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Die
Erfindung betrifft ein Hubgetriebe, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen,
mit einem modifizierten Pleuel, welches im Bereich eines seiner Enden
in Antriebsverbindung mit der Kurbel einer Kurbelwelle drehbeweglich
verbunden ist, wobei das Pleuel in einem diesem Bereich entfernteren
Abschnitt durch Anlenkung an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange
um eine ggf. ortsvariable Drehachse drehbar ist.
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Die
Verwendung von modifizierten Pleueln ist bekannt. Sinn und Zweck
des Einsatzes dieser Pleuel ist insbesondere eine Verbesserung des
Leistungsbildes von Verbrennungskraftmaschinen. In dem Dokument
EP 0 292 603 B1 ist
ein Beispiel entsprechender Maschinen gezeigt. Bei dieser Maschine
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. Hier besteht die Modifizierung einerseits aus
einer Zweiteilung des Pleuels und andererseits aus einer Verlängerung
mit zusätzlichem
Gelenk an dem, dem Kolben abgewendeten, Pleuelbereich. Die Orientierung
der beiden Pleuelstangen und der Kurbel des Motors ist hier 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.
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Kurz
nach Durchlaufen des oberen Totpunktes wirken die beiden Pleuel
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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es bei einem Hubgetriebe der eingangs genannten
Art, insbesondere für
Verbrennungsmotoren, den Prozessablauf örtlich und zeitlich derart
zu optimieren, dass bei einer gegebenen Anzahl von Arbeitszyklen
pro Zeiteinheit besonders für
den resultierenden Drehmomentenverlauf und dem 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 erzielt werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
im Gegensatz zum vorzitierten Stand der Technik, nicht das obere – dem Kolben
zugewandte –,
sondern das untere – der
Kurbel zugewandte – Pleuel
eine Verlängerung
mit Gelenkpunkt aufweist und insbesondere eine signifikante Kröpfung eines Teilbereiches
dieses Pleuels ausgebildet wird.
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Bei
erfindungsgemäßem Hubgetriebe
ist die gekröpfte
Pleuelstange durch Anlenkung an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange
um eine ortsvariable Drehachse zumindest in einem bestimmten Winkelbereich
drehbar.
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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 an dem gekröpftem Pleuel angeordnete,
vorteilhafte (aber nicht zwingend notwendige) zweite Pleuelstange
eine aus zwei Bewegungen überlagerte
Bewegung durchführen.
Aufgrund der Anlenkung der zweiten Pleuelstange kann diese Pleuelstange
zum einen eine Schwenkbewegung um eine Achse und aufgrund der Ortsvariabilität dieser
Achse ebenso zum anderen eine translatorische Schubbewegung durchführen. Die
effektive Bewegung ist eine Überlagerung beider
Bewegungen, wobei nur zu ganz diskreten Zeiten jeweils nur eine
Bewegungsart vorliegt.
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Im
vorbekannten Stand der Technik 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.
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Demgegenüber wird
beim erfindungsgemäßen Hubgetriebe
durch die Konstruktion bewirkt, dass durch die Erweiterung des kurbelseitigen
Pleuels und insbesondere durch dessen Kröpfung sowie der gesteuerten
Anlenkung durch einen Schwenkhebel, im oberen Totpunktbereich keine
Abwärtsbewegung
des Kolbens aufgrund der Rotationsbewegung der Kurbel um die Drehachse
erzeugt wird, was effektiv über
einen großen
Umdrehungsbereich der Kurbelwelle einen nahezu Stillstand des Kolbens
im oberen Totpunktbereich bewirkt.
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Die
Konstruktion ist besonders vorteilhaft, wenn bei angenommenem vertikalen
Hub des Kolbens in einer Umgebung des oberen Totpunktes die Kurbel
der Kurbelwelle den oberen Wendepunkt durchläuft, insbesondere also der
Winkel zwischen der Kurbel und dem gekröpftem Pleuel 180° durchläuft. Das
erzeugte Drehmoment setzt sich dann zusammen aus einerseits: der
im Zylinder wirkenden, senkrechten Kraftkomponente und andererseits: dem
durch die Kröpfung
verursachten zusätzlichen Moment
um den Anlenkpunkt des Schwenkhebels.
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Bei
einer Drehung der Kurbel aufgrund der Schwungmassenbewegung wird
im Bereich des oberen Wendepunktes wie erwähnt im Wesentlichen ein Stillstand
des Kolbens erzeugt. Hierbei wird die ortsvariable Drehachse, um
die die gekröpfte
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.
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Im
Laufe der Kurbelwellenbewegung werden sich die Strecken zwischen
der Kurbelwellenachse, der Anlenkstelle zwischen Kurbel und gekröpfter Pleuelstange
sowie der Anlenkstelle zwischen der ortsvariablen Drehachse an dieser
Pleuelstange bei zwei diskreten Kurbelwellenorientierungen, die
zu 180° zueinander
angeordnet sind maximal bzw. minimal additiv überlagern. Aufgrund der festen
Anlenkung der Führungsstange
an der erweiterten und insbesondere gekröpften Pleuelstange wird bei
diesen Kurbelwellenorientierungen die Führungsstange und damit die
ortsvariable Drehachse beide Male das Maximum ihrer Auslenkungsmöglichkeit,
insbesondere auf der genannten Kreisbahn erreichen.
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Aufgrund
der signifikanten Verlängerung
des oberen Totpunktbereiches, kann erreicht werden, dass die Verbrennung
eines 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 allgemeinen Stand der Technik, wo ein Kraftstoffgemisch grundsätzlich vor
Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinderhohlraum eingespritzt
wird.
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Es
ist ebenso möglich,
dass die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei
konstantem Druck im Zylinder erfolgt. Zwar ist eine solche Gleichdruckverbrennung
auch schon im allgemeinen Stand der Technik bekannt, konnte jedoch bei üblichen
Motoren mit kurzer oberer Totpunktzeit nur dadurch erreicht werden,
dass auch noch nach der Zündung
des Kraftstoffes, der vor dem oberen Totpunkt in den Zylinder eingespritzt
wurde, mehrfach nacheinander Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt
werden musste, um den Druck im Zylinder durch die nachträgliche mehrfache
Zündung
wieder zu erhöhen,
bzw. quasi konstant zu halten.
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Demgegenüber bietet
der erfindungsgemäße Motor
mit der erheblich verlängerten
oberen Totpunktzeit eine Möglichkeit,
eine zeitlich deutlich verlängerte
quasi kontinuierliche Einspritzphase vorzusehen, wobei der anfänglich eingespritzte
Kraftstoff zunächst
verdampft und zündet
vor dem Kraftstoff, der am Ende des langen Einspritzintervalls im
Zylinder verdampft, wenn der Kolben seine Abwärtsbewegung beginnt bzw. begonnen
hat. Dies bietet insbesondere für
schwer entflammbare Treibstoffe günstigere thermodynamische Bedingungen,
da diese eine längere
Zeit zum Verdampfen und Entflammen benötigen. Daher kann in einem
erfindungsgemäßen Motor
auch Rohöl
als Treibstoff eingesetzt werden.
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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.
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Durch
entsprechende Längenverhältnisse bzw.
Geometrien zwischen den einzelnen Elementen sowie insbesondere der
Kröpfung
des Pleuels und 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.
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Es
kann auch eine, im Wesentlichen durch Verkippung der Kolben-/Zylinderachse
zu den übrigen
Motorelementen, insbesondere der erfinderischen Hebelkonstruktion,
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.
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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 bzw. des Schwenkhebels
z.B. am Motorblock nicht örtlich
fest, sondern ebenfalls örtlich
variabel vorgesehen sein kann. Dies würde bedeuten, dass die Achse,
um die die verlängerte und
insbesondere gekröpfte
Pleuelstange drehbar ist, nicht notwendigerweise nur auf einer Kreisbahn beweglich
ist, sondern sich auch andere Bahnformen einstellen lassen.
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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.
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Eine
deutliche Verlängerung
des oberen Totpunktes über
einen Winkelbereich von beispielsweise 30° der Kurbelwelle kann mit der
erfindungsgemäßen Konstruktion
der den Kolben und die Kurbelwelle verbindenden Pleuelstangen erreicht
werden, so dass gegenüber
dem allgemeinen und auch dem erwähnten,
speziellen 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.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der nachfolgenden Abbildung und den Patentansprüchen beschrieben.
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1:
Gezeigt wird in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Hubgetriebe
für insbesondere
Verbrennungskraftmaschinen, 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, e und b mit einer Kurbelwelle h antriebstechnisch
verbunden. Der Kolben f ist verbunden mit einer an diesem beweglich
angeordneten ersten Pleuelstange e (hier: optional, da hierfür beispielsweise
anwendungsabhängig
auch ein elastisch wirkendes Medium, inbesondere eine Feder Verwendung
finden kann), die wiederum beweglich mit einer zweiten Pleuelstange
verbunden ist, die sich aus den Teilstücken dc und
dd zusammensetzt, so dass die zweite Pleuelstange
einen zweiarmigen Hebel bildet. Die zweite Pleuelstange weist also
eine erweiterte Anlenkstelle auf und ist in vorteilhafter Weise
zusätzlich
signifikant gekröpft;
sie 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 dc 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.
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In
der dargestellten Ausgangssituation der 1 ist die
Anordnung derart gewählt,
dass der Winkel α zwischen
der ersten Pleuelstange e und dem Hebelelement dd der
zweiten Pleuelstange etwa 125° beträgt und dieser
Winkel im weiteren Bewegungsablauf variiert und nahezu auch 90° einnehmen
kann, wobei das verlängerte
und insbesondere gekröpfte
Pleuel in sich einen Winkel β ausbildet,
der erfindungsgemäß konstant
und hier etwa ebenfalls ca. 125° beträgt (dto.
Spiegelbild). 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.
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Bei
der gezeigten Darstellung in der 1 handelt
es sich um die Stellung eines Bereiches um den oberen Totpunkt OT
des Kolbens f. Die OT – Stellung
selbst ist gestrichelt dargestellt. Gut erkennbar ist, dass sich
der Gelenkpunkt um den Winkel α in
diesem Bereich praktisch nicht bewegt und somit in diesem Bereich
ein Stillstand des Kolbens erzielt wird.
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Die
Bewegung der zweiten Pleuelstange, bestehend aus den einzelnen Teilelementen
dc und dd, ist genau
genommen eine Überlagerung
aus einer Schubbewegung und einer Rotationsbewegung um die Drehachse
k, die am Ende der Führungsstange bzw.
des Schwenkhebels a ausgebildet ist. Die 1 zeigt
hierbei eine Momentaufnahme, bei der die Bewegung der zweiten Pleuelstange
lediglich aus einer Rotation, nicht jedoch auch aus einer translatorischen
Schubbewegung besteht.
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Diese
Situation tritt ein, wenn aufgrund der Kurbelwellendrehung sich
die Längen
und Winkel der an der Kurbelwelle angeordneten Kurbel b und des Teilstückes dc der zweiten Pleuelstange maximal oder minimal
additiv überlagern.
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Bei
der gemäß 1 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 dd der zweiten Pleuelstange übertragen
wird, woraufhin die zweite Pleuelstange eine Rotation um die Drehachse
k vollzieht und eine maximal übertragene Kraft
in Pfeilrichtung i auf die Kurbel b der Kurbelwelle h wirkt. 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.
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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 1. 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.
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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.
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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.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor
kann das Maximum des Drehmomentverlaufs z.B. bereits nach 44° 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.
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Ein
erfindungsgemäßer Motor
kann dementsprechend mehr als 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 eine weichere Verbrennung, d.h. nahezu
eine Gleichraumverbrennung, da während
der gesamten Verbrennungsdauer das Zylindervolumen im oberen Totpunktbereich
nahezu konstant bleibt.
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Der
erfindungsgemäße Motor
kann mit Dieselöl,
Gas oder anderen, auch minderwertigen Treibstoffen betrieben werden.
Eine Ausführung
als Viertakt-Motor ist ebenfalls möglich. Anwendungsbedingt kann
auf den Kolben und die Pleuelstange verzichtet werden und stattdessen
ein elastisches Medium, insbesondere eine Feder zum Einsatz gelangen.
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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.
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Durch
die konstant-volumige Verbrennung im oberen Totpunktbereich ergibt
sich in einem Druck-Volumen-Diagramm (pv) der typische Verlauf eines
theoretischen Ottoprozesses, selbst wenn der erfindungsgemäße Motor
als Dieselaggregat betrieben wird.
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Auch
können
beispielsweise Wandwärmeverluste
in Höhe
von ca. 20% vermieden werden, die bei konventionellen Maschinentypen
im weit geöffneten
Expansionsraum auftreten, nicht mehr in Druckenergie umgesetzt werden
und somit dem eigentlichen Kreisprozess verlorengehen.
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Dagegen
resultiert aus der „vollkommenen Verbrennung" bereits im oberen
Totpunkt der erfindungemäßen Verbrennungskraftmaschine
eine wesentlich größere Druckenergie
zur Umwandlung in mechanische Nutzleistung, da die beteiligten Wärmeübertragungsflächen sehr
viel kleiner gehalten sind.
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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.
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Alternativ
zu der Möglichkeit
einer Gleichraumverbrennung gilt für eine erfindungsgemäße Gleichdruckverbrennung:
Durch eine verlängerte Einspritzphase
kann der Druck im Kolben durch die zeitlich nacheinander erfolgende
Verdampfung und Entflammung eines Kraftstoffes im Zylinder trotz
einer Abwärtsbewegung
des Kolben konstant gehalten werden kann, was einen Vorteil bei
der Verwendung schwer entflammbarer Kraftstoffe darstellt.
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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 ist typisch, dass konventionelle Motoren bereits vor Erreichen
des oberen Totpunktes Kraftstoff in das Zylindervolumen eingespritzen
und zur Zündung bringen.
Dementsprechend ergibt sich eine signifikante freigesetzte Wärmeenergie,
die eine Zylinderinnendruckerhöhung
erzeugt, welche als Kraft dem in Richtung oberen Totpunkt strebenden
Kolben entgegenwirkt.
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Demgegenüber ergibt
sich erfindungsgemäß ein typischer
Verbrennungsmotor, der 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.
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Die
Energieausnutzung bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist dementsprechend
deutlich effizienter als bei einem vergleichbaren konventionellen
Motor. Eine besonders gute Verlängerung
des oberen Totpunktes bzw. Drehmomentverlaufes ergibt sich bei einem
Längenverhältnis der Pleuelstangen
e, dc, dd bzw. der
Kurbel b und der Führungsstange
a für folgende
Werte: e : dc : dd :
a : b = 8 : 8 : 4 : 6 : 3. Bei dieser Wahl oder nur geringen Abweichungen
kann ein sehr guter Totpunktbereich der Kurbelwellendrehung bzw.
Drehmomentenverlauf erreicht werden.
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Insgesamt
ergibt erfindungsgemäßes Hubgetriebe
einen praktikablen und effektiven Mechanismus für die Realisierung von insbesondere
Verbrennungskraftmaschinen.