DE102017010330B4 - Exzentrisches Doppelkurbel Planetengetriebe für Atkinson-Motor - Google Patents

Exzentrisches Doppelkurbel Planetengetriebe für Atkinson-Motor Download PDF

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Abstract

Exzentrisches Doppelkurbel Planetengetriebe für Atkinson-Motor das zur Verknüpfung der Innen- und Außenkurbel einer Doppelkurbel dient und mithilfe einer Pleuelstange die Hubbewegung eines Kolbens abwechselnd mit zwei verschiedenen Hubhöhen bewirkt, wobei der Kolben im seinen oberen Totpunkt schneller als im unteren Totpunkt beschleunigt wird, weshalb eine kürzere Einwirkung auf die Luft der hohen Druck und Temperatur in Verbrennungskammern des Motors erfolgt und die Bildung der Stickstoffoxide reduziert wird. Das Exzentrisches Doppelkurbel Planetengetriebe mindestens ein Planetenzahnrad enthält, dies ein am Gehäuse befestigtes Ritzel abrollt, und das folgendermaßen zusammengebaut wird:- in einem um die Achse (O) rotierenden Rahmen (Ra) im Abstand (r) zur Achse (O) ein ellipsenförmiges Zahnrad (D) exzentrisch zur eigenen Symmetrieachse in einem seiner Brennpunkte (OD) gelagert ist, der Hebel (r) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel;- im Abstand (rz) zur Drehachse (OD) des ellipsenförmiges Zahnrades (D) auf dessen Seitenfläche ein Zapfen (Z) für ein Pleuellager befestigt ist, der Hebel (rz) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel;- ein Kolben über ein Pleuel mit zwei Pleuellagern, mit dem Zapfen (Z) verbunden ist, wobei im oberen Pleuellager der Kolben mit einem Kolbenbolzen und der Zapfen (Z) im unteren Pleuellager gelagert ist;- das ellipsenförmiges Zahnrad (D) wird zur Rotation mithilfe eines baugleichen ellipsenförmigen Planetenzahnrades (C) gebracht, das im selben rotierenden Rahmen (Ra) exzentrisch zur eigenen Symmetrieachse in einem seinen Brennpunkt (OP) gelagert ist;- die Summe des Ellipse-Radius (r1) des Ellipse-Zahnrades (D) und des Ellipse-Radius (r2) des Ellipse-Planetenzahnrades (C) bleibt konstant und bestimmt den Abstand (r1+ r2) zwischen den Brennpunkten (OD) und (OP);- das ellipsenförmige Planetenzahnrad (C) in seiner Drehachse (OP) mit einem Planetenzahnrad (P) mithilfe einer Welle drehfest verbunden ist;- das Planetenzahnrad (P) mit einem Radius (p) rollt ein Ritzel (Ri) mit einem Radius (R) ab, das am Getriebegehäuse befestigt ist, und im dessen Zentrum die Achse (O) des rotierenden Rahmens (Ra) angebracht ist;- das oszillierende Übersetzungsverhältnis der zwei Ellipse-Radius (r1: r2) bestimmt die unharmonischen Schwingungen des Zapfens (Z), wodurch der Kolben im seinen oberen Totpunkt schneller, als im unteren Totpunkt beschleunigt wird;- weiterhin bestimmt das Übersetzungsverhältnis (R: p) des Ritzels (Ri) und des Planetenzahnrades (P) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) und die Hubfrequenz des Kolbens bezüglich der Drehzahl des Rahmens (Ra), wobei:- bei einem Verhältnis (R:p) = (3:1) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) drei Symmetrieachsen aufweist, die jeweils mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet sind, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb einer Umdrehung des Rahmens (Ra) erfolgt;- bei einem Verhältnis (R:p) = (5:2) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) fünf Symmetrieachsen aufweist, die jeweils mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet sind, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der zwei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt;- bei einem Verhältnis (R:p) = (3:2) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) drei Symmetrieachsen aufweist, die jeweils mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet sind, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der zwei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt;- bei einem Verhältnis (R:p) = (1:2) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) eine Symmetrieachse aufweist, die mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet ist, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der zwei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt;- bei einem Verhältnis (R:p) = (1:3) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) eine Symmetrieachse aufweist, die mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet ist, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der drei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt.

Description

  • 1880 hat James Atkinson seinen Motor als eine Alternative zum Otto-Motor vorgeschlagen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Kolben beim Atkinson-Motor einen längeren Expansions-Hub als sein Verdichtungs-Hub hat. Anders ausgedruckt: Der Expansionsgrad beim Atkinson-Motor ist größer seines Komprimierungsgrades wodurch ein höherer Wirkungsgrad des Motors erreicht wird. Dies erfordert eine komplexere mechanische Umwandlung der Hubbewegung des Kolbens in die Rotation der Kurbelwelle. Trotz etwas niedrigeren Wirkungsgrades war der Otto-Motor wegen seiner einfacher Mechanik gegenüber dem Atkinson-Motor wirtschaftlicher.
  • 1893 wurde der Diesel-Motor entwickelt, der mit seinem höheren Wirkungsgrad für die energieaufwendige Anwendungen mit großen Einzelleistungen immer bevorzugt war. Wegen den gestiegenen Kraftstoffpreisen sowie stets strengeren Abgas-Anforderungen, insbesondere den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß und der Stickstoffoxid-Emissionen, soll die Anwendung von Atkinson-Prinzip bei den Diesel-Motoren trotz der etwas komplexeren mechanischen Umwandlung der Hubbewegung des Kolbens in die Rotation der Kurbelwelle sich wirtschaftlich erweisen.
  • Seinen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zum Otto-Motor erzielt der Diesel-Motor durch seinen höheren Komprimierungsgrad wodurch in Verbrennungskammern des Motors höhere Druck und Temperatur erzeugt werden. Durch die Einwirkung auf die Luft der hohen Druck und Temperatur treten ihre Bestandteile der Stickstoff und der Sauerstoff miteinander in Verbindung: Es werden Stickstoffoxide gebildet. Durch eine kürzere Einwirkung auf die Luft der hohen Druck und Temperatur soll die Bildung von Stickstoffoxiden gemindert werden. Das heißt, der Kolben soll im Umkreis zum Oberen Totpunkt (OT) des Motors schneller beschleunigt werden als im Umkreis zum Unteren Totpunkt (UT) damit der Druck und die Temperatur in der Verbrennungskammer möglichst schnell fallen. Mit der konventionellen Kurbelwelle lässt sich eine solche asymmetrische Hubbewegung des Kolbens nicht erzielen.
  • Mithilfe einer Doppelkurbel lässt sich das Bewegungsprofil des Hubkolbens flexibel gestalten. Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln zusammengebaut und zwar so, dass der „Kopf” der Innenkurbel bzw. ihr Zapfen als eine Drehachse für die Außenkurbel dient. Die Rotation der beiden Kurbeln der Doppelkurbel soll mithilfe eines Getriebes aufeinander abgestimmt werden. Einige Beispiele von Planetengetrieben zur Verknüpfung der beiden Kurbeln sind in folgenden Deutschen Patentschriften beschrieben:
  • In der Schrift DE 10 2009 038 061 B4 sind Planetengetrieben mit 4 bzw. 6 Planetenzahnrädern dargestellt. Mit diesen Getrieben können größere Drehmomente übertragen werden weil die Kraft auf mehrere Zahnräder verteilt wird. In der Schrift DE 10 2015 002 385 A1 ist ein Planetengetriebe mit 3 Planetenzahnrädern dargestellt. Für die kleineren Drehmomente können Getrieben mit 2 bzw. 1 Planetenzahnrädern angewendet werden. Ähnliche Kurbeltriebe für eine asymmetrische Hubbewegung des Kolbens mit verschiedenen Beschleunigungswerten im Umkreis zum OT und UT des Motors sind in folgenden Deutschen Patentschriften beschrieben:
    • DE 86 24 014 U1 Kolbenmotor,
    • DE 40 14 692 A1 Brennkraftmaschine als Viertakthubkolbenmaschine bei der der geometrische Expansionshub größer als der geometrische Kompressionshub ist,
    • DE 10 2015 011 734 A1 Unrundradlinienkurbelgetriebe dritter Stufe für einen Stirlingmotor mit innerer Verbrennung und Überexpansion.
  • Eine der modernen Anwendungen von Atkinson-Prinzip ist auf der Web-Seite http://world.honda.com/powerprodukts-technology/exlink vorgestellt. Hier ist ein Gas-Motor beschrieben der einen Komprimierungsgrad 12,2 und einen Expansionsgrad 17,6 hat. Honda nennt diesen Motor „EXlink“ (für Extended Expansion Linkage Engine) und vertreibt für die kleine Blockheizkraftwerke. Allerdings erfolgen die 4 Takte des Arbeitszyklus des EXlink-Motors von Honda innerhalb von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Beim konventionellen Atkinson-Motor erfolgen alle 4 Takte innerhalb von einer Umdrehung der Kurbelwelle. Mit der Anwendung einer Doppelkurbel sind die beiden Optionen möglich. Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
  • Beim herkömmlichen Doppelkurbel Planetengetriebe ist ein Rahmen an der Motorwelle befestigt, der von mindestens einem Planetenzahnrad zur Rotation gebracht wird. Im Abstand (r) zur Motorwelle ist im Rahmen ein sekundäres Zahnrad gelagert. Der Abstand (r) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel. Am sekundären Zahnrad ist im Abstand (rz) zur seinen Drehachse ein Zapfen (Z) befestigt, der für die Bewegung des Pleuels bestimmt ist. Der Abstand (rz) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem verbesserten Kurbeltrieb die Bildung von Stickstoffoxiden in den Verbrennungskammern des Motors zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand nach Patentanspruch 1 gelöst. Für den Zweck den Kolben im Umkreis zum OT des Motors schneller zu beschleunigen wird hier vorgeschlagen das sekundäre Zahnrad für die Außenkurbel (rz) beim herkömmlichen Doppelkurbel Planetengetriebe durch ein exzentrisches Zahnrad zu ersetzen, womit den harmonischen Schwingungen des Zapfens (Z) unharmonische Schwingungen zugefügt werden. Die Phase der unharmonischen Schwingungen wird durch die Platzierung des Zapfens (Z) auf der Seitenfläche des exzentrischen sekundären Zahnrades bestimmt. Unter der Seitenfläche versteht man eine Ebene die mit dem Umriss des sekundären Zahnrades nicht beschränkt ist.
  • Auf den Abbildungen von 1a bis 1j ist das Exzentrische Doppelkurbel Planetengetriebe mit einem exzentrischen sekundären Zahnrad (D) in einem Winkelschritt α = π/10 = 18° des um die Achse (O) rotierenden Rahmen (Ra) gezeigt. Die Achse (O) ist als Koordinatenursprung gewählt. Die Koordinatenachse (x) gibt die Richtung der Hubbewegung des Kolbens an. Mit dem exzentrischen Zahnrad (D) ist das Zahnrad (C) verzahnt, das ein entsprechendes Außenprofil haben soll. Am einfachsten bietet sich die Lösung an, dass die Zahnräder (D) und (C) das gleiche Außenprofil einer Ellipse haben. Auf den Abbildungen von 1a bis 1j ist das Exzentrische Doppelkurbel Planetengetriebe mit den gleichen Ellipse-Zahnrädern (D) und (C) mit einer Exzentrizität ε = 0,3 gezeichnet. Die Exzentrizität (ε) bestimmt die Winkelbeschleunigung des Ellipse-Zahnrades (D) bei der gleichmäßigen Rotation des Rahmens (Ra) um die Achse (O). Die großen Halbachsen von beiden Ellipse-Zahnrädern (D), (C) sind mit (a) und die kleinen Halbachsen mit (b) markiert. Die beiden Ellipse-Zahnräder rotieren um einen der eigenen Brennpunkte. Der Abstand von Brennpunkt (OD) des Ellipse-Zahnrades (D) zum Kontakt mit dem Ellipse-Zahnrad (C) wird als laufender Radius von Ellipse-Zahnrad (D) genannt und ist mit (r1) markiert. Der Abstand von Brennpunkt (OP) des Ellipse-Zahnrades (C) zum Kontakt mit dem Ellipse-Zahnrad (D) wird als laufender Radius von Ellipse-Zahnrad (C) genannt und ist mit (r2) markiert. Die Summe der laufenden Radius (r1) und (r2) bleibt während der Rotation des Rahmens (Ra) konstant: r1 + r2 = 2a. Bei den kreisförmigen Zahnrädern allgemein spricht man vom Teilkreis. Analog beschreiben die laufenden Radius (r1), (r2) die Teilellipse der Ellipse-Zahnräder (D), (C) dessen Umriss mit der Verzahnung äquidistant zur Teilellipse ist.
  • Die Ellipse-Zahnräder (D), (C) sind entsprechend in Punkten (OD), (OP) des Rahmens (Ra) gelagert, der um die Achse (O) rotiert. Das Ellipse-Zahnrad (C) ist mittels einer Achse mit dem Planetenzahnrad (P) fest verbunden, das eines am Motorgehäuse befestigtes Zahnrad (auch Ritzel genannt) (Ri) umläuft. Das Planetenzahnrad (P) und Ritzel (Ri) befinden sich hinten dem Rahmen (Ra) und sind als punktierte Kreise gezeichnet. Der Teilradius von Planetenzahnrad (P) ist mit (p) markiert. Der Teilradius von Ritzel (Ri) ist mit (R) markiert.
  • Auf den bis bildet der Hebel (O - OD) die Innenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (r) markiert. Am Ellipse-Zahnrad (D) ist ein Zapfen (Z) befestigt, der für das Bewegen des Pleuels bestimmt ist. Der Hebel (OD - Z) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel und ist mit (rz) markiert. Das Planetenzahnrad (P) hat einen Drittel der Größe von Ritzel (Ri): p:R = 1:3; wodurch auf die eine Umdrehung der Innenkurbel (r) mit dem Rahmen (Ra) erfolgen bezüglich des unbeweglichen Motorgehäuse zwei Umdrehungen der Außenkurbel (rz) mit dem Ellipse-Zahnrad (D) in die Gegenrichtung. Während der Rotation der Ellipse-Zahnräder (D), (C) ändert sich das Übersetzungsverhältnis der laufenden Radius (r1), (r2), womit der Rotation der Außenkurbel (rz) unharmonische Schwingungen zugefügt werden, wodurch die unharmonischen zweidimensionalen Schwingungen des Zapfens (Z) entstehen. Die Abweichung dieser Schwingungen von harmonischen Schwingungen des herkömmlichen Doppelkurbel Planetengetriebe ist durch die Größe der Exzentrizität (ε) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) bestimmt.
  • Im Diagramm auf der ist die x-Komponente der Zweidimensionalen Schwingungen des Zapfens (Z) bezüglich des Drehwinkel (a) der Motorwelle gezeichnet. Die Kurven zeigen die Schwingungen des Zapfens (Z) zwischen den OT und UT des Motors bei verschiedener Exzentrizität (ε) der Ellipse-Zahnräder (D), (C). Die Exzentrizität ε = 0 entspricht einem Kreis; die Kurve mit der Exzentrizität (ε = 0) zeigt die harmonischen Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Achse (x) beim herkömmlichen Doppelkurbel Planetengetriebe. Die Kurve mit der Exzentrizität (ε = 0,3) ist im Diagramm auf der mit den runden schwarzen Punkten markiert. Die Kurven zeigen, dass der Motor einen Oberen Totpunkt (OT) hat und zwei verschiedenen Unteren Totpunkte: Einen für den Komprimierungstakt (UTKOM) und den zweiten für den Expansionstakt (UTEXP). Dem Diagramm auf der ist abzulesen, dass bei der Exzentrizität (ε = 0,3) sich der Kolben im Umkreis zum (OT) kürzer aufhält im Vergleich zur harmonischen Kurve mit (ε = 0), was dem Vorhaben aus dem Absatz [0003] entspricht. Dagegen im Umkreis zum (UTKOM) verweilt der Kolben länger als beim herkömmlichen Doppelkurbel Planetengetriebe, wodurch der Gaswechsel beim Motor begünstigt wird. Mit der Steigung der Exzentrizität (ε) fällt der Druck und die Temperatur in der Verbrennungskammer des Motors schneller. Durch die kürzere Einwirkung auf die Luft von hohen Druck und Temperatur wird die Bildung von Stickstoffoxiden in den Verbrennungskammern des Motors reduziert.
  • Die zeigt, dass beim Drehwinkel α = 360° bzw. innerhalb von einer Umdrehung der Motorwelle die 4 Takte des Arbeitszyklus abgeschlossen sind, wie es bei dem konventionellen Atkinson-Motor der Fall ist. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Exlink-Motor von Toyota besteht darin, dass die Hubbewegung des Kolbens mit zwei verschiedenen Hubhöhen ohne Einsatz von zusätzlichen schwingenden Teilen erzeugt wird.
  • Auf der sind die zweidimensionalen Schwingungen des Zapfens (Z) bei der verschiedenen Exzentrizität (ε) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) während der Rotation der Motorwelle gezeichnet. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Die Zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) weißt drei Symmetrieachsen auf, die auf der mit (x1), (x2), (x3) markiert sind. Jede der Symmetrieachsen ist jeweils mit Hilfe eines Pleuels für die Hubbewegung des Kolbens geeignet, so dass der Aufbau eines 3-Zylinder Sternmotors möglich ist.
  • Die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) ist sowohl von der Exzentrizität (ε) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) bzw. vom Übersetzungsverhältnis der laufenden Radius (r1), (r2) als auch vom Übersetzungsverhältnis des Planetenzahnrades (P) und Ritzels (Ri) bestimmt. Durch die Wahl des Planetenzahnrades (P) und Ritzels (Ri) werden verschiedene Bewegungsprofile des Zapfens (Z) erzeugt. Für das Übersetzungsverhältnis p:R = 2:5 und bei der Exzentrizität (ε = 0) bzw. (e = 0,1) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) ist die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) auf der gezeigt. Diese Laufbahn weißt fünf Symmetrieachsen auf, die mit (x1), (x2), (x3), (x4), (x5), markiert sind. Jede der Symmetrieachsen ist jeweils mit Hilfe eines Pleuels für die Hubbewegung des Kolbens geeignet, so dass der Aufbau eines 5-Zylinder Sternmotors möglich ist. Die Schwingungen des Zapfens (Z) entlang einer der Symmetrieachsen sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Die zeigt, dass beim Drehwinkel α = 720° bzw. innerhalb von zwei Umdrehungen der Motorwelle die 4 Takte des Arbeitszyklus abgeschlossen sind. Im Umkreis zum (UTKOM) verweilt der Kolben länger als im Umkreis zum (UTEXP), wodurch der Gaswechsel beim Motor begünstigt wird.
  • Für das Übersetzungsverhältnis p:R = 2:3 und bei der Exzentrizität (ε = 0) bzw. (e = 0,3) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) ist die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) auf der gezeigt. Diese Laufbahn weißt drei Symmetrieachsen auf, die mit (x1), (x2), (x3), markiert sind. Jede der Symmetrieachsen ist jeweils mit Hilfe eines Pleuels für die Hubbewegung des Kolbens geeignet, so dass der Aufbau eines 3-Zylinder Sternmotors möglich ist. Die Schwingungen des Zapfens (Z) entlang einer der Symmetrieachsen sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich.
  • Die zeigt, dass beim Drehwinkel α = 720° bzw. innerhalb von zwei Umdrehungen der Motorwelle die 4 Takte des Arbeitszyklus abgeschlossen sind. Für die Kurve mit (ε = 0,3) verweilt der Kolben im Umkreis zum (UTKOM) länger als bei der harmonischen Kurve mit (ε = 0) wodurch der Gaswechsel beim Motor begünstigt wird.
  • Die Lagerpunkte (OD), (OP) im Rahmen (Ra) auf den bis müssen mit der Motorwelle (O) nicht unbedingt eine gerade Linie bilden; auch der Zapfen (Z) muss nicht zwingend auf der großen Halbachse (a) des Ellipse-Zahnrades (D) platziert sein. Durch die Verschiebung dieser Punkte lässt sich die Laufbahn des Zapfens (Z) korrigieren. Die Änderung der Laufbahn des Zapfens (Z) bei der gleichen Exzentrizität (ε = 0,3) des Ellipse-Zahnrades (D) ist auf der gezeigt, wo der Zapfen (Z) einen Abstand 12 mm von der großen Halbachse (a) hat; das einer Phasenverschiebung ca. 48,6° der Außenkurbel (rz) gegenüber der großen Halbachse (a) des Ellipse-Zahnrades (D) entspricht. Dieser Laufbahn entsprechenden Schwingungen des Zapfens (Z) entlang einen der Symmetrieachsen (x1), (x2), (x3) sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Die zeigt, dass die Kurve mit dem um 12 mm verschobenen Zapfen (Z) fällt ab (OT) des Motors etwas schneller, womit die Bildung von Stickstoffoxiden reduziert wird.
  • Für das Übersetzungsverhältnis p:R = 2:1 und bei der Exzentrizität (ε = 0) bzw. (ε = 0,3) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) ist die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) auf der gezeigt. Diese Laufbahn weißt eine Symmetrieachse auf, die mit (x) markiert ist. Mit Hilfe eines Pleuels ist die Symmetrieachse für die Hubbewegung des Kolbens geeignet. Die Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Symmetrieachse (x) sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Die zeigt, dass beim Drehwinkel α = 720° bzw. innerhalb von zwei Umdrehungen der Motorwelle die 4 Takte des Arbeitszyklus abgeschlossen sind. Für die Kurve mit (ε = 0,3) wird der Kolben im Umkreis zum (OT) im Vergleich zur harmonischen Kurve mit (ε = 0) nur mäßig schneller; doch im Vergleich zum Exlink-Motor von Toyota hat diese Ausführung des Exzentrischen Doppelkurbel Planetengetriebe einen Vorteil, weil die Hubbewegung des Kolbens mit zwei verschiedenen Hubhöhen ohne Einsatz von zusätzlichen schwingenden Teilen erzeugt wird.
  • Für das Übersetzungsverhältnis p:R = 3:1 und bei der Exzentrizität (ε = 0) bzw. (ε = 0,3) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) ist die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) auf der gezeigt. Diese Laufbahn weißt eine Symmetrieachse auf, die mit (x) markiert ist. Mit Hilfe eines Pleuels ist die Symmetrieachse für die Hubbewegung des Kolbens geeignet. Die Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Symmetrieachse (x) sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Die zeigt, dass beim Drehwinkel α = 1080° bzw. innerhalb von drei Umdrehungen der Motorwelle die 4 Takte des Arbeitszyklus abgeschlossen sind, was für die Motoren mit kleinen Leistung von Vorteil wäre. Durch die Verschiebung des Zapfens (Z) auf der Seitenfläche des Ellipse-Zahnrades (D) lässt sich dessen Laufbahn korrigieren. Die Änderung der Laufbahn des Zapfens (Z) bei der gleichen Exzentrizität (ε = 0,3) des Ellipse-Zahnrades (D) ist auf der gezeigt, wo der Zapfen (Z) einen Abstand 20 mm von der großen Halbachse (a) hat; das einer Phasenverschiebung ca. 41,8° der Außenkurbel (rz) gegenüber der großen Halbachse (a) des Ellipse-Zahnrades (D) entspricht. Dieser Laufbahn entsprechenden Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Symmetrieachse (x) sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Der ist abzulesen, dass die Kurve mit dem um 20 mm verschobenen Zapfen (Z) einen längeren Ansaugtakt von (OT) bis zum (UTKOM) des Motors hat, wodurch der Gaswechsel des Motors begünstigt wird. Zudem hat diese Kurve einen kürzeren Expansionstakt von (OT) bis zum (UTEXP) des Motors, womit die Bildung von Stickstoffoxiden reduziert wird.
  • Das Exzentrische Doppelkurbel Planetengetriebe für Atkinson-Motor lässt sich auf einem einfachen Wege für den Dieselmotor anzuwenden. Dafür legt man bei dem Getriebe die Länge der Innenkurbel (r) gleich Null fest: r = 0; das heißt, auf den bis wird der Lagerpunkt (OD) im Rahmen (Ra) gegenüber der Motorwelle (O) platziert. Die Hubbewegung des Kolbens wird alleine durch die Rotation der Außenkurbel (rz) erzeugt; das Ergebnis unterscheidet sich jedoch von der konventionellen Kurbelwelle. Ein Beispiel dieser Anwendung für das Übersetzungsverhältnis p:R = 3:1 ist auf der gezeigt, wo die Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Achse (x) für die Innenkurbel (r = 0) bei der Exzentrizität (ε = 0) bzw. (ε = 0,3) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) gezeichnet sind. Der Kolbenhub ist konstant, doch die Unteren Totpunkte sind verschieden: Bei der Kurve mit (ε = 0,3) verweilt der Kolben am (UTKOM) länger als bei der Kurve mit (ε = 0), wodurch der Gaswechsel des Motors begünstigt wird. Zudem hat diese Kurve einen kürzeren Expansionstakt von (OT) bis zum (UTEXP) des Motors, womit die Bildung von Stickstoffoxiden reduziert wird. Durch die Verschiebung des Zapfens (Z) auf der Seitenfläche des Ellipse-Zahnrades (D) lässt sich die Hubbewegung des Kolbens korrigieren. Auf der sind die Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Achse (x) bei der gleichen Exzentrizität (ε = 0,3) des Ellipse-Zahnrades (D) gezeigt, wo der Zapfen (Z) einen Abstand 20 mm von der großen Halbachse (a) hat; das einer Phasenverschiebung ca. 41,8° der Außenkurbel (rz) gegenüber der großen Halbachse (a) des Ellipse-Zahnrades (D) entspricht. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Der ist abzulesen, dass die Kurve mit dem um 20 mm verschobenen Zapfen (Z) einen längeren Ansaugtakt von (OT) bis zum (UTKOM) des Motors hat, wodurch der Gaswechsel des Motors begünstigt wird.
  • Eine weitere Möglichkeit das Exzentrische Doppelkurbel Planetengetriebe für Atkinson-Motor einem Dieselmotor adaptieren besteht wenn auf den bis das Planetenzahnrad (P) eine Halbe Größe des Ritzels (Ri) hat. Für das Übersetzungsverhältnis p:R = 1:2 und bei der Exzentrizität (e = 0) bzw. (ε = 0,3) der Ellipse-Zahnräder (D), (C) ist die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) auf der gezeigt. Diese Laufbahn weißt eine Symmetrieachse auf, die mit (x) markiert ist. Mit Hilfe eines Pleuels ist die Symmetrieachse für die Hubbewegung des Kolbens geeignet. Die Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Symmetrieachse (x) sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Die Amplitude der Schwingungen auf der ist konstant, doch bei der Kurve mit der Exzentrizität (e = 0,3) verweilt der Kolben am (OT) des Motors kürzer als bei der Kurve mit (ε = 0), womit die Bildung von Stickstoffoxiden reduziert wird. Durch die Verschiebung des Zapfens (Z) auf der Seitenfläche des Ellipse-Zahnrades (D) lässt sich dessen Laufbahn korrigieren. Die Änderung der Laufbahn des Zapfens (Z) bei der gleichen Exzentrizität (e = 0,3) des Ellipse-Zahnrades (D) ist auf der gezeigt, wo der Zapfen (Z) einen Abstand 12 mm von der großen Halbachse (a) hat; das einer Phasenverschiebung ca. 48,6° der Außenkurbel (rz) gegenüber der großen Halbachse (a) des Ellipse-Zahnrades (D) entspricht. Dieser Laufbahn entsprechenden Schwingungen des Zapfens (Z) entlang der Symmetrieachse (x) sind auf der gezeigt. Der Markierungstyp der Kurven und dessen Punkte auf den , sind gleich. Die zeigt, dass die Kurve mit dem um 12 mm verschobenen Zapfen (Z) fällt ab (OT) des Motors etwas schneller, womit die Bildung von Stickstoffoxiden zusätzlich gemindert werden kann.

Claims (1)

  1. Exzentrisches Doppelkurbel Planetengetriebe für Atkinson-Motor das zur Verknüpfung der Innen- und Außenkurbel einer Doppelkurbel dient und mithilfe einer Pleuelstange die Hubbewegung eines Kolbens abwechselnd mit zwei verschiedenen Hubhöhen bewirkt, wobei der Kolben im seinen oberen Totpunkt schneller als im unteren Totpunkt beschleunigt wird, weshalb eine kürzere Einwirkung auf die Luft der hohen Druck und Temperatur in Verbrennungskammern des Motors erfolgt und die Bildung der Stickstoffoxide reduziert wird. Das Exzentrisches Doppelkurbel Planetengetriebe mindestens ein Planetenzahnrad enthält, dies ein am Gehäuse befestigtes Ritzel abrollt, und das folgendermaßen zusammengebaut wird: - in einem um die Achse (O) rotierenden Rahmen (Ra) im Abstand (r) zur Achse (O) ein ellipsenförmiges Zahnrad (D) exzentrisch zur eigenen Symmetrieachse in einem seiner Brennpunkte (OD) gelagert ist, der Hebel (r) bildet die Innenkurbel der Doppelkurbel; - im Abstand (rz) zur Drehachse (OD) des ellipsenförmiges Zahnrades (D) auf dessen Seitenfläche ein Zapfen (Z) für ein Pleuellager befestigt ist, der Hebel (rz) bildet die Außenkurbel der Doppelkurbel; - ein Kolben über ein Pleuel mit zwei Pleuellagern, mit dem Zapfen (Z) verbunden ist, wobei im oberen Pleuellager der Kolben mit einem Kolbenbolzen und der Zapfen (Z) im unteren Pleuellager gelagert ist; - das ellipsenförmiges Zahnrad (D) wird zur Rotation mithilfe eines baugleichen ellipsenförmigen Planetenzahnrades (C) gebracht, das im selben rotierenden Rahmen (Ra) exzentrisch zur eigenen Symmetrieachse in einem seinen Brennpunkt (OP) gelagert ist; - die Summe des Ellipse-Radius (r1) des Ellipse-Zahnrades (D) und des Ellipse-Radius (r2) des Ellipse-Planetenzahnrades (C) bleibt konstant und bestimmt den Abstand (r1 + r2) zwischen den Brennpunkten (OD) und (OP); - das ellipsenförmige Planetenzahnrad (C) in seiner Drehachse (OP) mit einem Planetenzahnrad (P) mithilfe einer Welle drehfest verbunden ist; - das Planetenzahnrad (P) mit einem Radius (p) rollt ein Ritzel (Ri) mit einem Radius (R) ab, das am Getriebegehäuse befestigt ist, und im dessen Zentrum die Achse (O) des rotierenden Rahmens (Ra) angebracht ist; - das oszillierende Übersetzungsverhältnis der zwei Ellipse-Radius (r1: r2) bestimmt die unharmonischen Schwingungen des Zapfens (Z), wodurch der Kolben im seinen oberen Totpunkt schneller, als im unteren Totpunkt beschleunigt wird; - weiterhin bestimmt das Übersetzungsverhältnis (R: p) des Ritzels (Ri) und des Planetenzahnrades (P) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) und die Hubfrequenz des Kolbens bezüglich der Drehzahl des Rahmens (Ra), wobei: - bei einem Verhältnis (R:p) = (3:1) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) drei Symmetrieachsen aufweist, die jeweils mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet sind, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb einer Umdrehung des Rahmens (Ra) erfolgt; - bei einem Verhältnis (R:p) = (5:2) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) fünf Symmetrieachsen aufweist, die jeweils mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet sind, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der zwei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt; - bei einem Verhältnis (R:p) = (3:2) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) drei Symmetrieachsen aufweist, die jeweils mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet sind, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der zwei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt; - bei einem Verhältnis (R:p) = (1:2) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) eine Symmetrieachse aufweist, die mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet ist, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der zwei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt; - bei einem Verhältnis (R:p) = (1:3) die zweidimensionale Laufbahn des Zapfens (Z) eine Symmetrieachse aufweist, die mithilfe eines Pleuels für die Hubbewegung eines Kolbens geeignet ist, dessen 4-Takt-Zyklus mit zwei verschiedenen Hubhöhen innerhalb der drei Umdrehungen des Rahmens (Ra) erfolgt.
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