DE102006024321A1

DE102006024321A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102006024321A1
Application number: DE102006024321A
Authority: DE
Inventors: Mehdi Nabhani
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-11-29

Abstract

Technisches Problem der Erfindung = technische Aufgabe und Zielsetzung Der Verbrennungsmotor, welcher heutzutage weitgehend verwendet wird, wird bisher angetrieben über einen Kolben, welcher durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Gasgemisches eine translatorische Bewegung erfährt. Diese translatorische Bewegung wird über einen Pleuel, welcher mit einem Bolzen befestigt ist, zu einer rotatorischen Bewegung einer Kurbelwelle umgewandelt. Die Anzahl der verwendeten Maschinenteile, insbesondere die Lager, sowie der voneinander unabhängig bewegten Maschinenteile führen zu einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades des Verbrennungsmotors. Weiterhin lässt die Größe des Verbrennungsmotors insbesondere bei Fahrzeugen nur wenig Spielraum für zusätzliche notwendige Aggregate, welche kostenspielig klein entwickelt werden müssen. Ziel der Erfindung ist es, durch eine verbesserte Kinematik die Anzahl der Maschinenteile und der voneinander unabhängig bewegten Maschinenteile zu verringern, um die Energie effizienter nutzen zu können. Dadurch entsteht ferner die Möglichkeit einer Verkleinerung des Verbrennungsmotors, wodurch kostengünstiger, weil größere, zusätzliche Aggregate verwendet werden können. Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe Das Kraftstoff-Gasgemisch wird bei der vorliegenden Erfindung dazu genutzt, eine pendelförmige Bewegung eines Maschinenelementes zu erzeugen, welche durch eine Vorrichtung in eine rotatorische Bewegung umgewandelt wird. Es werden ...

Description

Stand der Technik
Der Verbrennungsmotor in Bauform eines Zylinder-Reihenmotors oder -V-Motors hat sich in der Industrie durchgesetzt und wird als Otto- sowie Dieselmotor hergestellt. Der Wankelmotor findet sich nur in begrenzten Serien wieder, hat jedoch einige Probleme, z.B. wegen seiner Anzahl an Dichtelementen und da in der Standardausführung immer ein Arbeitsraum während der 4-Takte nicht durch frisches Gasgemisch gekühlt wird.
Die Entwicklungen gehen dahin, die Otto- und Dieselmotoren zu verbessern, d.h. in Richtung leistungsfähigere und verbraucharme Motoren, sowie die Vorteile der Otto- und Dieseltechnologie zu vereinen. Die Kinematik und Mechanik der Motoren wurde bisher nur ergänzt, jedoch nicht grundlegend geändert. Es handelt sich um das Kolbenprinzip, wobei ein Kolben in einem Zylinder mit einer angebrachten Decke durch den Zylinderkopf einen Arbeitsraum bildet und diesen zum Brennvorgang nutzt (Ansaugen – Verdichten – Verbrennen – Abgasausstoß). Durch einen Kurbeltrieb wird die translatorische Bewegung des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt. Hierbei ist für jeden Kolben ein eigener Kurbeltrieb nötig, wobei der Kolben normalerweise über einen Pleuel zur Kurbelwelle verbunden wird. Hierbei wird unabhängig von Reihen- oder V-Bauweise des Motors eine relativ komplizierte Kurbelwelle benötigt.
Beim Wankelmotor führen die entstehenden Gaskräfte zu einer direkten Drehung des Kreiskolbens, jedoch werden mehrere Wellen benötigt, welche das Drehmoment an die Abtriebswelle weiterleiten.
Problem
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Funktionsweise des Verbrennungsmotors zu vereinfachen um den Gesamtwirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsmotors zu verbessern. Die wichtigste Aufgabe besteht darin, die Vielzahl der benötigten Maschinenelemente sowie die Anzahl der während des Arbeitsablaufes des Verbrennungsmotors von einander unabhängig bewegenden Maschinenelemente, welche benötigt werden um aus einer Gaskraft eine mechanische und vor allem rotatorische Bewegung zu erhalten, und außerdem noch die Größe des Motors zu reduzieren.
Lösung
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Es werden nach diesem Konzept keinen Pleuel mehr mit Lagern zwischen Kolben und Kurbelwelle benötigt. Im besten Fall wird nur eine einzelne Kurbelschwinge benötigt um die pendelnde Drehbewegung in eine voll kreisende Drehbewegung umzuwandeln.
Erreichte Vorteile
Eine Reduzierung der Maschinenelemente, vor allem durch die Umwandlung der Gaskräfte über die an der Kurbelwelle drehfest angebrachten Pendelelemente in eine pendelnde Drehbewegung, kann der Wirkungsgrad erheblich verbessert werden. Die Form der Pendelelemente sowie deren drehfeste Verbindung zur pendelnden Kurbelwelle bewirkt eine Verkleinerung der Abmaße des Verbrennungsmotors. Dieser kann kompakter und wirtschaftlicher gefertigt werden als die derzeitigen Reihen- und V-Motoren. Die Massenkräfte sind einheitlicher und lassen sich besser mechanisch kontrollieren. Bei einer geschickten Anbringung der Kurbelschwinge können innere Nockenwellen direkt über die Abtriebswelle angesteuert werden. Die äußeren Nockenwellen können über eine oder mehrere innere Nockenwellen angetrieben werden. Wenn mindestens zwei Kurbelwellen in Reihe geschaltet werden, kann durch eine gegenseitige Schwingungsrichtung der Kurbelwellen ein vorteilhafter Massenausgleich erzeugt werden.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung
Der Patentanspruch 5 erweitert die Ausgestaltung des Verbrennungsmotors in der Ausrichtung der Pendelelemente. So können verschiedene Formen der Verbindungselemente von der Kurbelwelle zu den gebogenen Kolben genutzt werden, die bei gleicher Drehrichtung zu einer unterschiedlichen Nutzung der Arbeitsräume führen, d.h. während mindestens ein Arbeitsraum zum Verdichten des Gasgemisches oder abpumpen des Abgases verkleinert wird kann mindestens ein Arbeitsraum bei gleicher Drehung auch verkleinert oder z.B. durch die Expansion des Gasgemisches vergrößert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentanspruch 12. angegeben. Nach dem Patentanspruch 12 ist die Anzahl und Anordnungen der Arbeitsräume an der Kurbelwelle beliebig wählbar, so dass eine gute Ausnutzung des Bauraums ermöglicht wird. An jeder verwendeten Kurbelwelle können an verschiedenen Achsabschnitten mehrere Pendelelemente drehfest angebracht werden.
Ferner kann im Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 15 eine einzelne Kurbelwelle oder es können mehrere Kurbelwellen in Reihe verwendet werden. Bei der Verwendung mehrerer Kurbelwellen kann die Drehrichtung der einzelnen Kurbelwellen von einander während des Laufs des Motors variieren. Hier wird eine dementsprechende Anordnung jeder verwendeten Kurbelschwinge an der Abtriebswelle benötigt. Die Abtriebswelle kann dazu verwendet werden mindestens eine Nockenwelle direkt anzusteuern.
Nach Patentanspruch 21 werden Kolben verwendet, die im montierten Zustand auf dem inneren Rand angehoben sind um die entstehenden Strömungen des Kraftstoff-Gasgemisches nach außen zu lenken.
Beschreibung eines oder mehrerer Ausführunsgbeispiele
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Im Einzelnen zeigen:
1a und 1b einen schematisierten Querschnitt durch die Zylinder im Gehäuse (8) des Verbrennungsmotors;
2a und 2b eine schematische Darstellung der Kurbelschwinge (11) und der Abtriebswelle (12);
3a und 3b einen schematisierten Schnitt durch Zylinder im Gehäuse (8), Pendelelemente bestehend aus Verbindungselement (4) und Kolben (6) und Kurbelwelle (5);
4a und 4b einen schematisierten Querschnitt durch eine weitere Variante des Verbrennungsmotors mit einem Kopfgehäuse (1) und einer Zündvorrichtung (3);
5a und 5b einen schematisierten Querschnitt durch eine weitere Variante des Verbrennungsmotors, bei dem die Anordnung der Kolben (6) über die Verbindungselemente (4) an den Pendelelementen derart gestaltet ist, dass die Arbeitsräume bei einer pendelnden Bewegung der Kurbelwelle (5) immer gleichzeitig expandiert oder verdichtet werden;
6a und 6b eine isometrische Abbildung einer Variante des Verbrennungsmotors mit einem Teilschnitt durch die Zylinder im Gehäuse (8), an dem der Strang von den Kolben (6) über die Verbindungselemente (4), der Kurbelwelle (6) und der Kurbelschwinge (11) bis zur Abtriebswelle (12) dargestellt ist;
7a und 7b einen Schnitt durch einen gebogenen Kolben (6) mit Nuten für Kolbenringe.
8a und 8b eine Seitenansicht des Kolbens (6);
9a und 9b eine Draufsicht des Kolbens (6);
10a und 10b eine isometrische Sicht des Kolbens (6);
11a und 11b einen Schnitt durch einen gebogenen Kolben (13) mit Nuten für Kolbenringe und Oberflächen, dessen Neigung von der Neigung des Kolbens abweichen.
12a und 12b eine Seitenansicht des Kolbens (13);
13a und 13b eine Draufsicht des Kolbens (13);
14a und 14b eine isometrische Sicht des Kolbens (13);
15a und 15b einen Schnitt durch einen gebogenen Kolben (14) mit Nuten für Kolbenringe und Oberflächen, dessen Neigung von der Neigung des Kolbens abweichen, und Aussparungen für Ventilköpfe besitzen;
16a und 16b eine Seitenansicht des Kolbens (14);
17a und 17b eine Draufsicht des Kolbens (14);
18a und 18b eine isometrische Sicht des Kolbens (14);
1a und 1b zeigen in einem Gehäuse (8) ausgebildete Arbeitsräume und umliegende Kühlräume, welche eine zur Kurbelwelle (5) gebogene Form besitzen. Darin befinden sich Kolben (6) mit Kolbenringen (7) zur Abdichtung der Arbeitsräume, welche über ein Verbindungselement (4) drehfest mit der Kurbelwelle (5) verbunden sind. Die entstehende pendelnde Bewegung der Kurbelwelle beim Lauf des Verbrennungsmotors wird durch eine Kurbelschwinge (11) in eine vollständige Drehung umgewandelt und könnte wie hier genutzt werden, um die Nockenwellen (10) direkt über Zahnräder anzusteuern, und damit die Ventile (2) über Hebel (9) zu betätigen. Durch Verbrennung eines Kraftstoff-Gasgemisches in einem Arbeitsraum kann auf die Kolben (5) eine Gaskraft ausgeübt werden, welche die pendelnde Bewegung der Kurbelwelle (5) mithilfe der Kurbelschwinge (11) bewirkt. In den gegenüberliegenden Arbeitsräumen wird nun ein weiterer Takt des Verbrennungsvorgangs ausgeführt und so setzt sich der Arbeitsvorgang des Verbrennungsmotors fort. Die Kurbelschwinge (11) bewirkt, dass alle an der Kurbelwelle (5) befestigten Elemente, wie Verbindungselemente (4) und Kolben (6), stets in einem bestimmten Winkel pendeln.
2a und 2b zeigen die Kurbelschwinge (11) des Verbrennungsmotors. Ein Element, welches fest mit der Kurbelwelle verbunden ist treibt die Abtriebswelle (12) über einen Pleuel an. Die Funktion und Kinematik der Kurbelschwinge führt hierbei dazu, dass die pendelnde Bewegung der Kurbelwelle (5) in eine vollständige Drehung der Abtriebswelle (12) umgewandelt wird.
4a und 4b zeigen eine weitere Variante des Verbrennungsmotors, bei dem noch zusätzlich ein Kopfgehäuse (1) und Zündvorrichtungen (3) dargestellt sind. Der Verbrennungsmotor kann wahlweise z.B. mit Otto- oder Dieselverfahren arbeiten. Je nach Brennverfahren werden Zündvorrichtungen (3) benötigt oder auch nicht.
5a und 5b zeigen eine weitere Ausgestaltung des Verbrennungsmotors, in dem die Anordnung der Kolben (6) an dem Verbindungselement (4) zur Kurbelwelle (5) derart ausgeführt ist, dass die Arbeitsräume bei jeder Bewegung der Kurbelwelle (5) gleich genutzt werden, also gleichermaßen expandieren oder verdichten. Während also die Kurbelwelle z.B. eine Drehung im Uhrzeigersinn macht, werden beide Arbeitsräume verdichtet, was bei geschlossenen Ventilen zur Verdichtung des Kraftstoff-Gasgemisches und bei offenen Ventilen zum Ausstoß des Abgases genutzt werden kann. Bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn würden die Arbeitsräume expandiert werden, was bei geschlossenen Ventilen zur Verbrennung des Kraftstoff-Gasgemisches und bei offenen Ventilen zum Ansaugen von frischem Kraftstoff-Gasgemisch genutzt werden kann.
6a und 6b zeigen den Verlauf der Kinematik von den Kolben (6) über die Abtriebswelle (12) bis zu den Ventilen (2). Die Kolben (6) sind drehfest über die Verbindungselemente (4) mit der Kurbelwelle (6) verbunden. Die Kurbelwelle (5) ist über eine Kurbelschwinge (11) mit der Abtriebswelle (12) verbunden. Diese ist über Zahnräder mit den Nockenwellen (10) verbunden, welche über Hebel (9) die Ventile (2) ansteuern.
7a bis 10b zeigen eine Möglichkeit zur Gestaltung eines gebogenen Kolbens (6). Es wird noch eine Befestigungsmöglichkeit benötigt, mit der das Verbindungselement (4) am Kolben (6) befestigt werden kann.
11a bis 14b zeigen eine weitere Möglichkeit eines gebogenen Kolbens (13), bei die Außenfläche des Kolbens (13) minimiert wird. Dies kann vorteilhaft sein. Die große Außenfläche des Kolbens (6) kann jedoch unter Umständen zur Bewältigung von Anpressdrücken Vorteile haben.
15a bis 18b zeigen noch eine Möglichkeiten eines gebogenen Kolbens (14), bei der die Außenfläche des Kolbens (14) minimiert wird und in der Oberfläche des Kolbens (14) Einsparungen für Ventilköpfe vorgesehen sind.
19 zeigt einen gebogenen Kolben (15), welcher zur Innenseite eine Anhebung besitzt, um die Strömung des Kraftstoff-Gasgemisches im Arbeitsraum nach außen zu leiten.

Claims

Verbrennungsmotor zum Erzeugen eines Drehmomentes durch Verbrennen von Kraftstoff, vorzugsweise im 4-Taktverfahren, mit einem Gehäuse (8), in dem eine Kurbelwelle (5) angeordnet wird und in dem Hohlräume vorgesehen sind, vorzugsweise mit einem kreisförmigen Querschnitt, die mit Kopfgehäuse (1) und in den Hohlräumen befindlichen Pendelelementen abgedichtete Arbeitsräume bilden, wobei über Vorrichtungen (2) die Arbeitsräume mit einem Kraftstoff-Gasgemisch beladen werden und durch eine Bewegung der begrenzenden Wände der Arbeitsräume, vorzugsweise den Pendelelementen, die Arbeitsschritte der Verbrennung ausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet dass diejenigen Elemente welche die Drehbewegung ausführen, drehfest mit der Kurbelwelle (5) verbunden sind, so dass bei der Ausführung von nacheinander folgenden Takten des Brennverfahrens in den Arbeitsräumen eine pendelförmige Bewegung der Kurbelwelle (5) und der sich an ihr drehfest befestigten Elemente um einen bestimmten Winkel entsteht.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Arbeitsräume eine zylindrische Form besitzen, welche um die Kurbelwelle (5) gebogen ist, vorzugsweise ist die Form der Arbeitsräume derart gestaltet, dass jede Querschnittsfläche des Arbeitsraumes auf einer Ebene liegt, welche die Mittelachse der Kurbelwelle (5) schneidet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die in den Hohlräumen des Kopfgehäuses (1) befindlichen Pendelelemente aus mindestens einem Kolben (6) und einem ein- oder mehrteiligem Verbindungselement (4) zur Kurbelwelle (5) bestehen, wobei die Kolben (6) fest mit dem Verbindungselement (4) verbunden sind, vorzugsweise besteht ein Pendelelement aus zwei bis vier Kolben (6) mit einem Verbindungselement (4) zur Kurbelwelle (5).
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Kolben (6) der Pendelelemente eine zylindrische Form besitzen, welche um die Kurbelwelle (5) gebogen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Richtung der Anordnung der Pendelelemente an der Kurbelwelle (5) so gewählt werden kann, dass verschiedene Pendelelemente bei derselben Drehbewegung unterschiedliche Arbeitsvorgänge – Arbeitsraum verkleinern/verdichten oder Arbeitsraum vergrößern expandieren – ausführen können.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass entweder an den begrenzenden Wänden der Arbeitsräume oder an den Pendelelementen Dichtungselemente und weitere Elemente (11) angebracht sind, welche die Abdichtung der Arbeitsräume und das Abstreifen des Öls gewährleisten, vorzugsweise durch an den Kolben (6) der Pendelelementen angebrachte Dichtungs- und Ölabstreifringe (11).
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Neigung einer oder beider Oberflächen der dichtenden Kolben (13) im eingebauten Zustand von der Mittelachse der Kurbelwelle (5) abweichen kann, um die Größe der Außenfläche dieser Kolben (13) zu beeinflussen.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Verbrennungsmotor eine Vorrichtung besitzt, welche zur Be- und Entladung der Arbeitsräume auf einer Seite der Arbeitsräume oder an den Außenflächen der Arbeitsräume angebracht ist, vorzugsweise durch im Kopfgehäuse (1) angebrachte Ventile (2), welche durch Nockenwellen (10) über Hebelelemente (9) angesteuert werden.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Arbeitsräume im Gehäuse durch eine Vorrichtung gekühlt werden, vorzugsweise durch eine Umlaufkühlung mit einer flüssigen oder gasförmigen Kühlsubstanz.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Oberfläche der Kolben (14) der Pendelelemente, welche zur Vorrichtung der Be- und Entladung der Arbeitsräume nach Anspruch 7 zeigt, Aussparungen enthält, die vorzugsweise eine Teilform oder Form der verwendeten Vorrichtung nach Anspruch 8 besitzen.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Verbrennung des Kraftstoff-Gasgemischs sowohl durch eine Zündvorrichtung (3) als auch durch die Selbstzündung des Kraftstoff-Gasgemischs ausgeführt werden kann.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass Gehäuse (8) und Kopfgehäuse (1) des Verbrennungsmotors ein- oder mehrteilig ausgeführt werden können.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass mindestens ein Arbeitsraum im Gehäuse (8) an mindestens einem Achsabschnitt der Kurbelwelle (5) in unterschiedlichen Winkeln zur Mittelachse der Kurbelwelle (5) angeordnet ist, vorzugsweise sind zwei bis vier Arbeitsräume an einem bis sechs Achsabschnitten der Kurbelwelle (5) vorgesehen.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine Vorrichtung, vorzugsweise mit der Funktionsweise einer Kurbelschwinge (11), an den verwendeten Kurbelwellen (5) angebracht ist, welche die pendelnde Bewegung der einzelnen Kurbelwellen (5) in eine kreisförmige Drehung umwandelt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Abtrieb des Drehmomentes des Verbrennungsmotors über diejenige Welle (12) der Vorrichtung (11) zur Umwandlung der pendelnden Drehbewegung aus Anspruch 11 erfolgt, welche die kreisförmige Drehung durchführt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass bei Nutzung mehrerer Vorrichtungen zur Umwandlung der pendelnden Bewegung in eine kreisförmige Drehung nach Anspruch 14 eine geteilte Kurbelwelle (5) oder mehrere Kurbelwellen (5) verwendet werden, wobei jeder Teil der Kurbelwelle (5) oder jede Kurbelwelle (5) dieselbe oder eine unterschiedliche Anzahl an Vorrichtungen (11) zur Umwandlung der Drehbewegung hat.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Ansteuerung der Vorrichtung (1) zur Be- und Entladung der Arbeitsräume direkt über die Vorrichtung (11) zur Umwandlung der Drehbewegung erfolgt, vorzugsweise über eine Zahnradverbindung zur Abtriebswelle (12) der dieser Vorrichtung (11), welche eine volle kreisförmige Drehung durchführt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass am Verbrennungsmotor ein Vorrichtung angebracht ist, welche die Gasdurchführung des Kraftstoff-Gasgemisches gewährleistet, vorzugsweise durch Ein- und Ablassrohre.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass am Verbrennungsmotor zusätzliche Vorrichtungen angebracht sind, welche die Leistung des Verbrennungsmotors steigern oder verbessern.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Elemente des Verbrennungsmotor aus leichtem Material hergestellt wird, vorzugsweise aus Leichtmetall, welches den im Verbrennungsmotor während des Betriebs vorherrschenden Bedingungen standhält.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Oberflächen der Kolben (6) der Pendelelemente auf dem Rand zur Innenseite eine Anhebung besitzen.