DE102004045863A1

DE102004045863A1 - Hubgetriebe, für insbesondere Verbrennungskraftmaschinen

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Publication number: DE102004045863A1
Application number: DE200410045863
Authority: DE
Inventors: Klaus Zimmer; Helmut Obieglo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2006-03-23

Abstract

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 Geradführung, insbesondere Kreuzkopfführung, um eine ggf. ortsvariable Achse drehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hubgetriebe, für insbesondere 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 Geradführung, insbesondere Kreuzkopfführung, um eine ggf. ortsvariable Achse drehbar ist.
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.
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.
Weitere Realisierungen von Hubgetrieben für insbesondere Verbrennungsmotoren stellen die sogenannten Kreuzkopf-Ausführungen dar. Hier liegt der Zweck dieser Anordnungen hauptsächlich darin begründet, das Pleuel und den Kolben frei von Querkräften zu halten. Dies geschieht mit speziellen und bekannten Geradführungseinrichtungen, insbesondere mit einem Gleitschuh.
Da hier erfindungsgemäß beide zuvor skizzierten Getriebearten tangiert werden, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei einem Hubgetriebe der eingangs genannten Arten, 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. Außerdem soll die Führungscharakteristik der beteiligten Bauteile optimiert werden, insbesondere eine Kreuzkopf-Steuerung vorgesehen werden.
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. Außerdem sieht die Erfindung statt des Schwenkhebels eine Kreuzkopfführung (Geradführung) vor. Letztere Maßnahme spart Bauraum und lässt sich auf vielfältige Art und Weise praktisch realisieren.
Bei erfindungsgemäßem Hubgetriebe ist die gekröpfte Pleuelstange durch Anlenkung an einer drehbeweglich gelagerten Geradführung um eine ortsvariable Achse zumindest in einem bestimmten Winkelbereich drehbar.
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.
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.
Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Hubgetriebe durch die Konstruktion bewirkt, dass durch die Erweiterung des kurbelseitigen Pleuels und insbesondere auch durch eine Kröpfung sowie der gesteuerten Anlenkung durch einen Kreuzkopf, 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.
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 ungleich, aber in der Nähe von 180° durchläuft. Das erzeugte Drehmoment setzt sich dann zusammen aus einerseits: der im Zylinder wirkenden, senkrechten Kraftkomponente und andererseits: dem durch die Verlängerung, insbesondere der Kröpfung, verursachten zusätzlichen Moment um den Anlenkpunkt des Schwenkhebels.
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 Geradführung, auf einer definierten Bahn verschoben. Es ist möglich, durch die Art der Anlenkung, z.B. am Motorblock, auch unterschiedliche Bewegungen 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 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 Führung an der erweiterten und insbesondere gekröpften Pleuelstange wird bei diesen Kurbelwellenorientierungen die Führung und damit die ortsvariable Drehachse beide Male das Maximum ihrer Auslenkungsmöglichkeit, insbesondere auf der genannten Geradbahn erreichen.
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.
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.
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 z.B. Rohöl als Treibstoff eingesetzt werden.
Aufgrund der gegebenen Konstruktion der signifikanten Verlängerung des oberen Totpunktbereiches entspricht das PV-Diagramm (P = Druck, V = Volumen) des erfindungsgemäßen Motors, sofern er als Dieselmotor betrieben wird, dem eines Ottomotors.
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.
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.
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 Platzierung hinausgehend auch das Ausmaß einer gegebenenfalls verstellbaren Bewegungsbahn berücksichtigt werden kann. Eine Verstellbarkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Anlenkung der Führung, 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 Geradbahn 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 einer 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 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.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind allgemein in der nachfolgenden 1 und speziell in den nachfolgenden 2 und 3 sowie den anschließenden Patentansprüchen beschrieben.
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, c 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, insbesondere eine Feder Verwendung finden kann), die wiederum beweglich mit einer zweiten Pleuelstange verbunden ist, die sich aus den Teilstücken d_c und d_d zusammensetzt, so dass die zweite Pleuelstange einen zweiarmigen Hebel bildet. Die zweite Pleuelstange weist also eine erweiterte Anlenkstelle auf und kann in vorteilhafter Weise zusätzlich signifikant gekröpft werden; sie ist ihrerseits beweglich an einem Kreuzkopf a angelenkt, der wiederum beweglich, z.B. am Motorblock oder einem anderen festen Gehäuseelement n, angeordnet ist. Das zweite Hebelelement d_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 1 ist die Anordnung derart gewählt, dass der Winkel α zwischen der ersten Pleuelstange e und dem Hebelelement d_d 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.
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 durch einen Kreis 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.
Die Bewegung der zweiten Pleuelstange, bestehend aus den einzelnen Teilelementen d_c und d_d, ist genau genommen eine Überlagerung aus einer Schubbewegung und einer Rotationsbewegung um die Drehachse k, die am Ende des Kreuzkopfes a ausgebildet ist. Die 1 zeigt hierbei eine Momentaufnahme, bei der die Bewegung der zweiten Pleuelstange vornehmlich aus einer Rotation, sekundär jedoch auch aus einer translatorischen Schubbewegung besteht.
Diese Situation tritt ein, wenn aufgrund der Kurbelwellendrehung sich die Längen und Winkel der an der Kurbelwelle angeordneten Kurbel b und des Teilstückes d_c der zweiten Pleuelstange maximal oder minimal additiv überlagern.
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 d_d 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 Pleuelstange im Drehpunkt k an dem beweglich gelagerten Kreuzkopf a ergibt sich eine Bewegung der ortsvariablen Drehachse k auf einer (hier vorteilhaften) Geradbahn. Erfindungsgemäß besteht dabei ein Achsenversatz v_ah zwischen Kurbelachse h bzw. dem Anlenkpunkt k respektive a und dem Kraftangriffspunkt eines angeschlossenen Potenzialgebers (insbesondere Gasdruck oder Federkraft), hier ausgeführt mittels des Verbindungspleuels e.
Über einen, ggf. zusätzlichen, Achsenversatz v_e der Zylinderachse von g kann einerseits die Kolbenseitenkraft eingestellt und andererseits der Kraftlinienverlauf vorteilhaft definiert werden.
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. 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 etwa 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 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.
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.
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.
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 in einem Druck-Volumen-Diagramm (PVD) der typische Verlauf eines theoretischen Ottoprozesses, selbst wenn der erfindungsgemäße Motor als Dieselaggregat betrieben wird.
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 verloren gehen.
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.
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.
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.
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 einspritzen 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.
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.
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, d_c, d_d bzw. der Kurbel b und der Führungsstange a für folgende Werte: e:d_c:d_d:a:b = 10:10:8:4:4. Bei dieser Wahl oder nur geringen Abweichungen kann ein sehr guter Totpunktbereich der Kurbelwellendrehung bzw. Drehmomentenverlauf erreicht werden.
Darüber hinaus ergeben sich weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung, wenn bestimmte Parameter des Getriebes in definierter Weise gewählt werden, wie nachfolgend beschrieben:
2:
Gezeigt ist die Ortskurve des Punktes B des Getriebes als Funktion des Kurbelwinkels, in positiver und negativer Drehrichtung. Auffällig ist, dass bei jeweilig gleichem Drehwinkelbetrag auch die gleichen, senkrechten Distanzen bzw. Hübe s zurückgelegt werden. Erreicht wird dies insbesondere durch die Wahl der Längenverhältnisse von v_a,h zu d_c, hier nämlich etwa 1:3.
3:
Gezeigt wird die Ortskurve des Punktes B des Getriebes als Funktion des Kurbelwinkels, in positiver und negativer Drehrichtung. Auffällig ist, dass bei jeweilig gleichem Drehwinkelbetrag hier nicht die gleichen, senkrechten Distanzen bzw. Hübe s zurückgelegt werden. Erreicht wird dies insbesondere durch die Wahl der Längenverhältnisse von v_a,h zu d_c, hier dann nämlich etwa 1:2.
Durch diese gezielte Variation dieser Hauptparameter lassen sich somit anwendungsbedingt sehr effektvolle Eigenschaften des Getriebes definieren.
Insgesamt ergibt erfindungsgemäßes Hubgetriebe einen praktikablen und effektiven Mechanismus für die Realisierung von insbesondere Verbrennungskraftmaschinen.

Claims

Hubgetriebe, für insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, mit einer Kurbel oder einem Exzenter b einer Kurbel- bzw. Exzenterwelle h und einem Pleuel d, welches drehbeweglich in Antriebsverbindung mit der Kurbel bzw. dem Exzenter steht und gleichzeitig in einem Bereich um einen Gelenkpunkt k abseits der Kurbel bzw. des Exzenters an einem Kreuzkopf a beweglich befestigt ist, wobei letzterer ortsfest oder variabel festsetzbar an einem Gehäuse im Punkt n angelenkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Pleuelabschnitt d_c an dem der Kurbel oder dem Exzenter abgewendeten Abschnitt um einen Bereich k über den Bereich dieses, mit dem Kreuzkopf gemeinsamen, Gelenkes hinausgehende Verlängerung d_d aufweist.
Hubgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung d_d in einem Winkel β < 180 ° gekröpft ist.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β im Wesentlichen im Bereich um 125° ausgeführt ist.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass. an dem Pleuelabschnitt d_d, im Bereich um den Punkt B, ein weiteres Pleuel e angreift, welches mit einem Kolben f in Antriebsverbindung steht, wobei der Kolben f dann in einem Zylinder g insbesondere geradgeführt ist.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass. an dem Pleuelabschnitt d_d, im Bereich um den einen Endpunkt B, die Kraft eines elastischen Mediums, insbesondere Feder, angreift.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkel α im Bereich um den oberen Totpunkt OT im Bereich um 80° bis 130° ausdehnt.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenverhältnisse von v_a,h zu d_c insbesondere im Bereich von 1:1,5 bis 1:4 ausgeführt sind.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Winkel die Kolben-/Zylinderachse bezüglich der übrigen Getriebeteile verkippbar ist, wodurch insbesondere die Verweildauer des Kolbens im oberen Totpunkt einstellbar ist.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich des oberen Totpunktes über einen Drehwinkel der Kurbelwelle von wenigstens 20° erstreckt.
Hubgetriebe nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verhältnisse von e:d_c:d_d:a:b zueinander im Wesentlichen wie 10:10:8:4:4 ausgebildet sind.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Zylindervolumen erfolgt.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Druck im Zylinder erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff bzw. das Kraftstoffgemisch erst beim oder nach Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinder eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb des Motors als Dieselmotor dessen pv-Diagramm dem eines Ottomotors entspricht.