DE102006019791B4

DE102006019791B4 - Kolbenmotoren in Modul-Elemente-Bauweise mit der kettenartigen Struktur

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Publication number: DE102006019791B4
Application number: DE102006019791A
Authority: DE
Inventors: Oleg Tchebunin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-18
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2026-04-29
Also published as: DE102006019791A1

Abstract

Eine Mehrzylinder-Kolbenkraftmaschine in einem Zweitaktprozess mit allen üblichen bedienenden Einrichtungen wobei sie eine kettenartige Modul-Struktur hat, ein gemeinsames Kurbelwellen-Modul (V₁ und V₂), und auch aus aufeinanderfolgenden Modulen A₁, B₁, C₁ ... A₂, B₂, C₂ ... besteht, wobei
– jeder der Module ist ein Rohrstück (2) mit einer Trennwand (6) in der Mitte und zwei mittels Stange (5) miteinander verbundenen Kolben (3) von beiden Seiten der Trennwand innehält, so dass miteinander verbundene Rohrstücke jeweils zwei Arbeitskammer bilden, und damit die Möglichkeit bieten einige Module bei Bedarf aus dem Arbeitsprozess auszuschalten,
– die Rohrstücke zusammen ein steifes Rohr entstehen lassen, das besonders geeignet ist als tragendes Element,
– für eine Ein- und Ausschaltung der Module einige Anschlussmechanismen dienen, die aus Stangen (7) und Bajonettverschlüssen (10) bestehen und im Inneren der Rohrstücke (2) untergebracht sind, so dass, von dem Endschaltmechanismus (1) die Kolbenstange (5) angetrieben, verbunden oder voneinander getrennt werden,...

Description

Die im Verkehrswesen und in der Luftfahrt gebräuchlichsten Antriebsanlagen sind heute die Kolbenmotoren oder Gasturbinen. Beide Typen haben Grenzen und Nachteile. Gasturbinen haben hohe Leistungswerte aber ungünstige Wirkungsgrade und daher hohen Kraftstoffverbrauch. Kolbenmotoren haben diskontinuierliche Arbeitsprozesse und dadurch beschränkte Drehzahlbereiche. Die Leistungsmasse der herkömmlichen Kolbenmotoren (1,5–4 kg/kW), bedingt durch den raumraubenden und schweren Kurbelwellen-Mechanismus samt umschließendem Gehäuse und mechanische Reduzier-Getriebe oder Transmission zum Verbraucher, ist zu schwer trotz der besten Kennwerte in Sachen Verbrauch für ein modernes Kleinflugzeug, besonders für Senkrechtstarter. Doch die Möglichkeiten des Arbeitsprozesses beim Kolbenmotor sind bei weitem nicht voll ausgeschöpft.
Eine neue Möglichkeit bieten die Mehrkolbenmaschinen mit Modulcharakter (Baukastenprinzip). Diese Struktur bietet die Chance eines kettenartigen Aufbaus mit der Möglichkeit, einige Module bei Bedarf auszuschalten. Die kettenartige Struktur bedeutet nicht in Reihe, wie man üblicherweise das Baukastenprinzip versteht, nicht in „V"-Form oder als Boxer, sondern in Reihe hintereinander angeordnet. Diese Flexibilität erhöht die Wirtschaftlichkeit der Anlage und könnte bei Bedarf auch in anderen Wirtschaftbereichen Verwendung finden.
Die kettenartige Struktur erhält die Form eines steifen Rohres und ist besonders geeignet als tragendes Element in der Vorderkante des Flugzeugflügels.
Diese modulartige Antriebsanlage erlaubt auch den Einsatz von Hydropumpen und somit die Befreiung vom Zwang des Online-Betriebes: Getriebe – Transmission – Verbraucher (Rad, Rotor, Propeller).
Das Bild 1 zeigt eine Mehrzylinder- Kolbenkraftmaschine im Modulprinzip. Die Module A₁, B₁, C₁ ... und A₂, B₂, C₂ ... sind konstruktiv ähnlich bloß mit einer Trennwand (6) versehen. Mittig sitzen die beiden Wandlermodule V₁ und V₂ (Pleuelstange und Schwungrad). Die einzelnen Module sind Rohrstücke (2) mit 2 Brennkammern und einer Flanschverbindung zum nächsten Modul.
Zwei Kolben (3) sind in beiden Hälften der Zylinder durch einen Mittelstab (5) mit Bajonettverschluss (10) am Endstück miteinander verbunden. Es ist das Prinzip eines Zweitaktmotors angewandt: mit Einlass- und Auslassöffnungen (9 und 8), Einspritzanlage (20) und Zündkerzen (19). Zum Ein- und Ausschalten dienen Endmechanismen (1), die mittels Stangen (7), Bajonettverschlusse (10) und Mittelstäbe (5) trennen und/oder verbinden.
Die Modulkette besitzt auch eine Kühlung (4), Auspuff- und Lufteinladungskollektoren (17 und 16) sowie eine Vorverdichtungsanlage (21) zur Leistungserhöhung.
Die beiden Kurbelwellenmodule V₁ und V₂ haben zusätzlich die Funktion von Synchronisation und Massenkräfteausgleich.
Eine Abänderung der Konstruktion durch den Einsatz einer gemeinsamen Leistungswelle (22), eines Kupplungsmechanismus (23, 24 und 25) und einer Synchronisationseinrichtung (26) ist in Bild 2 unter dem Kürzel W zu sehen.
Der Hauptvorteil dieser Anlage besteht darin, dass die Ein- Ausschaltung einzelner Module die stufenartige Erhöhung (oder Abnahme) der Höchstleistung der Kraftmaschine ermöglicht, was bei Senkrechtstartern von höchster Bedeutung ist.
Ein weiterer Vorteil ist die Konstruktionsart in Längsorientierung, d. h. als Rohr; dies erlaubt auch die Verwendung als Teil der tragenden Konstruktion des Fluggeräts im Rumpf oder Flügel.
Bild 2 zeigt eine Mehrzylinder- Kolbenkraftmaschine im Modulprinzip, die statt eines Doppel-Kurbelwellenmechanismus ein Modul mit Zahnstangengetriebe hat. Die Zahngleitschienen (11 und 25) sind mit den Stäben (5) des Moduls A₁, B₁, C₁... A₂, B₂, C₂ verbunden. Die Pendelbewegungen der Schienen sind durch das Ritzel (12) und Leitnute (26) synchronisiert. Die Zahngleitschienen übertragen die Leistung auf beide Triebräder (15) und weiter auf die Welle (18) mittels zwei weiteren Ritzels (13 u. 23) und durch mit ihnen verbundenen Friktionswalzen (22 u. 24), die nacheinander in der Frequenz des Arbeitstaktes mit den Reibungsstreifen der Triebräder (15) in Kontakt treten, und den Kontakt mit den Reibungsstreifen lösen, wenn die Kreisgeschwindigkeit des Streifens die Kreisgeschwindigkeit der Friktionswalzen (22 u. 24) übertrifft. So eine Möglichkeit entsteht dank der schaukelnden Achsaufhängung des Ritzels (13 u. 23). Der Federumschalter (27) ermöglicht nur zwei Stellungen den Friktionswalzen (22, 24) – die Arbeitsteilung, wenn die Walze durch die Zahngleitschienen (11, 25) zu dem Reibungsstreifen zugedrückt ist, und die Neutralstellung, wenn die Zahngleitschienen (11, 23) ihre Bewegungen vor den Stopp anhalten und dann zurückrücken. Wenn die Zahngleitschienen (11 und 25) entgegenkommen, ist die obere Friktionswalze (22) zugepresst und bewegt die Triebräder (15); die untere Friktionswalze (24) ist dabei in Neutralstellung. Bei dem Auseinanderrücken der Zahngleitschienen (11 u. 25) leistet die untere Friktionswalze (24) die Arbeit, die obere (22) ist jedoch in Neutralstellung.
Die Neutralstellung bedeutet, dass die Walzen (22, 24) nach wie vor von den Zahngleitschienen (11, 25) betrieben sind. Sie sind nur nicht in Kontakt mit den Triebrädern (15), aber sie beteiligen sich bei der Zuordnung der Spülpause mit ihren Massenkräften.
Die Abstimmung der Federumschalter führt man durch Reglerschraube (14) aus.
In dieser Ausfuhrvariante der Übertragungsmechanismen hängt die Dauer der Abspülphase und der Frischluftbeladung von dem Moment der Treibstoffeinspritzung ab, wie auch von den Trägheitsmomenten der Friktionswalzen (22, 24) und der beweglichen Teilens der Maschine.
Der Luftdruck der Vorverdichteranlage (21) des Laders seinerseits verbessert die Spüleffektivität.
Die Manipulation mit diesen Wertgrößen ermöglicht es eine Abstimmung der nötigen Dauer der Abspülphase zu erlangen.
In diesem konstruktiven Schema ist eine erheblicher Gewinn bei Gewicht und Abmessungen möglich. Durch das entsprechende Verhältnis des Scheiben- und Walzendurchmessers ist auch eine Auswahl der Reduziergrad möglich.
Das Bild 3 zeigt die Konstruktion einer Mehrzylinder-Kolbenkraftmaschine im Modulbauweise, die statt Kurbelwellenmechanismus ein Hydropumpenmodul P hat. Diese Anordnung macht Sinn, wenn als Kraftübertragung ein Hydrogetriebe vorgesehen ist. Ein Hydrogetriebe, das eine Hydropumpe, ein Hydromotor und ein Speicher als Bestandteile hat, ebnet die Unregelmäßigkeiten des Kolbenmotors und dient gleichzeitig als Reduziergetriebe bei der Verwendung der Kraftmaschine in einer Antriebsanlage.
Die weiteren Einsparungen beziehen sich auf Verzicht von Kurbelwellenmechanismus samt seinem Gehäuse. Hier könnte man sich auch an eine günstigere, als bei den herkömmlichen Kolbenmotoren, Lösung der Probleme der Spülungsphase wagen. Dann braucht man hier nicht unbedingt den sperrigen Kurbelwellenmechanismus, der für die gleichmäßige Rotation sorgt und die Spülungsdauer reguliert. Ein kurzzeitiger Anhalten/Festhalten des Kolbens bei geöffnetem Ventil zur Entsorgen der Abgase in dem einen Teil des Moduls trotz Kompressionsdruck in der Brennkammer des zweiten Teiles und zeitgemäßes Einspritzen des Treibstoffes dorthin stellt die Lösung dar. Mit dem Einspritzen des Treibstoffes beginnt der Verdrängungsprozess, und unter seiner Wirkung erfolgt die Befreiung vom Festhaltemechanismus. So entsteht ein modulstrukturierter Kolbenmotor in Freiflugkolbenbauart, der frei ist von Schwierigkeiten bei den Spülungsprozessen.
Durch den Rhythmus und die Menge der Einspritzung erfolgt auch die Regulierung der Leistung.
Modulstrukturierten Kolbenmotor in denen der Kurbelwellenmechanismus fehlt, bilden Systeme mit Freiflugkolben, wenn diese auch miteinander verbunden sind. Dieses Kolbenmotorart ist aus den Patentanmeldungen bekannt (s. WO 85/039791 A1 oder DE 3029287 A1 , DE 3327334 A1 ). Aber für das Problem der ordentlichen Spülung der Arbeitskammer in diesen Patentanmeldungen wurde keine Lösung gefunden. Lediglich die DE 3109908 A1 zeigt eine Schwingungskolbenmaschine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mehrzylinder- Kolbenkraftmaschine bereitzustellen, deren Leistungsabgabe und Laufruhe verbessert ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
Die im Bild 3 dargestellte Anlage besteht aus Zylinder-Kolben-Modulen A₁ und A₂, Hochdruckpumpe P und Festhaltemodulen F₁ und F₂. Die Zylinder-Kolben-Module sind oben beschrieben. Die Festhaltemodule F₁ und F₂ besitzen eine kräftige Feder (31) und Kugelschnappschlösser mit Kugeln (32), die dem starken Druck der Kompression widerstehen können. Bei einem Arbeitsgang befindet sich die Feder (31) in angespanntem Zustand, die Kolbenstange (30) ist in Bewegung, und zu einem gegebenen Zeitpunkt können die Festhaltekugeln (32) der Vertiefung (33) der Kolbenstange (30) entweichen und die Feder (31) freigeben. Die Feder (31) wiederum drückt die Kolbenstange (30) weiter fort bis zu dem Punkt, bei dem der Kräfteausgleich von der Feder (31) und dem Komprimierungsdruck im zweiten Teil des Moduls erfolgt. So gewährleistet das Festhaltemodul den vollständigen Abspülprozess.
Bei der Treibstoffeinspritzung überwinden die Kolben die Wirkung der Feder (31) unter dem entstehenden Gasdruck, spannen die Feder (31) erneut an, und die Kugeln (32) rasten in ihre Vertiefung (33); der neue Prozess kann losgehen.
Das Modul P hat einen starren Körper aus Gussstahl und beherbergt außer Zylinder-Kolben-Paare auch Vertiefungen für die Ansaugventile (36), die Druckventile (43) und die Stopfbüchsen (35). Das Umführungsventil (42) und der Umstellungsantrieb (41) ermöglichen ein Anlaufen der Maschine auch bei leerer Saugleitung. Das Sammelbecken (38) und der Speicher (39) samt Leitungen stellen die Verbindung zum äußeren hydraulischem Netz dar.
Der Nachteil der beschriebenen Anordnung der Module besteht in der Tatsache, dass die Anlage beim Arbeiten eine Unwucht erzeugt wegen der Unbalance der bewegten Teile, was natürlich dem Einsatz im Verkehrswesen oder in der Luftfahrt entgegenstehen.
Bild 4 stellt eine Lösung des Problems durch Hinzufügen eines Zahnstangegetriebes dar. Die Zahnstange (45) verbindet die Kolbenstangen (44) und (48) von Modulen (A₁) und (A₂) und dient der Verschiebung der Gewichte (47) in Gegenrichtung zur Kolbenbewegung.
Die Anordnung erlaubt die freie Auswahl der Anzahl der Zylinder-Kolben-Module, aber auch ein Zylinder-Kolben-Modul mit den beiden Festhaltemodulen.
Es gibt die größere Freiheit in der Auswahl der Durchmesser/Schub-Verhältnis beim Projektieren dieser Rohr-Motoren als bei herkömmlichen Kolbenmotoren, denn sie können nicht belastet werden durch den Kurbelwellenmechanismus. Das erweitert den Bereich ihrer möglichen Verwendung und erlaubt die Optimierung ihrer Leistungscharakteristiken.
Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass es sich hier um bekannte Herstellungstechnologien für Kolbenmotoren und Hydrogetriebe handelt.

Claims

Eine Mehrzylinder-Kolbenkraftmaschine in einem Zweitaktprozess mit allen üblichen bedienenden Einrichtungen wobei sie eine kettenartige Modul-Struktur hat, ein gemeinsames Kurbelwellen-Modul (V₁ und V₂), und auch aus aufeinanderfolgenden Modulen A₁, B₁, C₁ ... A₂, B₂, C₂ ... besteht, wobei – jeder der Module ist ein Rohrstück (2) mit einer Trennwand (6) in der Mitte und zwei mittels Stange (5) miteinander verbundenen Kolben (3) von beiden Seiten der Trennwand innehält, so dass miteinander verbundene Rohrstücke jeweils zwei Arbeitskammer bilden, und damit die Möglichkeit bieten einige Module bei Bedarf aus dem Arbeitsprozess auszuschalten, – die Rohrstücke zusammen ein steifes Rohr entstehen lassen, das besonders geeignet ist als tragendes Element, – für eine Ein- und Ausschaltung der Module einige Anschlussmechanismen dienen, die aus Stangen (7) und Bajonettverschlüssen (10) bestehen und im Inneren der Rohrstücke (2) untergebracht sind, so dass, von dem Endschaltmechanismus (1) die Kolbenstange (5) angetrieben, verbunden oder voneinander getrennt werden, – die Modulkette auch die Kurbelwellen-Module (V₁ und V₂) einschlisst, die eine Zahnverbindung (14 und 15) haben, dadurch gekennzeichnet, dass Festhaltemodule (F₁ und F₂) eingesetzt sind, die Kugelschnappschlösser (32, 33, 40) und die kräftige Feder (31) haben, die die anlaufenden Kolben aufhalten, diese weiter in Richtung der unteren Totpunkte schieben und sie in der Spülungsstellung in einem Teil der Module trotz dem Kompressionsluftdruck im zweiten Teil der Module anhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stelle der Kurbelwellen-Mechanismen ein Zahnstangengetriebe vorgesehen ist, das – aus den beiden Zahngleitschienen (11 und 25) und einem Ritzel (12) besteht, – eine weitere Leistungsübertragung durch die beiden weiteren Ritzel (13 und 23) erfolgt, die auch mit Zahngleitschienen (11 und 25) im Zahnverbindung stehen, und mit ihnen verbundene Friktionswalzen (22, 24) nacheinander in der Frequenz des Arbeitstaktes mit den Reibungsstreifen der Triebräder (15) in Kontakt bringen, so dass, wenn sich die Zahngleitschienen entgegenkommen, die oberen Friktionswalzen (22) zugepresst sind und die Triebräder (15) bewegen, die unteren Friktionswalzen (24) sind dabei in der Neutralstellung, und bei dem Auseinanderrücken der Zahngleitschienen die unteren Friktionswalzen (24) der Arbeit leisten, die oberen (22) jedoch sind in der Neutralstellung. – eine Umstellung der Walzen (22, 24) durch einige Federumschalter (27) erfolgt, die sich durch die Reglerschraube (14) abstimmen lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die modulartige Struktur der Kraftmaschine die Einschaltung von Hydropumpen (P) in seine Modulreihe ermöglicht, wobei eine Kraftmaschine mit Freiflugkolben und Hydrogetriebe entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass um eine Unbalance der beweglichen Massen bei der Arbeit der Anlage auszuschließen ein zusätzliches Modul (U) angewendet wird, bei denen eine Zahnstange (45) die Kolbenstangen (5) des Moduls verbindet und für die Verschiebung der Balanciergewichte (47) in Gegenrichtung zur Kolbenbewegung.