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Die
Arbeitstakte in Hubkolben-Kraft- und Arbeitsmaschinen verlaufen
deutlich asymmetrisch. Beim Verbrennungs-Hubkolbenmotor ist der
Arbeitstakt mit Expansion des Verbrennungsgases auf der einen Seite
der Bewegung der Kurbelwelle und Kompression der angesaugten Luft
auf der anderen Seite (beim 4-Takt Motor liegen Ansaug- und Ausschiebetakte
dazwischen). Die Drücke auf der Expansionsseite liegen
deutlich höher als auf der Kompressionsseite. Bei Kolbenkompressoren
oder anderen mit Kolben arbeitenden Arbeitsmaschinen ist die Asymmetrie
der Druckverteilung meistens noch höher als beim Verbrennungsmotor.
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Während
bei den bekannten Hubkolben-Maschinen die Mittellinie der Zylinder
den Drehpunkt der Kurbelwelle schneidet oder nur mit geringer Schränkung,
d. h. geringer Asymmetrie arbeitet, wird hier ein neuartiger Aufbau
eines Hubkolbenmotors beschrieben, der im Kurbeltrieb deutlich asymmetrisch
aufgebaut ist. Die Zylinder-Mittellinie wird nach rechts, bzw. über
den Bereich der halben Kurbelumdrehung, bei der die Verbrennung
stattfindet, mit Abstand s zum Drehpunkt der Kolbenwelle angeordnet,
diese Bauweise wird als geschränkter Kurbeltrieb bezeichnet.
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Eine
Kurbeltrieb-Schränkung ist somit eine Verschiebung der
Mittellinie des Zylinders, wobei die Lage der Kurbelwelle unverändert
bleibt. Dieser Satz, ebenso wie die nachfolgenden Erklärungen, bezieht
sich auf die übliche Schnittdarstellung von Kolbenmaschinen,
in der die Mittellinie der Kurbelwelle senkrecht zur Zeichnungsebene
steht.
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Eine
Schränkung liegt vor, wenn die Mittellinie des Zylinders
den Drehpunkt der Kurbelwelle nicht schneidet. Der Wert der Schränkung
wird gemessen als der kürzeste Abstand zwischen Drehpunkt
der Kurbelwelle und der Mittellinie des Zylinders. Wenn die Mittellinie
des Zylinders rechts vom Drehpunkt der Kurbelwelle liegt, dann liegt
eine Schränkung mit positivem Wert vor.
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Der
Stand der Technik sind kleine Schränkungen mit s/l < 0,05 (Pleuellänge
l, s. www.motorlexikon.de). Die Kolbenbolzen werden
außermittig angebracht, um Kolbenklappern zu vermeiden
oder die thermische Beanspruchung zu mindern, wobei diese Desachsierung
genau genommen keine Schränkung ist, wenn die Zylindermittellinie
nicht hierbei versetzt wird.
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Der
moderne PKW Motor W12 im Audi A8 hat eine Schränkung von
+–12,5 mm bei 168,5 mm Pleuellänge. Dies sind
s/l = +–0,07. Diese größer als üblich
realisierte Schränkung wurde aber nicht zur Senkung der
Reibungskräfte am Kolben, wie unten beschrieben, eingesetzt.
Es wurde hingegen mit der Schränkung –12,5 mm
sogar eine Erhöhung der Reibungskräfte auf dieser
Seite der V-Anordnung der Zylinder in Kauf genommen. Der Grund war
allein die kompaktere Bauweise im sogenannten VR-Design von VW und
Audi, (eine Weiterentwicklung des Lancia Prinzips aus den 1920er
Jahren) s. http://www.tuneline.at/news/detail.asp?start=29
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Hier
wird der Einsatz von größeren Schränkungen
an Kolbenmaschinen beschrieben, da die der Patentanmeldung zugrundeliegenden
Vergleichsrechnungen ergaben, dass bei Verbrennungsmotoren mit den
nachfolgenden Bedingungen eine Verschiebung der senkrechten Mittellinie
des Zylinders in horizontale Richtung von 0,4 mal dem Kurbelradius r
optimal erscheint. Dies ist bei einem Pleuelstangenverhältnis
von Kurbelradius r zur Pleuelstangenlänge l: r/l = 1/3
eine Schränkung s/l = 0,133, bzw., bezogen auf den Kurbelwellenradius
r: s/r = 0,4. Der optimale Wert hängt aber vom Verlauf
der Verbrennung im Arbeitstakt ab und ist deshalb noch für
den individuellen Motor zu optimieren. Mit der Schränkung
wird erreicht, dass das Pleuel mit etwa gleicher Auslenkung von
links nach rechts über den Bereich höchsten Arbeitsdruckes
schwenkt, d. h., das Pleuel steht erst einige Winkelgrade nach OT
(oberer Totpunkt) senkrecht und ist in diesem Moment am Kolbenbolzen
keinen Querkräften ausgesetzt. Somit werden beim asymmetrischen
Motor im gesamten Hochdruckbereich nicht die Schrägstellungen
des Pleuels wie beim symmetrischen Motor erreicht. Ein ähnlicher
Effekt der Absenkung der Reibung am Kolben kann bei dem symmetrischen
Motor nur durch deutliche Verlängerung der Pleuelstange
erreicht werden.
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Das
rechnerische Ergebnis der 0,133 Schränkung ist ein Verhältnis
von 1,29 zwischen der durch Querkräfte am Kolben Fx hervorgerufenen Reibungsarbeit,
bzw. der Summe der Fx·dy (Kolbenwegänderung) über
den doppelten Kolbenhub (Expansion und Kompression) des Motors ohne
Mittellinienversatz und dem Motor mit der Schränkung 0,133
[gerechnet mit einem Verhältnis zwischen max. Arbeitsdruck
nach Zündung zu max. Kompressionsdruck vor Zündung
von 3 (größer als der üblicherweise gemessene
Wert 2, um der zusätzlichen Wärmezufuhr näherungsweise
Rechnung zu tragen) und adiabatischer Zustandsänderung
und implizierter Annahme konstanten Reibungsbeiwertes über
den Kolbenhub, sowie Pleuelstangenverhältnis von 3; sämtliche
Berechnungen unter Vernachlässigung der Massenkräfte
und -momente und der Wirkung der Reibungskräfte. Zwar gibt
es bei der 0,133 Schränkung eine scheinbar größere
Auslenkung des Pleuels während des Kompressionstaktes,
aber wenn man erkennt, dass die Auslenkung dann fast gleich ist,
wenn man eine neue Mittellinie durch den Drehpunkt der Kurbelwelle
zu dem Punkt der Mitte des Kolbenhubes auf der Mittellinie des Zylinders
zieht, dann wird klar, das die Massenkräfte am Pleuel im wesentlichen
nur gedreht, aber nicht erhöht sind]. Beiliegend, zum besse ren
Verständnis der Erläuterungen, einige Grafiken
zum Vergleich zwischen der Kinematik mit und ohne Schränkung.
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Bei
dieser Vergleichsrechnung wurde auch festgestellt, dass die gleiche
Verminderung der Reibungsarbeit am Kolben bei der Bauweise ohne Schränkung
mit einer Pleuelstangenverlängerung, dem üblichen
Mittel gegen zu hohe Querkräfte am Kolben, von r/l = 1/3
auf r/l = 0,26 erreicht werden kann. Dies ist fast exakt das Pleuelstangenverhältnis, wie
es bei dem oben beschriebenem Motor W12 realisiert wurde. Die realisierte
Reibungsarbeit an den Kolben dieses Motors wäre somit auch
nicht überschritten worden, bei r/l = 1/3, wenn die Schränkung an
allen Zylindern mit s/l = +0,133 ausgeführt worden wäre
(wobei die Zylinderreihe am W12 Motor mit negativer Schränkung
hierdurch noch eine zusätzliche Erhöhung dieser
Reibung hat, hingegen die andere Reihe wegen des hier beschriebenen
Effekts eine leichte Minderung dieser Reibung gegenüber
dem Motor ohne Schränkung hat).
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Diese
Vergleiche mit dem Stand der Technik zeigen, dass Schränkung
im Kurbeltrieb bisher, wenn überhaupt, dann nicht unter
dem Aspekt der Verminderung der Reibungsarbeit am Kolben eingesetzt wurde.
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Ein
weiterer Vorteil ist der bei diesen Vergleichswerten um 1% größere
Hubraum und gleichzeitig der um 1% des Hubes niedriger liegende
OT des geschränkten Kurbeltriebs. Als Nachteile stehen die
Rechnungsergebnisse einer 5% höheren maximalen Kolbengeschwindigkeit
und einer 6% höheren Reibungsarbeit am unteren Pleuellager
gegenüber. Bei der höheren Kolbengeschwindigkeit
handelt es sich, wohlgemerkt, um den Fall der mit Faktor 1,29 niedrigeren
Kolbenreibung. Dies wiegt auch die höhere Reibung im Pleuellager
an der Kurbelwelle weit mehr als auf.
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Der
Wechsel der Lastrichtung der Querkraft am Kolben tritt mit der hier
betrachteten Schränkung deutlich später ein. Am
ungeschränkten Kurbeltrieb wechselt der Druck auf die Kolbenseitenwand
von der rechten auf die linke Seite bei phi = 0, d. h. bei max.
Kompression und einsetzender Zündung. Der geschränkte
Kurbeltrieb hat die senkrechte Pleuelstellung bei phi = 23,58 Grad
(2). OT liegt bei 5,75 Grad. Zwischen diesen beiden
Winkeln hat sich der Anfangsdruck von OT bei adiabatischer Expansion
halbiert. Somit findet der Lastwechsel nicht kurz vor max. Arbeitsdruck
statt, sondern erst nach Halbierung des Druckes im Expansionstakt.
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Mit
der positiven Schränkung und der resultierenden geminderten
Reibungsbelastung am Kolben können somit deutliche Vorteile
und damit höhere Wirtschaftlichkeit erzielt werden. Entweder
ist eine Verringerung der Bauhöhe möglich, da
optimale Schränkung kürzere Pleuellängen
bei gleicher Kolbenreibung erlaubt oder die geminderte Kolbenreibung
erlaubt höhere Kolbengeschwindigkeiten, d. h. höhere
Drehzahlen. Die Minderung der Reibung am Kolben ist auch ohne diese
möglichen Nutzungen ein großer Vorteil (die Kolbenreibung
hat einen Anteil von über 50% an der gesamten Reibung im
Motor, www.ikk.uni-essen.de/pdf/v3.pdf, Abschnitt
4.7)
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Bei
der Modellrechnung gab es exakt gleiche Energieüberschüsse
pro Umdrehung mit und ohne Schränkung. Dies kann auch nicht
anders sein, da mit Reibungsfreiheit und adiabatischer Zustandsänderung
mit den gleichen Druckwerten jeweils bei der Expansion von OT und
bei der Kompression von UT gerechnet wurde, womit die vom und am
Gas geleistete Arbeit pro Umdrehung gleich war.
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Ob
dies allerdings im realen Fall auch (nur) gleiche Ergebnisse bringt,
ist schwierig abzuschätzen. Der Motor mit der hier beschriebenen
asymmetrischen Bauweise hat jedenfalls die Eigenschaft, das OT mit
dem Moment maximalen Druckes einige Grade nach der senkrechten Position
der Kurbel liegt und nochmals einige Umdrehungsgrade, bis das Pleuel senkrecht
steht. Die senkrechte Abwärtsbewegung des Kolbens ist mit
dem asymmetrisch angeordneten Zylinder im Hochdruckbereich deutlich
langsamer als bei dem symmetrischen Zylinder, d. h. der Verbrennungsvorgang
und auch der zugehörige Wärmeübergang
findet bei höherer Kompression statt, wobei auch die Zylinderfläche
für den Wärmeübergang (Strahlung) kleiner
ist. Hieraus ist durchaus eine leistungserhöhende Wirkung
zu erwarten, dessen Höhe nur durch Berechnungen unter Berücksichtigung
der Verbrennungsdynamik festgestellt werden kann – oder
besser durch Versuchsmessungen.
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Bei
Kolben-Arbeitsmaschinen liegt eine noch höhere Asymmetrie
in den Arbeitstakten vor. Demzufolge resultieren auch bei Ihnen
aus der asymmetrischen Bauweise noch deutlich positivere Effekte. Speziell
für das Verhältnis der Reibungsarbeit an den Kolbenwänden
wurde beim symmetrischen zum asymmetrischen Kolbenkompressor mit
einer Schränkung von –0,65 r, bzw. s/l = –0,217
(bei r/l = 1/3) ein Wert von 2,67 berechnet. Die max. Kolbengeschwindigkeit
ist hierbei 9% größer und die Reibungsarbeit um
unteren Pleuellager 3% kleiner.
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Zur
Realisierung ist darauf zu achten, daß sich die Abstände
im Kurbelgehäuse ändern. In 5 wurde
maßstabsgerecht am Beispiel der Geometrie des obengenannten
W12 Motors der kritische Punkt dargestellt. Während dort
der kleinste Abstand zwischen Zylinderwand und der Pleuel-Mittelinie
ohne Schränkung 21 mm ist, verkleinert sich der Abstand
bei der Schränkung s = 0,4 r, bzw. s/l = 0,107 (da r/l
= 0,268) auf 12 mm. Es ist somit bei der Realisierung der Schränkung > 0,1 zu überprüfen,
ob an dieser Stelle ein Mindestabstand gesichert werden kann.
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Zur
Herstellung des notwendigen Mindestabstandes zwischen Pleuel und
Unterkante der Zylinderwände ist das Pleuel gegebenenfalls
mit einer Asymmetrie auszuführen, d. h. ,gebogen', wie
in 6 schematisch dargestellt. Die beiden engsten Stellen
wurden mit der Kurbelstellung A und B eingezeichnet. Es ist erkennbar,
dass das Pleuel durch die Asymmetrie mit der erforderlichen Belastbarkeit
zur Übertragung der Gaskräfte und der Massenkräfte ausgestattet
werden kann, da aufgrund der Asymmetrie des Kurbeltriebs der Abstand
bei Kurbelstellung B unkritisch ist.
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– Erläuterungen zu den
Zeichnungen
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1:
Skizze Kurbeltrieb mit Kurbelwellenradius r und Pleuellänge
L mit Kurbeltrieb ohne Schränkung (kurz gestrichelte Linie)
und die Ausführung mit Schränkung s (lang gestrichelte
Linien).
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2:
Kurbelwinkel phi = 23 Grad und lang gestrichelte Linien mit Schränkung
0,4 r, bzw. s/L = 0,133: die Kräfte am Kolbenbolzen in
Pleuelrichtung und am Pleuellager als Umfangskomponente und als Radialkomponente.
Auf der linken senkrechten Mittelinie ohne Schränkung (kurz
gestrichelte Linien) die durch Gasdruck hervorgerufenen Kräfte
nach Zündung bei phi = 0 und rechts mit Schränkung
nach Zündung bei phi = 5,75 Grad (lang gestrichelte Linie) – deutlich
erkennbar, dass die Querkraftkomponente am Kolbenbolzen bei phi
= 23 praktisch Null ist, mehr als 15 Grad nach Zündung!
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3:
Kompressionsphase (phi = 320 Grad) – geschränktes
Pleuel hat stärkeren Winkel zum Kolben aber deutlich kleinere
Gaskräfte, da der Kolbenhub größer ist
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4:
3 Grad vor OT bei Kurbeltrieb ohne Schränkung, fast max.
Kompression, mit Schränkung noch 8,75 Grad bis OT
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5:
Abstand zwischen Mittellinie-Pleuel und Zylinderwand am Beispiel
der Geometrie des A8 Motors-Abstand Zylinderwand (20 mm unter Mitte Kolbenbolzen)
zu Mitte Pleuel = 12 mm mit Schränkung 0,4 r und = 21 mm
ohne Schränkung
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6:
Asymmetrisches „gebogenes" Pleuel zur Herstellung eines
Mindestabstandes zwischen Pleuel und Unterkante Zylinderwände
bei den kritischen Kurbelwinkeln A und B
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.motorlexikon.de [0005]
- - http://www.tuneline.at/news/detail.asp?start=29 [0006]
- - www.ikk.uni-essen.de/pdf/v3.pdf [0013]