bedingungen vorherrschen, als beim Stand der Technik; hier für den OTTO-Prozeß bei Verdichtungsverhältnissen um ε = 11.The Lines A-A and B-B mark the area additionally covered according to the invention, at the thermodynamically more favorable Conditions prevail, than in the prior art; here for the OTTO process at compression ratios around ε = 11.

Desgleichen gilt für den DIESEL-Prozeß, dessen erfindungsgemäße Verbesserungen durch die Linien C-C und D-D markiert sind, bei Verdichtungsverhältnissen um ε = 22.Similarly applies to the DIESEL process, whose improvements according to the invention are marked by the lines C-C and D-D, at compression ratios around ε = 22.

Es ist also offensichtlich, dass die Erfindung durch die o.g. „dynamischen" Maßnahmen den „statischen" Maßnahmen des Standes der Technik deutlich überlegen ist und hiermit die oben erwähnten Zielvorgaben der Erfindung erfüllt.It So it is obvious that the invention by the o.g. "Dynamic" measures the "static" measures Of the prior art is clearly superior and hereby the above mentioned targets of the invention.

Da bei räumlicher und zeitlicher Betrachtung des Geschehens nahezu eine vollständige, dynamisierte, Gleichraumverbrennung passiert („Quasi-Verweilzeit"), ist der thermische Wirkungsgrad dieses erfindungsgemäßen Prozesses entsprechend deutlich besser als beim Stand der Technik.There at spatial and temporal consideration of the event almost a complete, dynamic, Equilibrium combustion happens ("quasi-residence time"), is the thermal Efficiency of this process according to the invention accordingly significantly better than in the prior art.

Erfindungsgemäßes Aggregat ist einfach und kostengünstig in der Herstellung sowie effektiv in seiner Wirkung. Der Treibstoffkonsum wird stark reduziert und die Abgasqualität um ein vielfaches verbessert.Inventive unit is easy and inexpensive in production as well as effective in its effect. The fuel consumption is greatly reduced and improves the exhaust gas quality many times over.

Neben Benzin, Diesel und anderen herkömmlichen Brennmitteln können auch minderwertigere, schwerentflammbare Stoffe oder Pflanzenöle bzw. Wasser (Gemische) zum Einsatz gelangen und insbesondere „selbstständig" bzw. „automatisch" gezündet werden.Next Gasoline, diesel and other conventional Burning agents can also inferior, flame-retardant substances or vegetable oils or Water (mixtures) are used and in particular "autonomous" or "automatically" ignited.

(Statt dem hier exemplarisch beschriebenen Ausführungsbeispiel lässt sich z. B. auch ein Schwenkkolben realisieren; mit den gleichen, günstigen Eigenschaften).(Instead of The exemplary embodiment described here can be z. B. also realize a swing piston; with the same, cheap Properties).

Claims (13)

Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder 5 und darin beweglich angeordnetem Kolben 4, welcher über ein Pleuel 3 mit einer Exzentrizität 2 in Antriebsverbindung um einen relativ ortsfesten Punkt 1 steht, dadurch gekennzeichnet, dass diese kinematische Kette aufbauenden Getriebeglieder zu einem Kreisprozessverlauf führen, für den das Verdichtungsverhältnis ε maximal wird, insbesondere mindestens ε > 25 ist.Reciprocating piston engine, in particular internal combustion engine with at least one cylinder 5 and movably arranged piston therein 4 , which has a connecting rod 3 with an eccentricity 2 in drive connection about a relatively stationary point 1 stands, characterized in that these kinematic chain constituent gear members lead to a cycle process history, for which the compression ratio ε is a maximum, in particular at least ε> 25. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis ε in der Umgebung von 40 liegt.Reciprocating piston engine according to claim 1, characterized in that that the compression ratio ε in the environment from 40 lies. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität 2 als Exzenterwelle ausgebildet ist.Reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that the eccentricity 2 is designed as an eccentric shaft. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel 3 einteilig und aus Stahl, Aluminium oder Titan ausgeführt ist sowie an den Enden vergrößerte Querschnitte 3.1 und 3.2 aufweist, welche insbesondere zur Erhöhung des Biege-Widerstandsmomentes dienen.Reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting rod 3 one-piece and made of steel, aluminum or titanium, as well as enlarged cross sections at the ends 3.1 and 3.2 which serve in particular to increase the bending moment of resistance. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im vorzugsweise bogenförmigen Dach des Kolbens 4 – aus überwiegend Aluminium oder Titan bestehend – mindestens eine Mulde 4.1 ausgebildet ist.Reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that in the preferably arcuate roof of the piston 4 - Made of predominantly aluminum or titanium - at least one trough 4.1 is trained. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde 4.1 explizit aus temperaturbeständigerem Material besteht.Reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that the trough 4.1 explicitly made of temperature-resistant material. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinder 5 wenigstens eine Einspritzdüse 7 existiert, welche in der Umgebung des oberen Totpunktes direkt in die Mulde(n) 4.1 emittiert.Reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that in the cylinder 5 at least one injection nozzle 7 exists, which in the vicinity of the top dead center directly into the trough (s) 4.1 emitted. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein (hier nicht näher gezeigtes) Spülgebläse durch die Öffnung 5.2 den Zylinder mit frischem Medium versorgt.Reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that a (not shown here in detail) flushing blower through the opening 5.2 supplies the cylinder with fresh medium. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Hub zu Bohrung in der Umgebung von 0,5 ausgeführt ist, und insbesondere kleiner ist, nämlich etwa 0,4.Reciprocating piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the ratio run from hub to bore around 0.5, and in particular is smaller, namely about 0.4. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisprozeß entweder ein 2- oder 4-Takt OTTO oder DIESEL Prozeß ist.Reciprocating piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the cyclic process is either a 2 or 4 stroke OTTO or DIESEL process is. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstellen aus vergütetem und gehärtetem Stahl bestehen.Reciprocating piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the bearings consist of tempered and hardened steel. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen nahezu vollständig ausgewuchtet ist.Reciprocating piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the machine by the measures according to the invention almost complete is balanced. Hubkolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben 4 als Schwenkkolben ausgebildet ist, an einer Seite drehbar im Zylinder 5 gelagert ist und an einer Stelle mit dem Pleuel 3 in Antriebsverbindung steht.Reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that the piston 4 is designed as a rotary piston, rotatable on one side in the cylinder 5 is stored and in one place with the connecting rod 3 is in drive connection.
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