DE102015002385A1

DE102015002385A1 - Doppelkurbel-Planetengetriebe für Atkinson-Motor

Info

Publication number: DE102015002385A1
Application number: DE102015002385.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2016-08-25

Abstract

Für einen Atkinson-Motor wird das Doppelkurbel-Planetengetriebe vorgeschlagen. Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln zusammengebaut, und zwar so, dass „Kopf” der Innenkurbel als Drehachse für die Außenkurbel dient. Die Rotation der Innenkurbel bewirkt mittels eines Planetengetriebes die Rotation der Außenkurbel in die Gegenrichtung mit der zweifachen Winkelgeschwindigkeit. Durch die Zusammenwirkung der beiden Kurbeln bewegt sich der Zapfen der Außenkurbel auf einer geschlossenen Laufbahn, die drei Symmetrieachsen aufweist. Alle drei Symmetrieachsen sind mit Hilfe jeweils eines üblichen Pleuels für die Hubbewegung des Kolbens mit zwei verschiedenen Hubhöhen geeignet, wodurch sich der Aufbau eines Dreizylinder Sternmotors anbietet. Alle vier Takte des Kreisprozesses werden innerhalb einer Umdrehung der Innenkurbel durchgeführt, wie es bei dem konventionellen Atkinson-Motor der Fall ist.

Description

Beim Verbrennen von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren entsteht im Molar Maß gemessen mehr Abgas als die eingesaugte Luftmenge. Dazu hat Abgas eine höhere Temperatur. Beide Faktoren zusammen führen zum Energieverlust mit dem Abgas des Motors. Bei manchen Kolbenmotoren wird heißes Abgas außerhalb des Motors in einer Turbine expandiert um ein Teil der Energie von Abgas für den Antrieb eines Laders zu benutzen. Eine erweiterte Expansion des Gases direkt im Motor würde den Energieverlust mit dem Abgas wesentlich reduzieren. Dafür soll der Kolben einen verlängerten Expansionshub (bzw. Arbeitshub) haben. 1882 entwickelte James Atkinson die Kinematik eines Kolbenmotors der zwei verschiedene Hubhöhen innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung hat. Für den Ansaugtakt und den nachfolgenden Komprimierungstakt ist beim Atkinson-Motor die kleinere Hubhöhe bestimmt. Der Arbeitstakt (bzw. Expansionstakt) mit dem anschließendem Auspufftakt werden mit einem größeren Kolbenhub durchgeführt. Die zwei verschiedenen Hubhöhen werden mit einer zusätzlichen Kurbelschwinge und einem weiteren Pleuel zwischen Kurbelwelle und Kolben erzielt. Die zusätzlichen schwingenden Teile erzeugen eigene Trägheitskräfte, die die Drehzahl des Motors begrenzen und seine Leistungsdichte senken. Der zum Atkinson-Motor zugehörige thermodynamische Kreisprozess wird Atkinson-Zyklus genannt. Zwar hat der Atkinson-Motor einen höheren Wirkungsgrad, doch wegen seiner Nachteile konnte er sich gegenüber dem Otto-Motor nicht durchsetzen.
1947 entwickelte Ralph Miller eine spezielle Ventilsteuerung bei der das Einlassventil im Vergleich zum Otto-Motor früher schließt. Die Ladungsmenge wird dadurch verkleinert, dementsprechend wird das Expansionsverhältnis vom Arbeitsgas gegenüber dem Kompressionsverhältnis größer. Durch diese Ventilsteuerung wird ein ähnliches Ergebnis erzielt wie beim Atkinson-Motor ohne in den Kurbelwellentrieb des Kolbens einzugreifen. Nach seinem Erfinder wird der zum Miller-Motor zugehörige thermodynamische Kreisprozess Miller-Zyklus genannt.
In Zeiten kontinuierlich steigenden Kraftstoffpreisen sowie stets strengeren Umweltschutzanforderungen gewinnen die effizienten Motoren an Bedeutung. Insbesondere bei den Hybrid-Fahrzeugen werden Motoren eingesetzt die nach dem Atkinson-Zyklus, bzw. Miller-Zyklus funktionieren. Bei allen diesen Motoren wird eine flexible Ventilsteuerung verwendet. Zum Beispiel, beim aktuellen Toyota Prius im Unterschied zum Miller-Zyklus wird das Einlassventil erst sehr spät geschlossen und dadurch der Komprimierungstakt nicht am Unteren Totpunkt des Kolbens sondern später beginnt. Durch das noch geöffnete Einlassventil strömt ein Teil der Ladung wieder heraus. Im Ergebnis dauert der Komprimierungstakt kürzer gegenüber dem Expansionstakt (bzw. Arbeitstakt), was dem konventionellen Atkinson-Zyklus entspricht. Nach diesem Merkmal unterscheidet man heute die Motoren: Schließt das Einlassventil früher – spricht man von Miller-Zyklus; beim späten Schließen des Einlassventils kommt der Atkinson-Zyklus zustande. Der Unterschied zwischen den Zyklen liegt im theoretischen Bereich, die Effizienz des Motors ist von weiteren Faktoren abhängig.
Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
Hier wird der Aufbau eines Hubkolbenmotors vorgeschlagen der nach dem Atkinson-Prinzip innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung zwei verschiedene Hubhöhen nat. Die zwei verschiedenen Hubbewegungen des Kolbens werden ohne Einführung von zusätzlichen schwingenden Teilen erzielt. In der Deutschen Patentschrift 10 2009 038 061 ist das Planetengetriebe für eine Doppelkurbel beschrieben. Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln dem gleichen Radius zusammengebaut, und zwar so, dass „Kopf” der Innenkurbel als Drehachse für die Außenkurbel dient. Die Rotation der Innenkurbel bewirkt mittels eines Getriebes die Rotation der Außenkurbel in die Gegenrichtung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit, wodurch lineare harmonische Schwingungen des Zapfens der Außenkurbel entstehen. Die Hubbewegung des Zapfens wird mit Hilfe einer Stange auf den Kolben übertragen, der sich im Zylinder axial bewegt ohne mit einer Querkraft auf die Zylinderwand zu wirken. Die Forderungen über die gleiche Winkelgeschwindigkeit und den gleichen Radius der beiden Kurbeln dienen ausschließlich dem Zweck um die lineare Hubbewegung des Zapfens der Außenkurbel zu erzeugen. Hebt man diese Forderungen auf, dann lassen sich mit Hilfe der Doppelkurbel andere Bewegungsprofile erzeugen. Für den Atkinson-Motor definieren wir die Doppelkurbel wie folgt: Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln zusammengebaut, und zwar so, dass „Kopf” der Innenkurbel als Drehachse für die Außenkurbel dient. Die Rotation der Innenkurbel bewirkt mittels eines Getriebes die Rotation der Außenkurbel in die Gegenrichtung mit der zweifachen Winkelgeschwindigkeit.
Das Bewegungsprofil des Zapfens der Außenkurbel ist auf den bis dargestellt. Alle Abbildungen sind Maßstabgetreu gezeichnet. Um die Achse (O) auf der (von a bis f) rotiert die Innenkurbel (r), dessen „Kopf” (O_r) sich im Kreis bewegt. Der Kreis ist mit dünnen kreisförmigen Punkten in einem Winkelschritt α = 6° markiert. Der Radius (r) ist 30 mm gewählt. Im Punkt (O_r) ist die Außenkurbel (r_a) gelagert, dessen Radius 54 mm beträgt. Der Punkt (O_x) ist der Startpunkt der Innenkurbel (r) beim Drehwinkel α = 0°. Der Punkt (O_o) ist der Startpunkt des Zapfens (O_a) der Außenkurbel (r_a) beim Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 0°. Die Außenkurbel (r_a) rotiert um den Punkt (O_r) in die Gegenrichtung zur Innenkurbel (r) mit dessen zweifachen Winkelgeschwindigkeit. Der Zapfen (O_a) bewegt sich auf einer geschlossenen Laufbahn, die mit fetten kreisförmigen Punkten markiert ist; jeder der Punkte entspricht einem Punkt auf dem Bewegungskreis des „Kopfes” (O_r) der Innenkurbel (r) im Winkelschritt α = 6°. Die Umlaufrichtung des Zapfens (O_a) auf seiner Laufbahn ist mit Pfeilen gezeigt. Die Laufbahn des Zapfens (O_a) weißt drei Symmetrieachsen auf. Jede der Symmetrieachsen ist mit Hilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet. Es bietet sich quasi „von selbst” ein Dreizylinder Sternmotor an. Auf den (von a bis f) ist ein Zylinder entlang einer Symmetrieachse gezeigt. Der Kolben (K) wird mit Hilfe des Pleuels (Pl) zur Hubbewegung gebracht.
Die Hubbewegung des Kolbens (K) hat einen Oberen Totpunkt (OT) und zwei Unteren Totpunkte (UT_kom) und (UT_exp) die auf den (von a bis f) markiert sind. Die Lage dieser Punkte lässt ändern durch das variieren der Größen der Innen- und Außenkurbel. Bei der Bewegung des Kolbens (K) von dem Unteren Komprimierungs-Totpunkt (UT_kom) bis zum Oberen Totpunkt (OT) erfolgt der Komprimierungstakt (bzw. Verdichtungstakt); darauffolgender Expansionstakt (bzw. Arbeitstakt) erfolgt bei der Bewegung des Kolbens (K) vom Oberen Totpunkt (OT) bis zum Unteren Expansions-Totpunkt (UT_exp).
Auf der ist die Lage des Kolbens (K) beim Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 30° gezeigt. Der Kolben (K) hat den Unteren Komprimierungs-Totpunkt (UT_kom) verlassen; es erfolgt der Komprimierungstakt.
Auf der ist die Lage des Kolbens (K) beim Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 60° gezeigt. Der Kolben (K) befindet sich auf dem weg zum Oberen Totpunkt (OT); der Komprimierungstakt dauert an.
Auf der ist die Lage des Kolbens (K) beim Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 87° gezeigt. Der Kolben (K) hat den Oberen Totpunkt (OT) erreicht; der Komprimierungstakt ist beendet.
Auf der ist die Lage des Kolbens (K) beim Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 114° gezeigt. Der Kolben (K) hat den Oberen Totpunkt (OT) verlassen; es erfolgt der Expansionstakt (bzw. Arbeitstakt).
Auf der ist die Lage des Kolbens (K) beim Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 150° gezeigt. Der Kolben (K) hat den Unteren Komprimierungs-Totpunkt (UT_kom) passiert und befindet sich auf dem weg zum Unteren Expansion-Totpunkt (UT_exp); der Expansionstakt dauert an.
Auf der ist die Lage des Kolbens (K) beim Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 180° gezeigt. Der Kolben (K) hat den Unteren Expansions-Totpunkt (UT_exp) erreicht; der Expansionstakt ist beendet.
Die Hubbewegung des Kolbens (K) innerhalb einer Umdrehung der Innenkurbel (r) ist im Diagramm auf der dargestellt. Auf der horizontalen Achse sind die Werte vom Drehwinkel α gezeigt. Die vertikale Achse zeigt den Abstand des Kolbens von der Drehachse (O) in mm. Die kreisförmige Punkte im Diagramm markieren den Kolbenhub im Winkelschritt α = 6°; jeder der Punkte entspricht einem Punkt auf dem Bewegungskreis des „Kopfes” (O_r) der Innenkurbel (r) auf der (von a bis f). Auf dem Diagramm ist abzulesen, dass im Intervall des Drehwinkels α von 0° bis 87° erfolgt der Komprimierungstakt; von 87° bis 180° erfolgt der Expansionstakt (bzw. Arbeitstakt); von 180° bis 273° erfolgt der Auspufftakt; von 273° bis 360° erfolgt der Ansaugtakt. Somit werden die vier Takte des Kreisprozesses innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung durchgeführt, wie es bei dem konventionellen Atkinson-Motor der Fall ist. Dabei werden keine zusätzlichen schwingenden Teile eingesetzt; die Hubbewegung des Kolbens wird mit Hilfe eines üblichen Pleuels erzielt.
Das Planetengetriebe, das die Innen- und Außenkurbel miteinander verknüpft, ist auf der dargestellt. Der Drehwinkel der Innenkurbel (r) α = 30°, was der entspricht. Der Aufbau des Getriebes ist ähnlich dem Getriebe in der Patentschrift DE 10 2009 038 061 . In der Schrift DE 10 2009 038 061 sind Planetengetrieben mit vier und sechs Planetenzahnräder dargestellt, die für große Motoren gedacht sind, um das große Drehmoment auf mehrere Zahnräder zu verteilen. Auf der ist das Planetengetriebe mit drei Planetenzahnrädern dargestellt. Für kleinere Motoren wird eventuell ein Getriebe mit zwei Planetenzahnrädern genügend sein.
Auf der ist mit besonders fetten Linien ein Rahmen gezeigt, der um die Achse (O) rotiert. Im Punkt (O_r) des Rahmens ist das Zahnrad (B_a) gelagert, das auf der im Vordergrund gezeigt ist. Der Abstand (O – O_r) bildet die Innenkurbel (r). Auf der Seitenfläche des Zahnrades (B_a) ist im Punkt (O_a) ein Zapfen befestigt. Der Abstand (O_r – O_a) bildet die Außenkurbel (r_a). Das Zahnrad (B_a) wird von den Planetenzahnrädern (V, N₁, N₂) getrieben, die entsprechend in Punkten (C, D₁, D₂) des Rahmens gelagert sind. Das Drehmoment bekommen die Räder (V, N₁, N₂) entsprechend von den Planetenzahnräder (U, P₁, P₂), die im Hintergrund gezeigt sind. Die festen Paare (V – U), (N₁ – P₁), (N₂ – P₂) sind je an einer Welle befestigt, bzw. diese Paare können eventuell als ein Teil gefräst sein. Das Zahnrad (U) wälzt sich am Zahnrad (S) ab. Die Zahnräder (P₁, P₂) wälzen sich am Zahnrad (Q) ab. Die Zahnräder (S, Q) sind im Hintergrund am Gehäuse befestigt, das auf der nicht gezeigt ist.
Damit das Zahnrad (B_a) in die Gegenrichtung zum Rahmen, in dem es gelagert ist, mit der zweifachen dessen Winkelgeschwindigkeit rotiert, sind die richtige Zähneverhältnisse aller Zahnräder erforderlich. Für die Zahnräder auf der sind die folgenden Zähnezahlen gewählt: (U) = 10, (V) = 30, (S) = 40, (B_a) = 40, (Q) = 65, (P₁, P₂) = 13, (N₁, N₂) = 24. Für alle Zahnräder ist das Modul mm festgelegt. Die ist Maßstabgetreu gezeichnet.
Durch die Auswahl der Planetenzahnräder verschiedener Größe soll das Auswuchten des Motors erleichtert werden. Im Falle eines symmetrisch aufgebauten Dreizylinder Sternmotors soll das Auswuchten einfacher ausfallen. Die rotierenden Planetenzahnräder speichern kinetische Energie wodurch der Motor eventuell ohne Schwungrad auskommen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009038061 [0005, 0015, 0015]

Claims

Das Doppelkurbel-Planetengetriebe für den Atkinson-Motor, das mit Hilfe eines üblichen Pleuels ohne zu einsetzen zusätzlichen schwingenden Teile die zwei verschiedenen Hubhöhen des Kolbens innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem um die Achse (O) rotierenden Rahmen in einem Punkt (O_r) im Abstand (r) zur Achse (O) ein Zahnrad (B_a) gelagert ist, der Hebel (OO_r) bildet die Innenkurbel des Doppelkurbel-Planetengetriebes; – dass in einem Punkt (O_a) im Abstand (r_a) zur Drehachse (O_r) des Zahnrades (B_a) auf dessen Seitenfläche ein Zapfen für das Pleuellager befestigt ist, der Hebel (O_rO_a) bildet die Außenkurbel des Doppelkurbel-Planetengetriebes; – dass mit Hilfe einiger im selben Rahmen gelagerten Planetenzahnräder das Zahnrad (B_a) zur Rotation in die Gegenrichtung zum rotierenden Rahmen mit dessen zweifachen Winkelgeschwindigkeit gebracht wird; – dass durch die Zusammenwirkung der kreisförmigen Bewegung des Zahnrades (B_a) in einem um die Achse (O) rotierenden Rahmen und die gleichzeitige Rotation des Zahnrades (B_a) um die eigene Achse (O_r) sich der Zapfen auf seiner Seitenfläche auf Einer geschlossenen Laufbahn bewegt, die drei Symmetrieachsen aufweist; – und dass alle drei Symmetrieachsen mit Hilfe jeweils eines Pleuels für die Hubbewegung des Kolbens mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb einer Umdrehung des Rahmens geeignet sind.