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Bei der Erfindung handelt es sich um eine Gegenkolben-Brennkraftmaschine mit axialer Anordnung der Zylinder.
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Moderne Verbrennungsmotoren sind äußerst weit entwickelt und arbeiten bereits sehr energieeffizient. Um ihre Effizienz weiter zu steigern ist es nötig, Reibungsverluste zu minimieren und Brennverfahren zu optimieren. Jede Steigerung der Effizienz einer konventionellen Brennkraftmaschine ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden, die der Endkunde unter Umständen nicht bezahlen möchte. Ein weiterer Anspruch an aktuelle Motoren gilt der Motorakustik. Moderne Motoren müssen geräusch- und vibrationsarm sein. Wichtige Einflussgrößen sind dabei die in die Kurbelwelle eingetragenen Gaskräfte, Anlagewechsel der Kolben und Massenkräfte, die insbesondere aus der Beschleunigung und Abbremsung der Kolben resultieren.
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Die hier vorgestellte Brennkraftmaschine weist auf den oben genannten Gebieten signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Brennkraftmaschinen auf. Diese werden nach einer kurzen Beschreibung der Funktionsweise erläutert.
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Ein wichtiges Merkmal der neuartigen Verbrennungskraftmaschine ist die Kopplung der jeweils richtungsgleich bewegten Arbeitskolben zu Kolbenverbindungen, die unter anderem in den Schnitten aus erkennbar sind. Weiterhin sind verschiedene Ansichten des beschriebenen Motors als 4-Takt-Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Die jeweils gleich schraffierten Kolben bilden zusammen die im Folgenden öfter beschriebene Kolbenverbindung (bzw. den Kolbenverbund), welche sich geschlossen in eine Richtung bewegt. Die Abbildung zeigt neben Schnittdarstellungen von der Seite und von vorne außerdem Ansichten von oben. Hier sind seitlich Nockenwellen zu erkennen und jeweils in der Ebene der Ventile sind oberhalb Bohrungen für etwaige Injektoren oder Zünd- bzw. Glühkerzen angedeutet. Der Schnitt B-B zeigt ein geöffnetes Einlassventil und die X-förmig zueinander angeordneten Verbindungsglieder der Kolben in ihren Führungsschienen.
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Die Gesamtansicht eines Motorentwurfs mit Kurbelwelle aus einer Bewegungssimulation ist in dargestellt. Vergrößerte Ansichten, bei denen auch verdeckte Kanten dargestellt sind, liefert Abbildung drei. Die Nockenwellen, die in zu sehen sind, sind in diesen Ansichten ausgeblendet.
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zeigt einen möglichen Zylinderblock für eine 4-Zylinder-Variante. Es sind deutlich die Längsschlitze in den nicht dichtungsrelevanten Bereichen der langen Zylinderbohrung zu erkennen, durch die die Kolben geführt werden und durch die die Kraftübertragung auf die übrigen Kolben und eine etwaige Kurbelwelle gewährleistet werden.
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Die Arbeitsweise des Motors im 4-Takt-Betrieb erläutern die und . Zum Zeitpunkt a) findet im Zylinder 4 eine Verbrennung statt. Dadurch entfernen sich die den Zylinder bildenden Kolben voneinander. Symmetriebedingt entfernen sich auch die Kolben von Zylinder 1. In Zylinder 1 ist zu dieser Zeit das Einlassventil geöffnet, wodurch Zylinder 1 Frischluft bzw. ein Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt. Gleichzeitig bewegen sich die Kolben von Zylinder 2 und 3 durch die feste Verbindung mit ihren jeweils gleichgerichtet bewegten Kolben aufeinander zu. Im Beispiel sei das Auslassventil von Zylinder 3 geöffnet, wodurch verbranntes Gemisch ausgeschoben wird. Die Ventile von Zylinder 2 sind für diesen Fall geschlossen, wodurch hier eine Verdichtung stattfindet. Daraufhin kann Zylinder 2 zum Folgezeitpunkt b) befeuert werden. Die zum oben beschriebenen Prozess analogen Takte der übrigen Zylinder sind in der Tabelle aus aufgeführt.
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Der entsprechende Betrieb eines Motors mit der dargestellten Kolbenanordnung nach dem 2-Takt-Verfahren ist ebenfalls denkbar. Bei einem solchen Motor wäre der Ladungswechsel durch eine einfache Schlitzsteuerung realisierbar.
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Um die Kollision der Kolben mit Ventilen, Zündkerzen, Glühkerzen oder Injektoren zu verhindern, ist es nötig, die Bewegung der Kolbenverbindungen auf einen vordefinierten Bewegungsspielraum zu begrenzen. In einem Freiflug-Gegenkolbenmotor ist es ausgesprochen schwierig, dies zu bewerkstelligen. Beim hier beschriebenen Motor handelt es sich daher ausdrücklich nicht um einen Freiflug-Kolben-Motor. Die Bewegungen aller Kolbenverbindungen sind zu jeder Zeit abhängig von der Bewegung der entgegengesetzt bewegten Kolbenverbindungen. Eine solche Kopplung, die den Bewegungsablauf regelt, wird im konventionellen Verbrennungsmotor durch die Kurbelwelle vorgenommen. Eine solche Regelung ist jedoch im Normalfall gleichbedeutend mit einem konstanten Verdichtungsverhältnis. Die , und zeigen eine mechanische Abstandsregelung mit einer Zentrierfunktion der beweglichen Motorkomponenten laut Patentanspruch 7. Diese Kopplung erlaubt es, die Vorteile besonders in Bezug auf variable Verdichtungsverhältnisse eines Freikolbenmotors zu nutzen und gleichzeitig die Kolbenverbindungen einem definierten Bewegungsablauf auszusetzen. Dabei werden die gegenläufig bewegten Kolbenverbindungen mit zwei Gleitelementen verbunden, die sich orthogonal zur Bewegungsrichtung der Kolben bewegen können. Jedes der beiden Gleitelemente ist mit beiden Kolbenverbindungen verbunden, so dass bei einer Bewegung der ersten Kolbenverbindung in eine Richtung automatisch auch die zweite Kolbenverbindung um den gleichen Betrag in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird. Der Gesamtschwerpunkt bleibt von der Bewegung der Kolbenverbindungen also jederzeit unabhängig und ändert sich nicht.
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Dadurch, dass die außen liegenden Kolben nicht durch einen Zylinderkopf abgeschirmt werden, kann ihre Längsbewegung komfortabel genutzt werden. Beispielsweise der Betrieb in Verbindung mit Lineargeneratoren als Range-Extender für Hybridfahrzeuge oder für den Antrieb von Pumpen ist in diesem Zusammenhang denkbar. Die und zeigen eine mögliche Anordnung der Kolbenverbindungen, so dass ein Leistungsabgriff sowohl an den jeweils freien Enden der Kolbenverbindungen als auch an einer zentral gelegenen Kurbelwelle möglich ist. In den verschiedenen Ansichten ist auch deutlich die winklige Anordnung (Winkel in der Rotationsachse der Kolben und in einer beliebigen Parallelebene zu den Kolbenarbeitsflächen) der Kolbenverbindungen zu erkennen. Sie bietet die Möglichkeit, den Gesamtschwerpunkt der Kolbenverbindungen auf der gemeinsamen Rotationsachse zu halten und gleichzeitig genügend Raum für den Zugang zum Zylinder etwa für die Zündkerze oder Ventile etc. bereitzustellen.
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Ein Kolben, der beidseitig wirkt, ist schematisch in dargestellt. Er fungiert als Kolben für gleichzeitig zwei Zylinder und wird im weiteren Verlauf auch als Doppelkolben bezeichnet.
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Ein Kolbenverbund, der aus einem Kolbenpaar und einem der zuvor beschriebenen Doppelkolben besteht, ist in dargestellt. Alle Kolben des Kolbenverbunds bewegen sich stets gleichsinnig.
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Eine Umsetzung des Motorkonzepts als 2-Zylinder-Motor ist ebenfalls denkbar. Eine entsprechende Anordnung der Kolbenverbindungen zeigt . Eine 2-Zylinder-Variante weist jedoch gegenüber dem 4-Zylindermotor entsprechend Nachteile in Bezug auf die Drehungleichförmigkeit auf. Das Aufschalten mehrerer solcher Elemente auf eine Kurbelwelle erscheint aber für gewisse Aufgaben sinnvoll, da in Längsrichtung weniger Bauraum benötigt wird. Auch die Stapelung von mehreren 2, 4 oder Mehrzylindermodulen ist denkbar. Hierzu müssten die Verbindungselemente zwischen den Kolben jedoch deutlich verändert werden.
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In den , und ist eine Möglichkeit zur Anbindung der Kolbenverbindungen an die Kurbelwelle oder die oben beschriebene Zentriervorrichtung detaillierter dargestellt. Durch den definierten Winkelversatz der Bohrungen für die Kolbenbolzen zu den Verbindungsnuten für die Montage der Kolbenverbindungen wird die Parallelität der Kolbenbolzen beispielsweise zu den Kurbelwellenkröpfungen gewährleistet.
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Zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise dient der 4-Zylinder Aufbau als 4-Takt-Version, der auch in zu sehen ist.
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Bauformbedingt werden die Verbindungen der Kolben außerhalb des Zylinders am Motorblock entlanggeführt. Die Verbindungen verrichten wie auch die Kolben eine reine Linearbewegung. Dies ermöglicht die Anwendung einer einfachen Gleit- oder Wälzlagerung und bei entsprechender Fertigungsgenauigkeit eine Aufhängung aller Kolben im Zylinder und damit der Vermeidung jeglicher Reibung im Zylinder mit Ausnahme der Kolbenringe. Theoretisch ist (in Kombination etwa mit Graphit-Kolbenringen) ein Öl freier Betrieb der Kolben möglich, was sowohl positive Auswirkungen auf Abgasemissionen als auch auf die Ölwechselintervalle hätte. Werden die Verbindungen nicht mit einer zusätzlichen Lagerung verbunden, wird Reibung jedoch auch durch die weit auseinander liegenden Auflageflächen der miteinander verbundenen Kolben weitgehend vermieden. Eine Kapselung der beweglichen Verbindungsgestänge zwischen den Kolben aus Sicherheitsaspekten ist mit geringem Aufwand zu bewerkstelligen. Ein weiterer Ort im Motor, an dem Reibungsverluste auftreten, ist die Kurbelwelle. Der vorgestellte Motor entbindet die Kurbelwelle von allen Aufgaben, außer von der Übertragung von Leistung an den Endverbraucher (und eventuell an die Nockenwelle oder andere Ladungswechselorgane). Die übrige Ladungswechselarbeit und Verdichtungsarbeit wird direkt durch die Verbindung der Kolben und damit unmittelbar durch die Verbrennung in einem andern Brennraum geleistet. Zusätzlich wird das Kurbelwellenlager dadurch entlastet, dass die Kolben-Pleuel-Verbindungen immer gegensinnig arbeiten. Druck- und Zugkräfte, die in einem konventionellen Motor die Lager belasten, heben sich zu jedem Zeitpunkt des Motorbetriebs auf, da bauformbedingt beide Kolben-Pleuelverbindungen immer an jeder Verbrennung beteiligt sind.
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Eine im Betrieb verstellbare Länge der Kolbenverbindungen ist dank der reinen Axialbewegung auf verschiedene Arten denkbar. Die Variation kann beispielsweise hydraulisch oder über Zahnstangen geschehen, wodurch verschiedene Verdichtungsverhältnisse denkbar sind. Bei der Ausführung mit vollvariablen Ladungswechselsteuerorganen ist auch der Betrieb in Anlehnung an den Miller-Zyklus gut realisierbar, da hier trotz eines geringen Kurbelradius ein im Verhältnis großer Hubraum bereitgestellt werden kann.
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Wie bereits beschrieben ist es auch möglich, die axiale Bewegung der äußeren Kolben zur direkten Nutzung abzugreifen, wenn keine Rotationsbewegung benötigt wird. Der Einsatz einer Kurbelwelle ist hier nicht nötig. Es ist aber sicher zu stellen, dass eine unerwünschte Verschiebung der gesamten axial beweglichen Teile vermieden wird, da hierdurch Ventile, Zünd- oder Glühkerze oder Injektoren beschädigt werden könnten. Mit der in Anspruch 7 beschriebenen Abstandsregelung ist dies gewährleistet, wobei gleichzeitig kein vordefiniertes Verdichtungsverhältnis mehr eingehalten werden muss. Ein Benzinmotor könnte in dieser Konfiguration also in ausgewählten Betriebspunkten etwa als Selbstzünder betrieben werden, ohne dass aufwändige Umbauten am Motor vorgenommen werden müssen, die eine Variation des Verdichtungsverhältnisses zulassen. Natürlich ist auch die Kombination einer Kurbelwelle mit gleichzeitigem Abgriff der Linearbewegung denkbar.
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Große Vorteile der beschriebenen Bauform werden auch im Hinblick auf die Fertigung deutlich. Alle vier Zylinder können theoretisch mit einer einzigen Bohrung gefertigt werden. Der gesamte Zylinderblock könnte aus einem Stück hergestellt werden. Komponenten des Zylinderkopfes entfallen bis auf die Ladungswechselsteuerung, die entweder über Nockenwellen oder elektromechanische Ventile erfolgen kann. Beide Techniken sind aus konventionellen Verbrennungsmotoren hinreichend bekannt. Die Form der Ventile muss dem Zylinder angepasst werden. Runde Ventile empfehlen sich aufgrund zu geringer Öffnungsquerschnitte nicht. Eine alternative Ausführungsmöglichkeit in Form von verschließbaren Schlitzen ist in den angefügten , und zu erkennen.
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Besonders signifikante Vorteile der beschriebenen Verbrennungskraftmaschine sind im Bereich der Motorakustik zu erwarten. Durch die zu jedem Zeitpunkt gegenläufige Bewegung der gleich schweren Kolbenverbindungen heben sich ihre Massenkräfte gegenseitig auf (Schwerpunkte liegen auf der Zylinderachse). Auch die Kräfte auf die Kurbelwelle werden wie oben beschrieben kompensiert. Die geräuschintensiven Anlagewechsel der Kolben entfallen im Betrieb ohne Kurbelwelle vollständig oder sie werden im Betrieb mit Kurbelwelle minimiert. Die Anlagewechsel sind bedingt durch die Kraft, die das Pleuel in nicht axialer Richtung überträgt. Die Kolbenverbindungen stützen sich aber in den jeweils am weitesten von der Kurbelwelle entfernten Orten gegen die Zylinderwand ab, wodurch die Kraft und das resultierende Geräusch aus den Anlagewechseln vernachlässigbar werden. Werden die Verbindungsgestänge zwischen den Kolben, wie oben beschrieben, zusätzlich gelagert, so dass die Kolben an keiner Seite im Zylinder anliegen, bietet die Lagerung die Möglichkeit, die Kraft auf der gesamten Motorlänge abzustützen.
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Der vorgestellte Motor bietet weiterhin die Möglichkeit alle Vorteile eines 4-Takt-Motors zu nutzen, so kann auf bewährte Techniken zur Ladungswechselsteuerung, Zündung, Motorsteuerung und insbesondere zur Abgasnachbehandlung zurückgegriffen werden. Ein Aufladeaggregat ist für die 4-takt-Variante nicht zwingend erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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: Schnitt- und Detaildarstellungen
a) Ansichten ohne Nockenwellen
b) Ansichten von oben
c) Schnittansicht von der Seite durch die Zylindermitte
d) Detailansicht des Schnittes G mit geöffnetem Ventil
e) Schnittansicht von oben durch die Zylindermitte
f) Schnittansicht „J” zeigt die Kurbelwelle von der Seite
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: Vergrößerte Detailansichten des Motors ohne Nockenwellen
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: Ansicht des Motorblockes von oben, ohne weitere montierte Elemente
a) Schlitze zur Führung und Kraftübertragung der Kolben
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: Schematische Darstellung der im Motor ablaufenden Prozesse und Skizze der jeweiligen Kolbenstellungen
| | Zylinder 1 (Z1) | Zylinder 2 (Z2) | Zylinder 3 (Z3) | Zylinder 4 (Z4) |
| a) | ansaugen | komprimieren | ausschieben | verbrennen |
| b) | komprimieren | verbrennen | ansaugen | ausschieben |
| c) | verbrennen | ausschieben | komprimieren | ansaugen |
| d) | ausschieben | ansaugen | verbrennen | komprimieren |
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: Abstandsregler und Zentriervorrichtung
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: Abstandsregler und Zentriervorrichtung von oben
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: Beispielhafter Bewegungsablauf der Abstandsregel- und Zentriervorrichtung von der Seite
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: Diverse Ansichten der Anordnung der Kolbenverbindungen
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: Ansicht der winkligen Anordnung der Kolbenverbindungen
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: Doppelkolben; arbeitet in zwei Zylindern
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: Ansicht einer einzelnen Kolbenverbindung
a) Kolbenpaar
b) Doppelkolben
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: Beispielanordnung für eine 2-Zylinder-Variante
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: Anbindungsmöglichkeit an Kurbelwelle oder Abstandsregler bzw. Zentriervorrichtung
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: a) Winkel zwischen der Ebene, in welcher die Nut liegt und der Parallelebene der Kurbelwellenverbindung
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: Anbindung der Kolbenverbindungen an eine Kurbelwelle aus verschiedenen Perspektiven
