DE102004034209A1 - Drive unit for combustion engine, comprising quadropolar element serving as coupling device within chain of moving elements - Google Patents

Drive unit for combustion engine, comprising quadropolar element serving as coupling device within chain of moving elements Download PDF

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Abstract

An eccentrically arranged unit (2) with a connecting rod (3) attached to its outer end rotates around a stationary element (1). A lever (4a), swivel mounted to a second stationary element (4b) is moved by the connecting rod (3) and joined to a quadropolar element (5b) with two movable joints (5a, 5c). A piston rod (6) moving a piston (7) inside a cylinder (8) is connected to one of the joints (5c) and guided through another element (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebekinematik mit einem speziellen (quadropolaren) Getriebeelement, welches als Koppelglied innerhalb einer kinematischen Kette zu einem bestimmten, vorteilhaften Bewegungszyklus ausgezeichneter Partnerelemente führt.The Invention relates to a transmission kinematics with a special (quadrupole) Transmission element, which as a coupling member within a kinematic Chain to a certain, advantageous cycle of motion more excellent Partner elements leads.

Getriebeelemente, welche andere Funktionen als bei einem Standard-Getriebeelement des Standes der Technik (bestehend aus Kurbel, Pleuel, Kolben, Zylinder) ausüben, sind seit langem bekannt.Transmission elements which functions other than a standard transmission element of the prior art (consisting of crank, connecting rod, piston, cylinder) exercise are known for a long time.

Jüngeren Datums sind (Hub-) Getriebe, welche einen Kolben in einem Zylinder mittels eines Knickhebels auf seine Bahn führen. Ein Getriebe dieser Art ist nach der PCT-Anmeldung EP 88/00367 bekannt.Younger date are (Hub-) transmission, which means a piston in a cylinder lead a buckling lever on its path. A transmission of this kind 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 wird die Kinematik der Maschine verändert, 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.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 the kinematics the machine changes, with the proviso that the piston 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.

Untersuchungen dieses Maschinentyps lieferten gleichwohl sehr unterschiedliche Ergebnisse. Einerseits konnten durch Betriebs-Messungen deutliche Verbrauchsreduzierungen und verbesserte Abgasqualität festgestellt werden, andererseits lieferten Prüfstand-Messungen 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, operational measurements made clear Consumption reductions and improved exhaust quality determined On the other hand, test bench measurements did not provide any Improvements (see in particular Motortechnische Zeitschrift MTZ 49 of 1988).

Ziel der Erfindung ist es, ein Getriebe für insbesondere Verbrennungskraftmaschinen zu entwickeln, welches deren effektiven Wirkungsgrad deutlich erhöht, indem ein nachfolgend näher beschriebenes (quadropolares) Getriebeelement eine Modifizierung des Bahnverlaufes, insbesondere eines Kolbens in einem Zylinder, bewirkt. Dabei wird erfindungsgemäß einerseits die Verweilzeit des Kolbens um den oberen Totpunkt (OT) deutlich erhöht und andererseits die Kraftübertragung innerhalb der kinematischen Kette vorteilhaft modifiziert.aim The invention is a transmission for particular internal combustion engines which significantly increases their effective efficiency by: one below described (quadrupole) transmission element a modification the trajectory, in particular a piston in a cylinder, causes. In this case, according to the invention, on the one hand, the residence time the piston around the top dead center (TDC) significantly increased and on the other hand the power transmission advantageously modified within the kinematic chain.

Dies ist mit dem Stand der Technik nicht zu erzielen.This can not be achieved with the prior art.

Ein prinzipielles Ausführungsbeispiel der Erfindung – insbesondere für eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine – ist in den nachfolgenden 0 bis 3 dargestellt und findet auch anhand der Patentansprüche Erläuterung:A basic embodiment of the invention - in particular for a reciprocating internal combustion engine - is in the following 0 to 3 illustrated and also finds on the basis of the claims explanation:

0: 0 :

Gezeigt ist das prinzipielle, von den anderen Bauteilen separierte, quadropolare Getriebeelement 5a bis 5c. In dieser einfachsten Darstellung kann es als simple Getriebestange fungieren. Die Punkte 5a und 5c arbeiten als Gelenkstellen; mit 5b ist der Elementkörper skizziert, welcher je nach Anwendung unterschiedlich ausgebildet sein kann (Beispiel: siehe 1). Die hier gezeigte Darstellung des erfindungsgemäßen Getriebeelementes erinnert augenscheinlich an ein einfaches Pleuel einer konventionellen Hubkolbenmaschine nach dem allgemeinen Stand der Technik. Dieser Darstellung entsprechen die meisten heutigen Getriebe von 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 1 und 2 nachfolgend genauer spezifiziert.Shown is the principal, separated from the other components, quadrupole transmission element 5a to 5c , In this simplest representation, it can act as a simple transmission rod. The points 5a and 5c work as joints; With 5b is sketched the element body, which can be designed differently depending on the application (example: see 1 ). The representation of the transmission element according to the invention shown here evidently reminds of a simple connecting rod of a conventional reciprocating piston engine according to the general state of the art. This illustration corresponds to most of today's transmission of 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 1 and 2 specified in more detail below.

Im weiteren Kontext betrachtet (und erkenntlich gemacht an der Bezeichnung) wird allerdings der Unterschied offenkundig: Die Punkte 5a und 5c verbinden nicht einfach nur eine Kurbel und einen Kolben miteinander (wie beim Stand der Technik), sondern vermitteln vielmehr komplexere Bewegungsabläufe innerhalb erfindungsgemäßer und umfangreicherer kinematischen Kette. Letztere ist beispielhaft nachfolgend beschrieben.Seen in the broader context (and made recognizable by the name), however, the difference becomes obvious: the points 5a and 5c Do not simply connect a crank and a piston with each other (as in the prior art), but rather convey more complex movements within the invention and more extensive kinematic chain. The latter is described below by way of example.

1: 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 (Schwenk-) Hebel 4a, welcher in dem Punkt 4b gelenkig (und hier: ortsfest) gelagert ist. Diesem angeschlossen ist das erfindungsgemäße quadropolare Getriebeelement 5b, mit seinen Gelenkstellen 5a und 5c. An letzterer ist eine Kolbenstange 6 beweglich angebracht, an dessen anderem Ende ein Kolben 7 befestigt ist, welcher in einem Zylinder 8 (ggf. zusätzlich) geführt ist. Die Kolbenstange 6 ist insbesondere im Punkt 9 (hier: gerad-) geführt. Diese Führung könnte jedoch ebenfalls ein weiterer Schwenkhebel übernehmen. Dann wäre die Bahn des Punktes 5c keine Gerade sondern eine Kurve.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. This is in drive connection with a (swivel) lever 4a which is in the point 4b hinged (and here: stationary) is stored. Connected to this is the quadrupole transmission element according to the invention 5b , with its joints 5a and 5c , At the latter is a piston rod 6 movably mounted, at the other end a piston 7 which is fixed in a cylinder 8th (if necessary in addition) is led. The piston rod 6 is in particular at the point 9 (here: straight) led. However, this guide could also take over another pivot lever. Then the path of the point would be 5c no straight line but a curve.

Damit ist dieses vorgestellte erfindungsgemäße Getriebe im Wesentlichen komplett beschrieben und es wird ersichtlich, dass das quadropolare Getriebeelement mit seinen beiden polaren Getriebepunkten 5a und 5c vor allem durch vier Glieder (2, 3, 4a, 6) der kinematischen Kette auf seiner Bahn geführt ist.Thus, this proposed transmission according to the invention is substantially completely described and it will be apparent that the quadrupole transmission element with its two polar transmission points 5a and 5c especially by four members ( 2 . 3 . 4a . 6 ) of the kinematic chain is guided on its path.

Insgesamt gesehen lassen sich erfindungsgemäß vorteilhafte Geometrien und Prozessparameter realisieren: Infolge der – im weiteren Bewegungsablauf in Richtung unterer Totpunkt (UT) – Schwenkbewegung von 5b relativ zur Hubbewegung von 6, ergibt sich eine längere Verweilzeit des Kolbens in OT. Diese Verweilzeit ist deutlich länger als beim Stand der Technik (siehe 2). Hierdurch resultieren sehr günstige thermodynamische Bedingungen (sehr hoher Druck, sehr hohe Temperatur). Damit können auch schwerer entflammbare Stoffe vorteilhaft und sauber verbrannt werden.Overall, can be inventive realize in accordance with advantageous geometries and process parameters: As a result of - in the further movement in the direction of bottom dead center (UT) - pivoting movement of 5b relative to the lifting movement of 6 , results in a longer residence time of the piston in TDC. This residence time is significantly longer than in the prior art (see 2 ). This results in very favorable thermodynamic conditions (very high pressure, very high temperature). This means that even flammable substances can be burned favorably and cleanly.

Es ist auch eine sehr effektive Benzindirekteinspritzung mit Selbstzündung möglich (HCSI = High Compression Self Ignition). Die Verbrennung veräuft 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 runs very much according to the invention faster and more intense, more dynamic overall than usual. This results a significantly better exhaust behavior and a strong reduction of fuel consumption.

Darüber hinaus ergibt sich ein optimierter, vorteilhafterer Kraftfluß im erfindungsgemäßen Getriebe, welcher wiederum den effektiven Wirkungsgrad der vorgeschlagenen Kinematik deutlich erhöht.Furthermore results in an optimized, more advantageous power flow in the transmission according to the invention, which in turn the effective efficiency of the proposed Kinematics significantly increased.

2: 2 :

Gezeigt werden hier die Kolbenwege (um den OT) des Standes der Technik 10 (normales Hubkolbengetriebe) und 11 (Knickpleuelmotor) sowie der Erfindung 12. Klar erkennbar ist die in der Umgebung des OT länger verweilenden Kolben beim Knickpleuelmotor und der Erfindung. Hierdurch gewinnt man insbesondere mehr Zeit für eine bessere Verbrennung. Erkennbar ist auch, dass erfindungsgemäße Verweilzeit nochmals deutlich länger ist als beim Stand der Technik.Shown here are the piston paths (around the TDC) of the prior art 10 (normal reciprocating) and 11 (Articulated truss engine) and the invention 12 , Clearly recognizable in the environment of the OT longer lingering pistons when articulated engine and the invention. This gives you more time for better combustion. It can also be seen that residence time according to the invention is again significantly longer than in the prior art.

Da bei räumlicher und zeitlicher Betrachtung des Geschehens nahezu eine vollständige Gleichraumverbrennung passiert, 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 equal space combustion happens, the thermal efficiency of this process according to the invention is corresponding significantly better than in the prior art.

3: 3 :

Hier ist eine Kombinationskraftmaschine zu sehen, welche als Kompressor ein konventionelles Hubgetriebe 20 und als Expander ein erfindungsgemäßes Aggregat 21 mit quadropolarem Getriebeglied nutzt. Prozesstechnisch verknüpft sind die beiden Aggregate durch einen (hier: im Wesentlichen dreieckigen) Drehkolben 22, dessen periphere und gerundeten Ecken die Überstromkanäle 23a und 23b sowie den Einlaß 24 und den Auslaß 25 sinnvoll öffnen bzw. schliessen. Diese Anordnung ermöglicht u.a. in vorteilhafter Art und Weise die volle Nutzung des Druckniveaus, weil das Hubvolumen von 21 deutlich größer als das Hubvolumen von 20 ausgeführt werden kann; d.h.: es ist eine vollständige Expansion des Arbeitsmediums möglich. Damit erhöht sich der effektive Wirkungsgrad nochmals.Here is a combination engine to see what a compressor as a conventional screw jack 20 and as an expander an inventive unit 21 uses with quadrupole transmission link. Processually linked, the two units by a (here: essentially triangular) rotary piston 22 , its peripheral and rounded corners the overflow channels 23a and 23b as well as the inlet 24 and the outlet 25 meaningfully open or close. This arrangement allows, inter alia, in an advantageous manner, the full use of the pressure levels, because the displacement of 21 significantly larger than the stroke volume of 20 can be executed; ie: a complete expansion of the working medium is possible. This increases the effective efficiency again.

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

Claims (5)

Getriebeelement, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, welches zusammen mit wenigstens einem Zylinder 8 und darin beweglich angeordnetem Kolben 7, welcher über eine geführte Kolbenstange 6 mit einer Exzentrizität 2 in Antriebsverbindung um einen relativ ortsfesten Punkt 1 steht, wobei ein Pleuel 3 mit einem (Schwenk-) Hebel 4a in Antriebsverbindung steht, eine kinematische Kette bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße (quadropolare) Getriebeelement 5b mit einem Ende 5a an dem Hebel 4a angelenkt ist, dessen anderes Ende 5c an der (kolbenseitigen) Stange 6 drehbeweglich befestigt ist und im Punkt 5c eine Führung besteht.Transmission element, in particular for internal combustion engines, which together with at least one cylinder 8th and movably arranged piston therein 7 , which has a guided piston rod 6 with an eccentricity 2 in drive connection about a relatively stationary point 1 stands, being a connecting rod 3 with a (swivel) lever 4a is in drive connection, forming a kinematic chain, characterized in that the inventive (quadrupole) transmission element 5b with one end 5a on the lever 4a hinged, whose other end 5c on the (piston side) rod 6 is rotatably mounted and in point 5c a guide exists. Getriebeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeelement 5b im Punkt 5c über eine Führung verfügt, die insbesondere gerad- (z.B. 9) und/oder kurvenförmig konstruiert ist.Transmission element according to claim 1, characterized in that the transmission element 5b at the point 5c has a leadership, in particular straight (eg 9 ) and / or curved. Getriebeelement nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeelement 5b insbesondere als Pleuel oder Exzenter ausgeführt ist.Transmission element according to one of the claims, characterized in that the transmission element 5b especially designed as a connecting rod or eccentric. Getriebeelement nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von dem Radius der Exzentrizität 2 zu Länge des Getriebeelementes 5b (im Wesentlichen der Abstand von 5a und 5c) in der Umgebung von 1 bis 2 (i.W.: „eins bis zwei") ausgeführt ist, und insbesondere etwa 1,5 beträgt.Transmission element according to one of the claims, characterized in that the ratio of the radius of eccentricity 2 to length of the transmission element 5b (essentially the distance from 5a and 5c ) in the vicinity of 1 to 2 (iw: "one to two") is executed, and in particular about 1.5. Getriebeelement nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das quadropolare Getriebeelement 5b Bestandteil, insbesondere einer nach 1 bzw. 3 ausgeführten, erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine 21, ist, und über einen insbesondere und im Wesentlichen dreieckigen Drehkolben 22 mit einem Hubgetriebe 20 nach dem Stand der Technik prozesstechnisch verknüpft ist und der Drehkolben 22 die Überstromkanäle 23a und 23b sowie den Einlaß 24 und den Auslaß 25 aktionskonform öffnet und schließt (hauptsächlich im 120 Grad-Winkel).Transmission element according to one of the claims, characterized in that the quadrupole transmission element 5b Component, in particular one to 1 respectively. 3 executed, reciprocating piston engine according to the invention 21 , is, and about a particular and essentially triangular rotary piston 22 with a screw jack 20 according to the prior art process technology is linked and the rotary piston 22 the overflow channels 23a and 23b as well as the inlet 24 and the outlet 25 action compliant opens and closes (mainly at 120 degree angle).
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