DE102020125196A1 - Reciprocating machine and device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine (1), mit einem Gehäuse (2), mit mindestens einer Kurbelwelle (4), welche um eine Drehachse (5) relativ zu dem Gehäuse (2) drehbar an dem Gehäuse (2) gelagert ist, mit wenigstens einem Zylinder (3), und mit wenigstens einem translatorisch bewegbar in dem Zylinder (3) aufgenommenen Kolben (7), welcher über ein Pleuel (10) gelenkig mit der Kurbelwelle (4) gekoppelt ist, umfassend eine zweite Kurbelwelle (20), welche um eine von der Drehachse (5) beabstandete und parallel zu der Drehachse (5) verlaufende, zweite Drehachse (21) relativ zu der ersten Kurbelwelle (4) drehbar an der ersten Kurbelwelle (4) gelagert ist und einen Hubzapfen (22) aufweist, mit welchem der Kolben (7) über das Pleuel (10) gelenkig gekoppelt ist.The invention relates to a reciprocating piston machine (1) with a housing (2), with at least one crankshaft (4) which is mounted on the housing (2) so that it can rotate about an axis of rotation (5) relative to the housing (2), with at least a cylinder (3), and with at least one translationally movable piston (7) accommodated in the cylinder (3), which is coupled in an articulated manner to the crankshaft (4) via a connecting rod (10), comprising a second crankshaft (20) which is rotatably mounted on the first crankshaft (4) relative to the first crankshaft (4) about a second axis of rotation (21) spaced apart from the axis of rotation (5) and running parallel to the axis of rotation (5) and has a crank pin (22), with which the piston (7) is articulated via the connecting rod (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschinegemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit wenigstens einer solchen Hubkolbenmaschine.The invention relates to a reciprocating engine according to the preamble of
Hubkolbenmaschinen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Üblicherweise wird eine solche Hubkolbenmaschine als Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise als Verbrennungsmotor genutzt, um ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen anzutreiben.Reciprocating machines are already well known from the general state of the art. Such a reciprocating piston machine is usually used as an internal combustion engine or as an internal combustion engine in order to drive a motor vehicle such as a motor vehicle.
Des Weiteren offenbart die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hubkolbenmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Hubkolbenmaschine zu schaffen, sodass ein besonders hoher Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine realisierbar ist.The object of the present invention is to create a reciprocating piston machine and a motor vehicle with such a reciprocating piston machine, so that a particularly high degree of efficiency of the reciprocating piston machine can be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.According to the invention, this object is achieved by a reciprocating piston engine having the features of
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen vorzugsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagen. Dies bedeutet, dass die Hubkolbenmaschine vorzugsweise für ein beziehungsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Insbesondere ist die Hubkolbenmaschine als eine auch als Brennkraftmaschine, Motor oder Verbrennungsmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, welche in einem befeuerten Betrieb betreibbar ist. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels der Hubkolbenmaschine, insbesondere in dem befeuerten Betrieb, antreibbar.A first aspect of the invention relates to a reciprocating piston machine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle which is preferably designed as a passenger car. This means that the reciprocating piston engine is preferably used for or in a motor vehicle. In particular, the reciprocating piston engine is designed as an internal combustion engine, also designed as an internal combustion engine, motor or internal combustion engine, which can be operated in a fired mode. In this case, the motor vehicle can be driven by means of the reciprocating piston engine, in particular in the fired operation.
Die Hubkolbenmaschine weist ein Gehäuse auf, welches beispielsweise ein Kurbelgehäuse sein kann. Außerdem umfasst die Hubkolbenmaschine eine Kurbelwelle, welche auch als erste Kurbelwelle bezeichnet wird und um eine auch als erste Drehachse bezeichnete Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar an dem Gehäuse gelagert ist. Dies bedeutet, dass die Kurbelwelle um die erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar ist, während die Kurbelwelle an dem Gehäuse gelagert ist. Die Kurbelwelle ist beispielsweise eine Abtriebswelle der Hubkolbenmaschine, die über ihre Abtriebswelle wenigstens ein Drehmoment zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann. die Hubkolbenmaschine weist außerdem wenigstens einen Zylinder auf, welcher beispielsweise durch das Gehäuse, insbesondere direkt, begrenzt beziehungsweise gebildet ist. Somit weist beispielsweise das Gehäuse den Zylinder auf. Beispielsweise ist der Zylinder, insbesondere direkt, durch eine Zylinderwand, insbesondere des Gehäuses, gebildet beziehungsweise begrenzt. Insbesondere weist die Zylinderwand eine innenumfangsseitige Mantelfläche auf, durch welche der Zylinder vorzugsweise direkt begrenzt ist. Die Hubkolbenmaschine umfasst außerdem wenigstens einen Kolben, welcher translatorisch bewegbar in dem Zylinder aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass der Kolben in dem Zylinder relativ zu der Zylinderwand beziehungsweise relativ zu dem Gehäuse translatorisch bewegbar ist. Der Kolben ist über ein Pleuel gelenkig mit der Kurbelwelle gekoppelt, wodurch beispielsweise translatorische Bewegungen des Kolbens im Zylinder in eine relativ zu dem Gehäuse, insbesondere in eine erste Drehrichtung, erfolgende, rotatorische Bewegung beziehungsweise Drehung der Kurbelwelle umwandelbar sind.The reciprocating piston machine has a housing, which can be a crankcase, for example. In addition, the reciprocating piston machine includes a crankshaft, which is also referred to as the first crankshaft and is mounted on the housing such that it can rotate about an axis of rotation, also referred to as the first axis of rotation, relative to the housing. This means that the crankshaft is rotatable about the first axis of rotation relative to the housing, while the crankshaft is mounted on the housing. The crankshaft is, for example, an output shaft of the reciprocating engine, which can provide at least one torque for driving the motor vehicle via its output shaft. the reciprocating piston machine also has at least one cylinder, which is delimited or formed, for example, by the housing, in particular directly. Thus, for example, the housing has the cylinder. For example, the cylinder is formed or delimited, in particular directly, by a cylinder wall, in particular of the housing. In particular, the cylinder wall has a lateral surface on the inner circumference, by which the cylinder is preferably directly delimited. The reciprocating piston engine also includes at least one piston which is accommodated in the cylinder in a translationally movable manner. This means that the piston in the cylinder can be moved translationally relative to the cylinder wall or relative to the housing. The piston is coupled in an articulated manner to the crankshaft via a connecting rod, as a result of which, for example, translational movements of the piston in the cylinder can be converted into a rotary movement or rotation of the crankshaft relative to the housing, in particular in a first direction of rotation.
Beispielsweise begrenzen der Zylinder und der Kolben jeweils teilweise einen Brennraum der Hubkolbenmaschine, wobei insbesondere in dem befeuerten Betrieb der Hubkolbenmaschine in dem Brennraum Verbrennungsvorgänge ablaufen. Durch diese Verbrennungsvorgänge wird der Kolben, welcher beispielsweise in dem Zylinder zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) translatorisch bewegbar ist, angetrieben, das heißt translatorisch bewegt. Da der Kolben mit der ersten Kurbelwelle gelenkig gekoppelt ist, wird durch Antreiben des Kolbens die erste Kurbelwelle angetrieben und somit um die Drehachse, insbesondere in die erste Drehrichtung, relativ zu dem Gehäuse gedreht. Hierdurch kann die Hubkolbenmaschine über ihre Kurbelwelle das zuvor genannte Drehmoment zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Das Pleuel ist einerseits zumindest mittelbar gelenkig mit dem Kolben und andererseits zumindest mittelbar gelenkig mit der ersten Kurbelwelle gekoppelt. Beispielsweise ist das Pleuel einerseits über einen Kolbenbolzen gelenkig mit dem Kolben gekoppelt. Beispielsweise sind jeweilige Längenbereiche des Kolbenbolzens in jeweiligen Aufnahmen des Pleuels und des Kolbens aufgenommen, wodurch das Pleuel einerseits gelenkig mit dem Kolben gekoppelt ist. Unter der gelenkigen Kopplung des Pleuels mit dem Kolben ist insbesondere zu verstehen, dass das Pleuel relativ zu dem Kolben, insbesondere um eine Schwenkachse, verschwenkbar ist, während das Pleuel mit dem Kolben gekoppelt ist. Vorzugsweise verläuft die Schwenkachse parallel zur ersten Drehachse.For example, the cylinder and the piston each partially delimit a combustion chamber of the reciprocating piston engine, with combustion processes taking place in the combustion chamber in particular when the reciprocating piston engine is in the fired operation. The piston, which can be moved in a translatory manner in the cylinder between a bottom dead center (UT) and a top dead center (OT), is driven by these combustion processes, that is to say moved in a translatory manner. Since the piston is articulated to the first crankshaft, the first crankshaft is driven by driving the piston and is thus rotated about the axis of rotation, in particular in the first direction of rotation, relative to the housing. As a result, the reciprocating piston machine can provide the aforementioned torque for driving the motor vehicle via its crankshaft. The connecting rod is, on the one hand, at least indirectly articulated to the piston and, on the other hand, at least indirectly articulated to the first crankshaft. For example, the connecting rod is coupled to the piston in an articulated manner via a piston pin. For example, respective longitudinal areas of the piston pin are accommodated in respective receptacles of the connecting rod and the piston, as a result of which the connecting rod is coupled to the piston in an articulated manner. The articulated coupling of the connecting rod to the piston means in particular that the connecting rod can be pivoted relative to the piston, in particular about a pivot axis is pivotable while the connecting rod is coupled to the piston. The pivot axis preferably runs parallel to the first axis of rotation.
Um nun einen besonders hohen Wirkungsgrad der auch als Kolbenmotor bezeichneten und als Kolbenmotor ausgebildeten Hubkolbenmaschine realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hubkolbenmaschine eine insbesondere separat von der ersten Kurbelwelle ausgebildete zweite Kurbelwelle aufweist, welche um eine zweite Drehachse relativ zu der ersten Kurbelwelle drehbar an der ersten Kurbelwelle gelagert ist. Die zweite Drehachse ist dabei von der ersten Drehachse beabstandet, wobei die zweite Drehachse parallel zur ersten Drehachse verläuft. Somit kann sich die zweite Kurbelwelle um die zweite Drehachse relativ zu der ersten Kurbelwelle drehen beziehungsweise die zweite Kurbelwelle kann um die zweite Drehachse relativ zu der ersten Kurbelwelle gedreht werden, während die zweite Kurbelwelle an der ersten Kurbelwelle gelagert ist beziehungsweise während die zweite Kurbelwelle mit der ersten Kurbelwelle verbunden beziehungsweise gekoppelt ist. Außerdem weist die zweite Kurbelwelle einen Hubzapfen auf, mit welchem der Kolben über das Pleuel gelenkig gekoppelt ist. Unter dem Hubzapfen und der gelenkigen Kopplung des Kolbens über das Pleuel mit dem Hubzapfen ist insbesondere Folgendes zu verstehen: Der Hubzapfen beziehungsweise dessen Längsachse, insbesondere Längsmittelachse, ist vorzugsweise von den Drehachsen beabstandet und verläuft parallel zu den Drehachsen. Das einerseits gelenkig mit dem Kolben gekoppelte Pleuel ist andererseits gelenkig mit dem Hubzapfen gekoppelt, insbesondere derart, dass das Pleuel an oder auf dem Hubzapfen gelenkig, insbesondere drehbar beziehungsweise schwenkbar, gelagert ist, insbesondere derart, dass das Pleuel über eine zweite Schwenkachse relativ zu dem Hubzapfen verschwenkbar ist, während das Pleuel mit dem Hubzapfen gekoppelt beziehungsweise verbunden, das heißt an dem Hubzapfen gelagert ist.In order to be able to achieve a particularly high degree of efficiency of the reciprocating-piston machine, also referred to as a piston engine and designed as a piston engine, it is provided according to the invention that the reciprocating-piston machine has a second crankshaft, which is designed in particular separately from the first crankshaft and which rotates about a second axis of rotation relative to the first crankshaft is rotatably mounted on the first crankshaft. The second axis of rotation is spaced apart from the first axis of rotation, with the second axis of rotation running parallel to the first axis of rotation. Thus, the second crankshaft can rotate about the second axis of rotation relative to the first crankshaft or the second crankshaft can be rotated about the second axis of rotation relative to the first crankshaft, while the second crankshaft is mounted on the first crankshaft or while the second crankshaft is connected to the first crankshaft is connected or coupled. In addition, the second crankshaft has a crank pin, with which the piston is coupled in an articulated manner via the connecting rod. The crank pin and the articulated coupling of the piston to the crank pin via the connecting rod mean in particular the following: the crank pin or its longitudinal axis, in particular the longitudinal center axis, is preferably spaced apart from the axes of rotation and runs parallel to the axes of rotation. The connecting rod, which on the one hand is articulated to the piston, is on the other hand articulated to the crankpin, in particular in such a way that the connecting rod is articulated, in particular rotatable or pivotable, on or on the crankpin, in particular in such a way that the connecting rod has a second pivot axis relative to the Crank pin is pivotable, while the connecting rod coupled or connected to the crank pin, that is, is mounted on the crank pin.
Die zweite Schwenkachse ist beispielsweise von der ersten Schwenkachse beabstandet, wobei die zweite Schwenkachse parallel zu der ersten Schwenkachse verlaufen kann. Beispielsweise fällt die zweite Schwenkachse mit der zuvor genannten Längsachse beziehungsweise Längsmittelachse zusammen. Da die erste Drehachse von der zweiten Drehachse beabstandet ist und parallel zu der zweiten Drehachse verläuft, weisen die Drehachsen einen senkrecht zu den Drehachsen verlaufenden, ersten Abstand zueinander auf. Da außerdem die zweite Schwenkachse von den Drehachsen beabstandet ist und vorzugsweise parallel zu den Drehachsen verläuft, weisen die zweite Schwenkachse und die zweite Drehachse einen senkrecht zu der zweiten Schwenkachse und senkrecht zu der zweiten Drehachse verlaufenden, zweiten Abstand zueinander auf. Der erste Abstand ist ein erster Radius eines ersten Kreises, dessen Mittelpunkt auf der ersten Drehachse liegt, wobei dann, wenn die erste Kurbelwelle um die erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse gedreht wird, die zweite Drehachse entlang des ersten Kreises bewegt wird beziehungsweise den ersten Kreis beschreibt oder abfährt. Der zweite Abstand ist ein zweiter Radius eines zweiten Kreises, dessen Mittelpunkt auf der zweiten Drehachse liegt. Wird nun die zweite Kurbelwelle um die zweite Drehachse relativ zu der ersten Kurbelwelle gedreht, so wird die zweite Schwenkachse entlang des zweiten Kreises bewegt beziehungsweise die zweite Schwenkachse beschreibt den zweiten Kreis oder fährt den zweiten Kreis ab. Der zweite Kreis bewegt sich wiederum selbst fort, denn sein Mittelpunkt liegt auf dem Radius des ersten Kreises, also wie ein Rad, das in einem Hohlrad abrollt. Hierdurch kann eine Kurbelkinematik beziehungsweise ein zumindest die Kurbelwellen, das Pleuel und den Kolben umfassender Kurbeltrieb geschaffen werden, sodass im Vergleich zu herkömmlichen Hubkolbenmaschinen ein besonders hoher beziehungsweise ein höherer Wirkungsgrad dargestellt werden kann. Dadurch können der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen der Hubkolbenmaschine besonders gering gehalten werden.The second pivot axis is spaced apart from the first pivot axis, for example, it being possible for the second pivot axis to run parallel to the first pivot axis. For example, the second pivot axis coincides with the aforementioned longitudinal axis or longitudinal center axis. Since the first axis of rotation is spaced apart from the second axis of rotation and runs parallel to the second axis of rotation, the axes of rotation are at a first distance from one another, running perpendicularly to the axes of rotation. In addition, since the second pivot axis is spaced from the pivot axes and preferably parallel to the pivot axes, the second pivot axis and the second pivot axis have a second spacing perpendicular to the second pivot axis and perpendicular to the second pivot axis. The first distance is a first radius of a first circle centered on the first axis of rotation, wherein when the first crankshaft is rotated about the first axis of rotation relative to the housing, the second axis of rotation is moved along the first circle describes or departs. The second distance is a second radius of a second circle centered on the second axis of rotation. If the second crankshaft is now rotated about the second axis of rotation relative to the first crankshaft, the second pivot axis is moved along the second circle or the second pivot axis describes the second circle or travels the second circle. The second circle in turn moves itself because its center is on the radius of the first circle, i.e. like a wheel that rolls in a ring gear. As a result, crank kinematics or a crank mechanism comprising at least the crankshaft, the connecting rod and the piston can be created, so that a particularly high or higher degree of efficiency can be achieved compared to conventional reciprocating piston machines. As a result, the fuel consumption and thus the CO 2 emissions of the reciprocating engine can be kept particularly low.
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde. Der Wirkungsgrad einer insbesondere als Verbrennungsmotor ausgebildeten Hubkolbenmaschine wird im Wesentlichen durch zwei Prozessgrößen bestimmt: Eine erste der Prozessgrößen ist die Länge des Expansionswegs, der beispielsweise von dem Kolben während eines auch als Arbeitstakt bezeichneten Expansionstakts der vorzugsweise als Vier-Takt-Motor ausgebildeten Hubkolbenmaschine zurückgelegt wird. Die zweite Prozessgröße ist der Kolbenmitteldruck beziehungsweise der Wert der Integration über pdV, bedingt durch den maximalen Druck pmax im Brennraum und den minimalen Druck pmin im Brennraum - und damit letztendlich durch den so genannten Mitteldruck p_mittel. Der auch als Kolbenmitteldruck oder Brennraumdruck bezeichnete Mitteldruck p_mittel ist üblicherweise technisch-konzeptionell durch physikalische Eigenschaften eines Kraftstoffs begrenzt, welcher verwendet wird, um die Hubkolbenmaschine in dem befeuerten Betrieb zu betreiben. In dem befeuerten Betrieb wird während eines jeweiligen, sich beispielsweise über genau 720 Grad Kurbelwinkel erstreckenden Arbeitsspiels der Hubkolbenmaschine wenigstens eine Menge des beispielsweise flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt. Hierdurch wird der Brennraum mit dem Kraftstoff versorgt. Außerdem wird Luft in den Brennraum eingebracht, wobei aus der Luft und dem Kraftstoff ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes, Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels verbrannt, sodass es zu dem jeweiligen Verbrennungsvorgang kommt. Mit anderen Worten wird das Gemisch im Rahmen des jeweiligen Verbrennungsvorgangs verbrannt, wodurch der Kolben und über den Kolben und das Pleuel die als Abtriebswelle fungierende erste Kurbelwelle angetrieben werden.The invention is based in particular on the following findings and considerations. The efficiency of a reciprocating piston engine designed in particular as an internal combustion engine is essentially determined by two process variables: A first of the process variables is the length of the expansion path that is covered, for example, by the piston during an expansion stroke, also known as a power stroke, of the reciprocating piston engine, which is preferably designed as a four-stroke engine . The second process variable is the piston mean pressure or the value of the integration via pdV, caused by the maximum pressure pmax in the combustion chamber and the minimum pressure pmin in the combustion chamber - and thus ultimately by the so-called mean pressure p_mean. The mean pressure p_medium, also referred to as mean piston pressure or combustion chamber pressure, is usually technically and conceptually limited by the physical properties of a fuel that is used to operate the reciprocating piston engine in the fired mode. In the fired operation, at least a quantity of the liquid or gaseous fuel, for example, is introduced into the combustion chamber, in particular injected directly, during a respective working cycle of the reciprocating piston engine, which extends, for example, over exactly 720 crank angle degrees. As a result, the combustion chamber is supplied with fuel. In addition, air is introduced into the combustion chamber, with the air and fuel forming a fuel-air mixture, also simply referred to as a mixture. mixture is generated. The fuel-air mixture is burned within the respective working cycle, so that the respective combustion process occurs. In other words, the mixture is burned as part of the respective combustion process, as a result of which the piston and, via the piston and the connecting rod, the first crankshaft, which functions as the output shaft, are driven.
Als der Kraftstoff kann ein Ottokraftstoff beziehungsweise Benzin verwendet werden. Somit kann die Hubkolbenmaschine als Benzin- beziehungsweise Ottomotor ausgebildet sein. Der Kolbenmitteldruck wird im Hinblick auf den Ottokraftstoff durch dessen Klopffestigkeit begrenzt. Ferner ist es denkbar, als den Kraftstoff einen Dieselkraftstoff zu verwenden, sodass die Hubkolbenmaschine beispielsweise als ein Dieselmotor ausgebildet sein kann. Während bei dem Ottomotor das Gemisch per Fremdzündung gezündet wird, erfolgt beim Dieselmotor eine Zündung des Gemisches per Selbstzündung. Im Hinblick auf den Dieselkraftstoff beziehungsweise den Dieselmotor wird der Kolbenmitteldruck durch den Druck beziehungsweise die Temperatur der Selbstzündung begrenzt. Beide Grenzen machen eine Anhebung des maximalen Drucks beziehungsweise der maximalen Temperatur insbesondere im Hinblick auf den so genannten Carnot-Wirkungsgrad ohne nennenswerte Änderungen üblicherweise unmöglich. Vor diesem Hintergrund ermöglicht die Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine Erhöhung der Verdichtung, möglichst bis hin zur Selbstzündungsgrenze, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine darstellbar ist.Otto fuel or gasoline can be used as the fuel. Thus, the reciprocating engine can be designed as a gasoline or Otto engine. With regard to petrol, mean piston pressure is limited by its knock resistance. It is also conceivable to use diesel fuel as the fuel, so that the reciprocating piston machine can be designed as a diesel engine, for example. While the mixture is ignited by spark ignition in the petrol engine, the mixture is ignited by self-ignition in the diesel engine. With regard to diesel fuel or the diesel engine, the mean piston pressure is limited by the pressure or the temperature of the self-ignition. Both limits usually make it impossible to increase the maximum pressure or the maximum temperature, in particular with regard to the so-called Carnot efficiency, without significant changes. Against this background, the invention makes it possible to increase the compression compared to conventional solutions, if possible up to the self-ignition limit, as a result of which a particularly high efficiency of the reciprocating piston engine can be achieved.
Bei einer jeweiligen, vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle kommt diese in unterschiedliche Drehstellungen, welche auch als Kurbelwinkel, Kurbelwinkelpositionen oder Gradkurbelwinkel bezeichnet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ermöglicht die Erfindung nun eine Verschiebung der maximalen Verdichtung des Gemisches im Zylinder beziehungsweise im Brennraum auf eine Drehstellung beziehungsweise auf einen Kurbelwinkel, die beziehungsweise der hinter dem oberen Totpunkt des Kolbens und/oder hinter einem oberen Totpunkt liegt, welcher nur durch Verwendung der ersten Kurbelwelle und somit bei herkömmlichen Hubkolbenmaschinen realisierbar wäre. Insbesondere kann durch die Erfindung eine solche Nachverdichtung des Gemisches in dem Zylinder realisiert werden, wobei die Nachverdichtung auf den oberen Totpunkt des Kolbens vor, das heißt sich innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels an den oberen Totpunkt des Kolbens anschließt.With a respective, complete rotation of the crankshaft, it comes into different rotational positions, which are also referred to as crank angles, crank angle positions or degree crank angles. Compared to conventional solutions, the invention now enables the maximum compression of the mixture in the cylinder or in the combustion chamber to be shifted to a rotational position or to a crank angle which lies behind the top dead center of the piston and/or behind a top dead center which is only through Use of the first crankshaft and thus would be feasible in conventional reciprocating engines. In particular, such a post-compression of the mixture in the cylinder can be realized by the invention, with the post-compression before the top dead center of the piston, ie within the respective working cycle following the top dead center of the piston.
Um einen besonders wirkungsgradgünstigen Betrieb der Hubkolbenmaschine realisieren zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Kurbelwelle derart mit dem Gehäuse, insbesondere formschlüssig gekoppelt ist, dass aus einer um die erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse erfolgenden Drehung der ersten Kurbelwelle eine um die zweite Drehachse relativ zu dem Gehäuse und relativ zu der ersten Kurbelwelle erfolgende Drehung der zweiten Kurbelwelle resultiert. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die zweite Kurbelwelle derart, insbesondere direkt, mit dem Gehäuse gekoppelt ist, dass dann, wenn die erste Kurbelwelle um die erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse gedreht wird, daraus resultierend die zweite Kurbelwelle über die zweite Drehachse relativ zu dem Gehäuse und relativ zu der ersten Kurbelwelle gedreht wird, beziehungsweise umgekehrt. Insbesondere können dadurch definierte Drehstellungen beziehungsweise Drehpositionen der Kurbelwellen relativ zueinander sichergestellt werden, sodass ein besonders effektiver und effizienter Betrieb darstellbar ist. Insbesondere während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine hat die primäre, erste Kurbelwelle KW nur eine Drehzahl, nämlich die um erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse. Die sekundäre, zweite Kurbelwelle hat zwei Drehzahlen nämlich, erstens eine quasi translatorische Rotationsbewegung, mit der sie die Rotationsachse der primären Kurbelwelle umkreist, was der Drehzahl der primären Kurbelwelle entspricht, und zweitens eine Eigenrotationsdrehzahl um die eigene, zweite Drehachse, die durch eine Abrollbewegung auf einem entsprechenden, sich beispielsweise auf die ersten Drehachse beziehenden Radius bedingt ist bzw. durch entsprechende Radien gegenüber der Drehzahl der primären Kurbelwelle dimensioniert werden kann.In order to be able to achieve particularly efficient operation of the reciprocating piston machine, one embodiment of the invention provides that the second crankshaft is coupled to the housing, in particular in a form-fitting manner, such that the first crankshaft rotates about the first axis of rotation relative to the housing rotation of the second crankshaft about the second axis of rotation relative to the housing and relative to the first crankshaft results. In other words, it is preferably provided that the second crankshaft is coupled, in particular directly, to the housing in such a way that when the first crankshaft is rotated about the first axis of rotation relative to the housing, the second crankshaft results via the second axis of rotation is rotated relative to the housing and relative to the first crankshaft, and vice versa. In particular, defined rotational positions or rotational positions of the crankshafts relative to one another can be ensured in this way, so that particularly effective and efficient operation can be achieved. In particular, during operation of the reciprocating piston engine, the primary, first crankshaft KW has only one speed, namely about the first axis of rotation relative to the housing. The secondary, second crankshaft has two speeds, namely, firstly a quasi-translational rotational movement with which it circles the axis of rotation of the primary crankshaft, which corresponds to the speed of the primary crankshaft, and secondly a self-rotational speed around its own, second axis of rotation, which is caused by a rolling movement a corresponding radius, for example relating to the first axis of rotation, or can be dimensioned by corresponding radii in relation to the rotational speed of the primary crankshaft.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Kurbelwelle derart, insbesondere formschlüssig, mit dem Gehäuse gekoppelt ist, dass aus einer um die erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse in die erste Drehrichtung erfolgenden Drehung der ersten Kurbelwelle eine um die zweite Drehachse relativ zu dem Gehäuse und relativ zu der ersten Kurbelwelle in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte, zweite Drehrichtung erfolgende Drehung der zweiten Kurbelwelle resultiert. Während sich somit beispielsweise während des befeuerten Betriebs der Hubkolbenmaschine die erste Kurbelwelle um die erste Drehachse in die erste Drehrichtung dreht, dreht sich die zweite Kurbelwelle um die zweite Drehachse relativ zu dem Gehäuse und relativ zu der ersten Kurbelwelle in die zweite Drehrichtung, die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist. A further embodiment is characterized in that the second crankshaft is coupled to the housing, in particular in a form-fitting manner, in such a way that a rotation of the first crankshaft around the first axis of rotation relative to the housing in the first direction of rotation results in a rotation around the second axis of rotation relative to the housing and relative to the first crankshaft results in rotation of the second crankshaft in the opposite direction to the first direction of rotation, in the second direction of rotation. For example, while the first crankshaft rotates about the first axis of rotation in the first direction of rotation during fired operation of the reciprocating piston engine, the second crankshaft rotates about the second axis of rotation relative to the housing and relative to the first crankshaft in the second direction of rotation, which is the first Direction of rotation is opposite.
Wieder mit anderen Worten ausgedrückt sind die Drehrichtungen gegenbeziehungsweise widersinnig, wodurch auf recht einfache Weise ein besonders hoher Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine dargestellt werden kann. Ferner ist es denkbar, dass die Drehungen bzw. Drehzahlen der Kurbelwellen gleichgerichtet sind. Mit anderen Worten, wenn sich z.B. die primäre Kurbelwelle in eine erste der Drehrichtungen dreht, umkreist die Rotationsachse der sekundären Kurbelwelle die primäre Kurbelwelle in die erste Drehrichtung, die Eigenrotation der sekundären Kurbelwelle erfolgt in die zweite Drehrichtung, mithin dreht sich die sekundäre Kurbellwelle um ihre Drehachse in die zweite Drehrichtung, insbesondere bei Verwendung des Hohlrads und somit einer Hohlradverzahnung anstelle eines Stirnrads bzw. einer Stirnradverzahnung. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass die zweite Kurbelwelle derart, insbesondere formschlüssig, mit dem Gehäuse gekoppelt ist, dass aus einer um die erste Drehachse relativ zu dem Gehäuse in die erste Drehrichtung erfolgenden Drehung der ersten Kurbelwelle eine um die zweite Drehachse relativ zu dem Gehäuse und relativ zu der ersten Kurbelwelle in die erste Drehrichtung erfolgende Drehung der zweiten Kurbelwelle resultiert.To put it another way, the directions of rotation are opposite or contradictory, which means that the reciprocating piston machine has a particularly high degree of efficiency in a very simple manner can be provided. Furthermore, it is conceivable that the rotations or speeds of the crankshafts are rectified. In other words, if, for example, the primary crankshaft rotates in a first of the directions of rotation, the axis of rotation of the secondary crankshaft orbits the primary crankshaft in the first direction of rotation, the secondary crankshaft rotates in the second direction of rotation, thus the secondary crankshaft rotates about its own Axis of rotation in the second direction of rotation, in particular when using the ring gear and thus a ring gear toothing instead of a spur gear or a spur gear toothing. In other words, it is conceivable that the second crankshaft is coupled to the housing, in particular in a form-fitting manner, such that a rotation of the first crankshaft about the first axis of rotation relative to the housing in the first direction of rotation results in a rotation about the second axis of rotation relative to the Housing and relative to the first crankshaft in the first direction of rotation occurring rotation of the second crankshaft results.
Um einen besonders hohen Wirkungsgrad und dabei insbesondere die zuvor geschriebene Nachverdichtung realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Kurbelwelle derart mit dem Gehäuse, insbesondere formschlüssig, gekoppelt ist, dass sich die zweite Kurbelwelle dann, wenn sich die erste Kurbelwelle mit einer ersten Drehzahl um die erste Drehachse dreht, die zweite Kurbelwelle um die zweite Drehachse mit einer zweiten Drehzahl dreht, welche ein ganzzahliges Vielfaches der halben ersten Drehzahl ist.In order to be able to achieve a particularly high level of efficiency and in particular the post-compression described above, it is provided in a further embodiment of the invention that the second crankshaft is coupled to the housing, in particular in a form-fitting manner, that the second crankshaft then moves when the the first crankshaft rotates at a first speed about the first axis of rotation, the second crankshaft rotates about the second axis of rotation at a second speed, which is an integral multiple of half the first speed.
Wie oben beschrieben hat die sekundäre Kurbelwelle zwei Drehzahlen: eine Bahndrehzahl um die erste Drehachse, insbesondere relativ zu dem Gehäuse, und eine Eigenrotation oder Eigenrotationsdrehzahl um die zweite Drehachse, insbesondere relativ zu der ersten Kurbelwelle. Vorzugsweise ist eine solche Kinematik vorgesehen, dass die Eigenrotationsdrehzahl der sekundären, zweite Kurbelwelle über, insbesondere genau, zwei, insbesondere vollständige und um die erste Drehachse erfolgende, Umdrehungen der primären, ersten Kurbelwelle, selbst, insbesondere genau, eine Eigenrotation bzw. vollständige Umdrehung, insbesondere um die zweite Drehachse, vollführt oder einen höheren geradzahligen Wert (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 etc.).As described above, the secondary crankshaft has two speeds: a web speed about the first axis of rotation, particularly relative to the housing, and a self-rotation or intrinsic rotational speed about the second axis of rotation, particularly relative to the first crankshaft. Kinematics are preferably provided such that the intrinsic rotational speed of the secondary, second crankshaft over, in particular precisely, two, in particular complete, revolutions of the primary, first crankshaft, taking place around the first axis of rotation, itself, in particular precisely, one intrinsic rotation or complete revolution, in particular around the second axis of rotation, or a higher even value (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 etc.).
Ferner ist es denkbar, dass sich die zweite Kurbelwelle dann, wenn sich die erste Kurbelwelle mit der ersten Drehzahl um die erste Drehachse dreht, die zweite Kurbelwelle um die zweite Drehachse mit einer zweiten Drehzahl dreht, welche ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der ersten Drehzahl ist.It is also conceivable that when the first crankshaft rotates at the first speed about the first axis of rotation, the second crankshaft rotates the second crankshaft about the second axis of rotation at a second speed, which is an integer multiple of half the first speed .
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die zweite Drehzahl mindestens oder genau das Vierfache der ersten Drehzahl ist. Mit anderen Worten ist die zweite Drehzahl mindestens oder genau viermal so groß wie die erste Drehzahl. Hierdurch kann ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb gewährleistet werden. Mit dem oben genannt, ungeradzahligen und/oder ganzzahligen Vielfachen bzw. ganzzahligen Vielfachen, insbesondere der Hälfte der erste ersten Drehzahl, wäre die zweite Drehzahl z.B. das 1,5-fache der ersten Drehzahl, oder das 2,5-fache etc. Dann kann der Kolbenhub-Verlauf über einen Winkeloffset bzw. -versatz so gegenüber dem Kurbelwinkel der ersten, primären Kurbelwelle KW-Winkel bzw. x_KW „verkippt“ werden, dass Verdichtungsweg und Expansionsweg unterschiedlich groß sind.It has proven to be particularly advantageous if the second speed is at least or exactly four times the first speed. In other words, the second speed is at least or exactly four times the first speed. A particularly efficient operation can be ensured in this way. With the odd and/or integer multiples or integer multiples mentioned above, in particular half of the first speed, the second speed would be, for example, 1.5 times the first speed, or 2.5 times etc. Then it can the piston stroke course is “tilted” via an angular offset or offset in relation to the crank angle of the first, primary crankshaft KW angle or x_KW, so that the compression path and expansion path are of different sizes.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Hubkolbenmaschine wenigstens ein an dem Gehäuse vorgesehenes, erstes Zahnrad auf. Das erste Zahnrad weist eine erste Verzahnung auf. Beispielsweise ist das erste Zahnrad als ein Stirnrad ausgebildet. Außerdem weist die Hubkolbenmaschine ein an der zweiten Kurbelwelle vorgesehenes, zweites Zahnrad auf, welches direkt mit dem ersten Zahnrad in Eingriff steht. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Verzahnungen direkt ineinander eingreifen. Dadurch, dass Zahnräder in gegenseitigem Eingriff stehen, ist die zweite Kurbelwelle mit dem Gehäuse, insbesondere direkt und formschlüssig, gekoppelt. Unter der Kopplung der zweiten Kurbelwelle mit dem Gehäuse ist nicht etwa eine gehäusefest Anbindung der zweiten Kurbelwelle an das Gehäuse, sondern eine Kopplung im Sinne einer kinematisch geführten Bewegung zu verstehen.In a further, particularly advantageous embodiment of the invention, the reciprocating piston machine has at least one first gear wheel provided on the housing. The first gear has a first set of teeth. For example, the first gear is designed as a spur gear. In addition, the reciprocating piston machine has a second gear wheel which is provided on the second crankshaft and which meshes directly with the first gear wheel. This means, in particular, that the teeth mesh directly with one another. Due to the fact that gears are in mutual engagement, the second crankshaft is coupled to the housing, in particular directly and in a form-fitting manner. The coupling of the second crankshaft to the housing is not to be understood as meaning a connection of the second crankshaft to the housing fixed to the housing, but rather a coupling in the sense of a kinematically guided movement.
Die Zahnräder ermöglichen eine vorteilhafte, schlupffreie oder schlupfarme Abrollbewegung bzw. Kopplung der zweiten, sekundären Kurbelwelle mit dem Gehäuse gefordert. Ferner ist alternativ oder zusätzlich eine andere Kopplung denkbar, z.B. eine reibschlüssige Abrollung bzw. Kopplung zwischen Gehäuse und zweiter Kurbelwelle.The gears enable an advantageous, slip-free or low-slip rolling movement or coupling of the second, secondary crankshaft with the housing. Furthermore, another coupling is conceivable as an alternative or in addition, e.g. a frictional roll-off or coupling between the housing and the second crankshaft.
Um definierte Drehstellungen der Kurbelwellen relativ zueinander sicherstellen und somit einen besonders wirkungsgradgünstigen Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das erste Zahnrad drehfest mit dem Gehäuse verbunden ist. Insbesondere ist das erste Zahnrad koaxial zur ersten Drehachse angeordnet. Dabei ist es denkbar, dass das erste Zahnrad separat von dem Gehäuse ausgebildet und drehfest mit dem Gehäuse verbunden ist. Ferner ist es denkbar, dass das erste Zahnrad einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das erste Zahnrad an dem Gehäuse derart festgelegt, dass rotatorische und translatorische Relativbewegungen zwischen dem ersten Zahnrad und dem Gehäuse unterbleiben. Mithin ist vorzugsweise das erste Zahnrad an dem Gehäuse festgelegt, sowohl rotatorisch als auch translatorisch.In order to ensure defined rotational positions of the crankshafts relative to one another and thus to be able to implement particularly efficient operation, it is provided in a further embodiment of the invention that the first gear wheel is non-rotatably connected to the housing. In particular, the first gear wheel is arranged coaxially to the first axis of rotation. It is conceivable that the first gear wheel is formed separately from the housing and is connected to the housing in a rotationally fixed manner. Furthermore, it is conceivable that the first gear is formed integrally with the housing. The first gear wheel is preferably fixed to the housing in such a way that rotational and translational relative movements between the first gear wheel and the housing do not take place. Consequently, the first gear wheel is preferably fixed to the housing, both rotationally and translationally.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Zahnrad relativ zu dem Gehäuse verdrehbar ist. Beispielsweise kann das erste Zahnrad, insbesondere um wenigstens einen diskreten Winkelversatz, in unterschiedliche Drehstellungen relativ zu dem Gehäuse gedreht und in den Drehstellungen relativ zu dem Gehäuse fixiert werden. Beispielsweise kann das erste Zahnrad um seine eigene Längsachse und vorzugsweise relativ zu der Drehachse der primären Kurbelwelle verdreht werden.In a further embodiment of the invention, provision is made for the first gear wheel to be rotatable relative to the housing. For example, the first gear can be rotated, in particular by at least one discrete angular offset, into different rotational positions relative to the housing and fixed in the rotational positions relative to the housing. For example, the first gear may be rotated about its own longitudinal axis and preferably relative to the axis of rotation of the primary crankshaft.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Zahnrad als ein Hohlrad ausgebildet ist. Dadurch können die Zahnräder besonders vorteilhaft und bauraumgünstig miteinander kämmen, sodass die Kurbelwellen besonders vorteilhaft bewegungstechnisch miteinander gekoppelt sind. Das erste Zahnrad kann beispielsweise eine Kegelförmige Verzahnung haben bzw. kann als ein Kegelrad ausgebildet sein, was zu einer einfachen Montage führen könnte. Ferner kann das erste Zahnrad eine Stirnverzahnung, insbesondere axial, nicht oder auch radial, aufweisen, mithin als ein Stirnrad ausgebildet sein. Mischformen sind denkbar. Insbesondere kann das erste Zahnrad ein Kegelrad oder ein anderes Zahnrad sein.A further embodiment is characterized in that the first gear wheel is designed as a ring gear. As a result, the gears can mesh with one another in a particularly advantageous and space-saving manner, so that the crankshafts are particularly advantageously coupled to one another in terms of movement. The first gear wheel can, for example, have a conical toothing or can be designed as a bevel gear, which could lead to simple assembly. Furthermore, the first gear can have spur gearing, in particular axially, not or also radially, and can therefore be designed as a spur gear. Mixed forms are conceivable. In particular, the first gear can be a bevel gear or another gear.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Zahnrad drehfest mit der zweiten Kurbelwelle verbunden ist. Beispielsweise ist das zweite Zahnrad koaxial zur zweiten Drehachse angeordnet. Es ist denkbar, dass das zweite Zahnrad separat von der zweiten Kurbelwelle ausgebildet und drehfest mit der zweiten Kurbelwelle verbunden ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch gezeigt, wenn das zweite Zahnrad einstückig mit der zweiten Kurbelwelle ausgebildet ist. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad gewährleistet werden.In a further embodiment of the invention, it is provided that the second gear wheel is connected in a rotationally fixed manner to the second crankshaft. For example, the second gear wheel is arranged coaxially to the second axis of rotation. It is conceivable that the second gear wheel is formed separately from the second crankshaft and is connected to the second crankshaft in a torque-proof manner. However, it has proven to be particularly advantageous if the second gear wheel is designed in one piece with the second crankshaft. This ensures a particularly high level of efficiency.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche wenigstens eine Hubkolbenmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Vorzugsweise ist die Vorrichtung ein Fahrzeug, welches mittels der Hubkolbenmaschine, insbesondere über deren Kurbelwelle, antreibbar ist. Das Fahrzeug ist vorzugsweise ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Kraftwagen und ganz insbesondere ein Personenkraftwagen. Ferner kann die Vorrichtung, insbesondere das Fahrzeug, als ein Wasserfahrzeug, insbesondere als ein Schiff oder Boot, als ein Landfahrzeug, als ein Schienenfahrzeug oder als ein Flugzeug ausgebildet sein.A second aspect of the invention relates to a device which has at least one reciprocating piston machine according to the first aspect of the invention. Advantages and advantageous configurations of the first aspect of the invention are to be regarded as advantages and advantageous configurations of the second aspect of the invention and vice versa. The device is preferably a vehicle which can be driven by means of the reciprocating piston machine, in particular via its crankshaft. The vehicle is preferably a motor vehicle, in particular a motor vehicle and very particularly a passenger car. Furthermore, the device, in particular the vehicle, can be designed as a watercraft, in particular as a ship or boat, as a land vehicle, as a rail vehicle or as an airplane.
Insgesamt ist erkennbar, dass die zweite Kurbelwelle bezogen auf einen Kraftfluss zwischen der ersten Kurbelwelle und dem Pleuel angeordnet und dabei insbesondere zwischen die erste Kurbelwelle und das Pleuel integriert ist. Die erste Drehzahl wird auch als Kurbelwellendrehzahl bezeichnet wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass dann, wenn die erste Kurbelwelle mit der Kurbelwellendrehzahl rotiert, die zweite Kurbelwelle mit einem, insbesondere ganzzahligen und/oder ungeradzahligen, vielfachen der Kurbelwellendrehzahl oder deren Hälfte rotiert. Diese Rotationen beziehungsweise Rotationsbewegungen der Kurbelwellen relativ zueinander können insbesondere dadurch sichergestellt werden, dass die Zahnräder miteinander, insbesondere direkt, kämmen, wobei vorzugsweise das erste Zahnrad ein so genanntes Festrad ist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass das erste Zahnrad gegen relativ zu dem Gehäuse erfolgende Drehungen gesichert ist. Insbesondere ist das beispielsweise separat von dem Gehäuse ausgebildete Festrad an dem Gehäuse montiert und somit insbesondere drehfest mit dem Gehäuse verbunden.Overall, it can be seen that the second crankshaft is arranged between the first crankshaft and the connecting rod in relation to a power flow and is integrated in particular between the first crankshaft and the connecting rod. The first speed is also referred to as the crankshaft speed, it being preferably provided that when the first crankshaft rotates at the crankshaft speed, the second crankshaft rotates at a multiple, in particular an integer and/or odd number, of the crankshaft speed or half thereof. These rotations or rotational movements of the crankshafts relative to one another can be ensured in particular by the gears meshing with one another, in particular directly, with the first gear preferably being a so-called fixed gear. This means in particular that the first gear wheel is secured against rotation relative to the housing. In particular, the fixed wheel, which is formed separately from the housing, for example, is mounted on the housing and is therefore connected to the housing in a rotationally fixed manner.
Durch die so genannte Fourier-Überlagerung der Umlauffrequenzen der beiden Kurbelwellen sind dann verschiedene Pleuelwegcharakteristiken wählbar. Unter der jeweiligen Pleuelwegcharakteristik ist eine Charakteristik eines Wegs zu verstehen, der von dem Pleuel während einer vollständigen Umdrehung der ersten Kurbelwelle oder während eines Arbeitsspiels der Hubkolbenmaschine und somit während zwei vollständigen Umdrehungen der ersten Kurbelwelle zurückgelegt wird. Insbesondere ist es durch die Verwendung der gelenkig miteinander gekoppelten Kurbelwellen möglich, dass die insbesondere während des jeweiligen Arbeitsspiels in dem Zylinder stattfindende, maximale geometrische Verdichtung nicht in dem oberen Totpunkt des Kolbens, sondern dahinter liegt.Different connecting rod travel characteristics can then be selected by the so-called Fourier superimposition of the rotational frequencies of the two crankshafts. The respective connecting rod path characteristic is a characteristic of a path that is covered by the connecting rod during one complete revolution of the first crankshaft or during one working cycle of the reciprocating piston engine and thus during two complete revolutions of the first crankshaft. In particular, it is possible through the use of the crankshafts coupled to one another in an articulated manner that the maximum geometric compression taking place in the cylinder during the respective working cycle is not in the top dead center of the piston, but behind it.
Der Kolben bzw. dessen Weg bestimmt die maximale geometrische Verdichtung, welche nun nicht mehr mit dem oberen Totpunkt einer Kurbel der ersten Kurbelwelle zusammenfällt, sondern die maximale geometrische Verdichtung folgt zeitlich auf das Erreichen des oberen Totpunkts durch die Kurbel der primären Kurbelwelle, an deren Kurbel die zweite Kurbellwelle um die zweiten Drehachse drehbar gelagert ist. Dies ist insbesondere deswegen vorteilhaft, da die maximale geometrische Verdichtung ein auch als Trigger bezeichnetes Auslöseereignis zum Auslösen beziehungsweise Bewirken einer Selbstzündung des Gemisches in dem Zylinder ist.The piston or its path determines the maximum geometric compression, which now no longer coincides with the top dead center of a crank of the first crankshaft, but the maximum geometric compression follows the reaching of the top dead center by the crank of the primary crankshaft, on its crank the second crankshaft is rotatably mounted about the second axis of rotation. This is advantageous in particular because the maximum geometric compression is a triggering event, also referred to as a trigger, for triggering or causing self-ignition of the mixture in the cylinder.
Bei Verwendung der zwei Kurbelwellen kann die erste Kurbelwelle nicht mehr notwendiger Weise einstückig durch Schmieden gefertigt werden. Weist die beispielsweise als Reihenmotor ausgebildete Hubkolbenmaschine n Zylinder auf, so wäre dann beispielsweise die erste, primäre Kurbelwelle aus n+1 Einzelteilen gebildet und es könnten dann n zweite, sekundäre Kurbelwellen vorgesehen sein. Dabei ist mit n eine ganze positive Zahl bezeichnet. Die erste Kurbelwelle wird auch als Primärkurbelwelle oder primäre Kurbelwelle bezeichnet, wobei die zweite Kurbelwelle auch als Sekundärkurbelwelle oder sekundäre Kurbelwelle bezeichnet wird. Die Anzahl an Einzelteilen kann gering gehalten werden, wenn an dem Hubzapfen der sekundären Kurbelwelle nicht nur genau ein Pleuel, sondern mehr als ein Pleuel gelagert wird. Insbesondere ist es denkbar, dass alle, auch als Pleuelstangen bezeichneten Pleuel der Hubkolbenmaschine dreh- beziehungsweise verschwenkbar an demselben Hubzapfen der sekundären Kurbelwelle gelagert sind, wobei dann eine punktsymmetrische Kinematik vorteilhaft wäre, wobei dann eine geometrische Anordnung der Zylinder der eines Sternmotors gleichen könnte. Auch Teil-Sterne wären möglich, wenn man mehr als eine sekundäre Kurbelwelle nutzt. Beispielsweise könnte man einen 6er-Stern in axialer Richtung aufteilen in zwei Halbsterne zu je drei Zylindern und die Kurbeln der primären Kurbelwelle um 180° versetzen. Die Halbsterne könnten reihenartig direkt hintereinander angeordnet werden wie bei einem Reihenmotor (denn der Zündungsversatz zwischen den Halbsternen kommt dann nicht durch den geometrischen Versatz der Zylinder zustande sondern durch den Phasenversatz begründet durch die unterschiedlich angeordneten Kurbelarme der ersten primären Kurbelwelle). Dadurch könnte man die flächige Bauraumcharakteristik eines Sternmotors zugunsten einer quaderförmigen/kompakten Bauform verbessern. Insbesondere kann dann gelten: k=2n-2, wobei mit k eine ganze positive Zahl bezeichnet ist, deren Kehrwert beispielsweise multipliziert mit 2 und dem ersten Radius dem zweiten Radius entspricht oder entsprechen sollte, um dadurch einen besonders hohen Wirkungsgrad realisieren zu können. Insbesondere ist darunter zu verstehen, dass nach oder bei oder durch zwei, insbesondere vollständige, Umdrehungen der primären Kurbelwelle die sekundäre Kurbelwelle eine ganzzahlige Anzahl an Eigenrotationen zurückgelegt hat bzw. zurücklegt und die ganze Anordnung wieder genauso an ihrem Ausgangspunkt steht (da ein 4-Takt-Motor als die Hubkolbenmaschine zugrunde gelegt wird).When using the two crankshafts, the first crankshaft can no longer necessarily be integrally manufactured by forging. If the reciprocating piston machine designed as an in-line engine, for example, has n cylinders, the first, primary crankshaft would then be formed from n+1 individual parts, for example, and n second, secondary crankshafts could then be provided. In this case, n designates an integer positive number. The first crankshaft is also referred to as the primary crankshaft or primary crankshaft, with the second crankshaft also being referred to as the secondary crankshaft or secondary crankshaft. The number of individual parts can be kept low if not just one connecting rod, but rather more than one connecting rod, is mounted on the crank pin of the secondary crankshaft. In particular, it is conceivable that all connecting rods of the reciprocating engine, also referred to as connecting rods, are rotatably or pivotably mounted on the same crank pin of the secondary crankshaft, in which case point-symmetrical kinematics would be advantageous, in which case a geometric arrangement of the cylinders could be similar to that of a radial engine. Partial stars would also be possible using more than one secondary crankshaft. For example, a 6-star could be divided axially into two half-stars, each with three cylinders, and the cranks of the primary crankshaft offset by 180°. The half-stars could be arranged in rows directly one behind the other as in an in-line engine (since the ignition offset between the half-stars is not caused by the geometric offset of the cylinders but by the phase offset caused by the differently arranged crank arms of the first primary crankshaft). This could improve the flat installation space characteristics of a radial engine in favor of a cuboid/compact design. In particular, the following can then apply: k=2n-2, where k designates an integer positive number whose reciprocal value, multiplied by 2, for example, corresponds or should correspond to the first radius to the second radius in order to be able to achieve a particularly high degree of efficiency. In particular, this means that after or during two, in particular complete, revolutions of the primary crankshaft, the secondary crankshaft has completed or is completing an integral number of rotations of its own and the entire arrangement is exactly at its starting point again (since a 4-stroke engine than the reciprocating engine is taken as a basis).
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine; -
2 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Hubkolbenmaschine, mit einer ersten, primären Kurbelwelle und einer zweiten, sekundären Kurbelwelle; -
3 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Betriebs der Hubkolbenmaschine; -
4 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer Kinematik der Hubkolbenmaschine; und -
5 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Hubkolbenmaschine.
-
1 a schematic representation of a reciprocating engine according to the invention; -
2 a detail of a schematic and sectional side view of a first embodiment of the reciprocating engine, with a first, primary crankshaft and a second, secondary crankshaft; -
3 a diagram for illustrating an operation of the reciprocating machine; -
4 a diagram to illustrate a kinematics of the reciprocating engine; and -
5 a detail of a schematic side view of a second embodiment of the reciprocating piston machine.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.Elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in the figures.
Wie in
Besonders gut aus
Das jeweilige Arbeitsspiel der Hubkolbenmaschine 1 umfasst genau vier Takte T1, T2, T3 und T4 (
Durch Antreiben des Kolbens 7 und durch daraus resultierendem Antreiben der Kurbelwelle 4 kann die Kurbelwelle 4 ein in
Um nun einen besonders hohen Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine 1 realisieren zu können, weist die Hubkolbenmaschine 1, insbesondere je Pleuel und/oder je Kolben und/oder je Zylinder, wenigstens oder genau eine zweite Kurbelwelle 20 auf, welche um eine von der ersten Drehachse 5 beabstandete, zweite Drehachse 21 relativ zu der ersten Kurbelwelle 4 drehbar an der ersten Kurbelwelle 4 gelagert ist. Die erste Kurbelwelle 4 wird auch als Primärkurbelwelle oder primäre Kurbelwelle bezeichnet, wobei die zweite Kurbelwelle 20 auch als Sekundärkurbelwelle oder sekundäre Kurbelwelle bezeichnet wird. Außerdem weist die zweite Kurbelwelle 20 einen Hubzapfen 22 auf, mit welchem der Kolben 7 über das Pleuel 10 gelenkig gekoppelt ist. Beispielsweise ist das Pleuel 10 einerseits derart gelenkig mit dem Kolben 7 gekoppelt, dass das Pleuel 10 einerseits um eine erste Schwenkachse S1 relativ zu dem Kolben 7 verschwenkbar mit dem Kolben 7 gekoppelt ist. Dies bedeutet, dass sich der Kolben 7 und das Pleuel 10 um die erste Schwenkachse S1 relativ zueinander verschwenken können, wobei die Schwenkachse S1 von den Drehachsen 5 und 21 beabstandet ist und vorzugsweise parallel zu den Drehachsen 5 und 21 verläuft. Dabei sind auch die Drehachsen 5 und 21 voneinander beabstandet, wobei die Drehachsen 5 und 21 parallel zueinander verlaufen. Andererseits ist das Pleuel 10 derart gelenkig mit dem Hubzapfen 22 gekoppelt, dass der Pleuel 10 andererseits um eine zweite Schwenkachse S2 relativ zu dem Hubzapfen 22 verschwenkbar mit dem Hubzapfen 22 gekoppelt beziehungsweise verbunden ist. Dies bedeutet, dass sich das Pleuel 10 und der Hubzapfen 22 um die Schwenkachse S2 relativ zueinander drehen beziehungsweise verschwenkt werden können. Dabei ist die Schwenkachse S2 von der Schwenkachse S1 und von den Drehachsen 5 und 21 beabstandet, wobei es vorzugsweise vorgesehen ist, dass sie Schwenkachse S2 parallel zur Schwenkachse S1 und parallel zu den Drehachsen 5 und 21 verläuft. Es ist erkennbar, dass die erste Kurbelwelle 4 Kurbelstangen 23 aufweisen kann, welche bei dem in
Insgesamt ist erkennbar, dass die Hubkolbenmaschine 1 eine Kurbelwelleneinrichtung 26 aufweist, welche die Kurbelwellen 24 umfasst. Die Kurbelwelleneinrichtung 26 kann dabei global betrachtet eine erste Kurbel 27 aufweisen, welche die Kurbelstangen 23 und die Kurbelwelle 20 umfasst. Im Vergleich zu herkömmlichen Kurbelwellen ist somit kein die Kurbelstangen 23 miteinander verbindender und relativ zu den Kurbelstangen 23 nicht drehbarer Hubzapfen der Kurbelwelle 4 vorgesehen, sondern anstelle eines solchen, die Kurbelstangen 23 miteinander verbindenden und relativ zu den Kurbelstangen 23 nicht drehbaren Hubzapfens umfasst die Kurbel 27 die Kurbelwelle 20, die um die Drehachse 21 relativ zu den Kurbelstangen drehbar an den Kurbelstangen 23 und somit an der Kurbelwelle 4 gelagert ist. Die Kurbelwelle 20 umfasst ihrerseits die Wellenzapfen 20, die vorzugsweise als weitere Kurbelwangen ausgebildeten, weiteren Kurbelstangen 25 und den Hubzapfen 22, welcher beispielsweise die Kurbelstangen 25 miteinander verbindet und relativ zu den Kurbelstangen 25 nicht drehbar ist. Dabei ist das Pleuel 10 andererseits drehbar an dem Hubzapfen 22 gelagert, sodass das Pleuel 10 unter Vermittlung der Kurbelwelle 20 beziehungsweise über die Kurbel 27 gelenkig mit der Kurbelwelle 4 gekoppelt ist.Overall, it can be seen that the
In
Ferner ist es denkbar, dass die Schwenkachse S2 mit einer Längsachse, insbesondere mit einer Längsmittelachse, des Hubzapfens 22 und/oder einer weiteren Aufnahme des Pleuels 10 zusammenfällt, in dessen weiterer Aufnahme zumindest ein Längenbereich des Hubzapfens 22 angeordnet ist, wodurch das Pleuel 10 gelenkig mit dem Hubzapfen 22 gekoppelt beziehungsweise drehbar oder schwenkbar an dem Hubzapfen 22 gelagert ist. Der erste Radius ist ein senkrecht zu den Drehachsen 5 und 21 verlaufender erster Abstand zwischen den Drehachsen 5 und 21. Der zweite Radius ist ein senkrecht zu der Drehachse 21 und senkrecht zu der Schwenkachse S2 verlaufender zweiter Abstand zwischen der Drehachse 21 und der Schwenkachse S2.It is also conceivable that the pivot axis S2 coincides with a longitudinal axis, in particular with a longitudinal central axis, of the
An dieser Stelle sei erwähnt, dass an dem Hubzapfen 22 der zweiten, sekundären Kurbelwelle 20 nicht nur ein Pleuel 10 angebracht sein kann, sondern mehrere (ggf. mit verschiedenen Bankwinkeln). Ferner ist es denkbar, dass an den Kurbelstangen 23 der ersten, primären Kurbelwelle 3 nicht nur eine Kurbel einer sekundären Kurbelwelle 20 bzw. nicht nur eine sekundäre Kurbelwelle 20, sondern mehrere sekundäre Kurbelwellen 20 hängen bzw. gelagert sein können.At this point it should be mentioned that not only one connecting
Bei der ersten Ausführungsform ist die zweite Kurbelwelle 20 derart mit dem Gehäuse 2 formschlüssig gekoppelt, dass aus einer um die Drehachse 5 relativ zu dem Gehäuse 2 in die erste Drehrichtung erfolgenden Drehung der ersten Kurbelwelle 5 eine um die zweite Drehachse 21 relativ zu dem Gehäuse 2 und relativ zu der ersten Kurbelwelle 5 in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte, zweite Drehrichtung erfolgende Drehung der zweiten Kurbelwelle 20 resultiert, wobei die zweite Drehrichtung in
Während das Zahnrad 30 drehfest mit der Kurbelwelle 20 verbunden ist, ist das Zahnrad 29 drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden. Hierdurch sind die Kurbelwelle 20 und das Gehäuse 2 derart miteinander gekoppelt, dass dann, wenn sich die erste Kurbelwelle 4 mit der Kurbelwellendrehzahl nMot (erste Drehzahl) um die erste Drehachse 5 relativ zu dem Gehäuse 2 dreht, die zweite Kurbelwelle 20 mit einer von der ersten Drehzahl unterschiedlichen, beispielsweise gegenüber der ersten Drehzahl größeren, zweiten Drehzahl um die Drehachse 21 relativ zu der Kurbelwelle 4 und relativ zu dem Gehäuse 2 gedreht wird. Die zweite Drehzahl muss nicht notwendigerweise größer als die erste Drehzahl sein. Dies hängt vom Verhältnis der Radien ab (also bei der zweiten. sekundären Kurbelwelle 20: das Verhältnis der translatorischen Umfahrung der primären, ersten Kurbelwelle 4 um die Drehachse 5 versus Eigenrotation / -Drehzahl um die Drehachse 21). Die Drehzahl der sekundären Kurbelwelle 20 gegenüber der bzw. um die Drehachse 21 ist i.A. eine andere Drehzahl als die der sekundären Kurbelwelle 20 gegenüber der bzw. um die Drehachse 5. Analog so wie die Erde mit einer Kreisfrequenz von 1/Jahr die Sonne umkreist hat sie auch eine eigene Kreisfrequenz durch Eigenrotation von 1/Tag. Wäre die Eigenrotation =0 dann würde ein Tag auf die Dauer eines ganzes Jahres gestreckt werden. Beispiel: in
Beispielsweise ist die zweite Drehzahl der sich um die Drehachse 21 relativ zu der ersten, primären Kurbelwelle 4 drehenden, zweiten, sekundären Kurbelwelle 20 ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Drehzahl. Vorzugsweise ist die zweite Drehzahl genau viermal so groß wie die erste Drehzahl. Der dritte Radius ist beispielsweise ein senkrecht zu der Drehachse 21 und senkrecht zu der Schwenkachse S2 verlaufender dritter Abstand zwischen der Drehachse 21 und dem vorzugsweise als Hohlrad ausgebildeten Zahnrad 29. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Zahnrad 29 und 30, insbesondere ihre Verzahnung und ganz insbesondere ihre Grundkreise, derart aufeinander abgestimmt sind, dass die aus der ersten Drehzahl resultierende zweite Drehzahl das ganzzahlige Vielfache der ersten Drehzahl und vorzugsweise genau das Vierfache der ersten Drehzahl ist. Bei der in
Vorzugsweise ist eine in
Insbesondere veranschaulicht
Außerdem ist vorzugsweise ein ganzzahlig periodisches Umfangsverhältnis vorgesehen:
Mithin: Der abgefahrene Bogen von RSKW muss ein ganzzahliges Vielfaches des doppelten Kreises von RFR sein. Also k*2*pi*RSKW = 2*(2*pi*RFR) = 2*2*pi*(RKW + RSKW).Therefore: The traversed arc of R SKW must be an integer multiple of the double circle of RFR. So k*2*pi*R SKW = 2*(2*pi*R FR ) = 2*2*pi*(R KW + R SKW ).
Dadurch ergibt sich:
- RSKW = 2*RKW/(k-2) mit k = 3,4,5... (beginnt also nicht
mit 1 weil dann die Werte negativ wären für 1 und 2 - aber die Ergebnisreihe für RSKW sind sonst dieselben, nur um zwei ganze Zahlen für k verschoben. Daraus folgt RSKW = 2 * RKW / k. - k=1: 3er-Stern, 2-taktig
- k=2: Kreis/Ellipse, 1-taktig
- k=3: 5er-Stern, 2-taktig
- k=4: 3er-Stern, 1-taktig
- k=5: 7er-Stern, 1-taktig
- k=6: 4er-Stern, 1-taktig
- k=7: 9er-Stern, 2-taktig
- k=8: 5er-Stern, 1-taktig
- k=9: 11er-Stern, 1-taktig
- k=10: 6er-Stern, 1-taktig
- k=11: 13er-Stern, 2-taktig
- k=12: 7er-Stern, 1-taktig
- k=13: 15er-Stern, 2-taktig
- k=14: 8er-Stern, 1-taktig
- usw.
mit „taktig“ ist hier gemeint ist, wie viele Umdrehungen der primären Kurbelwelle es (mindestens) braucht, damit der Kolben seinen (maximalen) oberen und (minimalen) unteren Totpunkt mindestens oder genau einmal durchfährt. Vorzugsweise ist folgende kinematische Zwangsbedingung vorgesehen: RFR = RKW + RSKW. Der maximale,
- R SKW = 2*R KW /(k-2) with k = 3,4,5... (does not start with 1 because then the values would be negative for 1 and 2 - but the series of results for R SKW are otherwise the same , only shifted by two integers for k. It follows that R SKW = 2 * R KW / k.
- k=1: 3-star, 2-bar
- k=2: circle/ellipse, 1 bar
- k=3: 5-star, 2-bar
- k=4: 3-star, 1-bar
- k=5: 7 star, 1 bar
- k=6: 4 star, 1 bar
- k=7: 9-star, 2-bar
- k=8: 5 star, 1 bar
- k=9: 11 star, 1 bar
- k=10: 6 star, 1 bar
- k=11: 13-star, 2-bar
- k=12: 7 star, 1 bar
- k=13: 15 star, 2 bars
- k=14: 8 star, 1 bar
- etc.
"clocked" here means how many revolutions of the primary crankshaft it takes (at least) for the piston to pass through its (maximum) top and (minimum) bottom dead center at least or exactly once. The following kinematic constraint is preferably provided: RFR=R KW +R SKW . The maximum distance covered or covered by the
Insbesondere ist es durch die Verwendung der Kurbelwellen 24 möglich, dass der Kolben 7 länger als bei herkömmlichen Hubkolbenmaschinen in seinem oberen Totpunkt verweilt, sodass beispielsweise eine die während des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindende Bewegung des Kolbens 7 in dem Zylinder 3 über eine Gradkurbelwinkel veranschaulichende Kolbenbewegungskurve quasi ein Plateau aufweist, welche den oberen Totpunkt des Kolbens 7 beziehungsweise eine Zeitspanne veranschaulicht, während welcher der Kolben 7 in seinem oberen Totpunkt verbleibt, insbesondere während sich jedoch die Kurbelwelle 4 dreht. Das Plateau kann praktisch waagrecht sein oder eine positive oder negative Steigung haben. Das Plateau ist der Kolbenhub in Abhängigkeit von der Zeit bzw. des Kurbelwellenwinkels der primären, ersten Kurbelwelle 4.In particular, the use of the
Die Form dieses Plateaus am oberen Totpunkt kann über RPI / RSKW eingestellt bzw. verändert werden. Ein Einstellung bzw. Veränderung ist beispielsweise nur im Rahmen der kinematischen Zwangsbedingungen möglich. So können beispielsweise Schultern des Plateaus waagerecht, abfallend oder aufsteigend gestaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Selbstzündung des Gemisches durch Lufteinblasen erfolgen, beispielsweise derart, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels und dabei während des Verdichtens und/oder nach dem Verdichten zunächst Kraftstoff in den Brennraum 11 eingespritzt, insbesondere direkt eingespritzt, und danach Luft in den Brennraum 11, insbesondere direkt, eingeblasen wird.The shape of this plateau at top dead center can be set or changed via R PI / R SKW . For example, a setting or change is only possible within the framework of the kinematic constraints. For example, shoulders of the plateau can be designed horizontally, sloping or rising. Alternatively or additionally, the mixture can be ignited automatically by blowing in air, for example in such a way that fuel is first injected, in particular directly injected, into
Das genannte Plateau wird auch als Verdichtungsplateau bezeichnet, welches bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Insbesondere ist eine Kombination mit einer Lufteinblasung denkbar, wodurch Freiheitsgrade hinsichtlich der Steuerbarkeit oder Regelung der Verdichtung geschaffen werden können. Insbesondere kann so ein variabler Energieinhalt pro Kolbenhub bei konstantem Verbrennungsluftverhältnis λ geschaffen werden, insbesondere ohne Veränderung der Ventilsteuerung. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen kann der Mitteldruck erhöht werden, wodurch die Abgastemperatur steigt. Dadurch kann beispielsweise ein vorteilhaftes Ansprechverhalten einer in dem Abgastrakt 15 angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung dargestellt werden.Said plateau is also referred to as a compaction plateau, which can be adjusted as required. In particular, a combination with air injection is conceivable, as a result of which degrees of freedom with regard to the controllability or regulation of the compression can be created. In particular, a variable energy content per piston stroke can be created with a constant combustion air ratio λ, in particular without changing the valve control. Compared to conventional solutions, the intermediate pressure can be increased, which increases the exhaust gas temperature. As a result, for example, an advantageous response behavior of an exhaust gas aftertreatment device arranged in the
Mit anderen Worten kann ein Selbstzündungsbetrieb der Hubkolbenmaschine 1 realisiert werden, wobei in dem Selbstzündungsbetrieb das Gemisch, insbesondere ausschließlich, durch Selbstzündung gezündet wird. Vorzugsweise wird der Selbstzündungsbetrieb hinsichtlich alternativer und/oder gasförmiger Kraftstoffe geprüft, da deren Selbstzündungstemperatur gegenüber Dieselkraftstoffen und Benzin beziehungsweise Ottokraftstoffen sehr hoch liegt. Insbesondere ist auch die Verwendung von synthetischen Kraftstoffen wie Methan und Methanol denkbar. Somit liegt hier ein sehr hohes Potential, um bei geringer Klopfgefahr einen besonders großen, maximalen Druck im Brennraum 11 zu realisieren, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad darstellbar ist. Zudem kann eine vorteilhafte Gemischbildung realisiert werden, und hohe Partikelemissionen insbesondere bei der Verwendung von Gas oder Flüssiggas als Kraftstoff können gering gehalten werden, da beispielsweise eine Verdunstung von zunächst flüssigen Tropfen und somit ein Übergang von solchen Tropfen aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand entfallen kann. Außerdem bilden sich keine oder gegenüber herkömmlichen Lösungen kleinere Kohlenstoffnester beziehungsweise Partikel, die aufgrund der erhöhten Prozesstemperatur bei hinreichender Verwirbelung im Zylinder 3 beziehungsweise in dem auch als Abgasanlage oder Abgasstrang bezeichneten Abgastrakt 15 möglicherweise noch von selbst abbrennen. Bei der Verbrennung von Erdgas und/oder Biogas könnte so die auch als Kolbenmotor bezeichnete Hubkolbenmaschine 1 als stationärer Stromgenerator verwendet werden und so Gasturbinenkraftwerken Konkurrenz machen.In other words, self-ignition operation of the
Schließlich zeigt
Bei der zweiten Ausführungsform sind genau zwei Pleuel 10 und 10' gleichzeitig drehbar beziehungsweise verschwenkbar an dem Hubzapfen 22 gelagert und dadurch gelenkig mit dem Hubzapfen gekoppelt. Die jeweiligen, gleichzeitig beziehungsweise gemeinsam verschwenkbar beziehungsweise drehbar an dem Hubzapfen 22 gelagerten Pleuel beziehungsweise die zugehörigen Kolben und ihre Kolbenwege können beispielsweise entlang der ersten Drehrichtung oder entlang der zweiten Drehrichtung um 90 Grad oder um 180 Grad versetzt zueinander sein. Dadurch kann der konstruktive Aufwand zum Massenausgleich besonders gering gehalten werden, da je zwei Kolben 7 immer Punktsymmetrisch zu der auch als Kurbelwellenachse bezeichneten Drehachse 5 vorzugsweise gegengleiche Bewegungen ausführen. Gegengleich (im engeren Sinn) kann in dem Spezialfall vorgesehen sein, dass der Winkelversatz der primären Hubzapfen 180° beträgt.In the second embodiment, exactly two connecting
Beispielsweise können die jeweiligen, gleichzeitig an dem jeweiligen Hubzapfen 22 drehbar beziehungsweise verschwenkbar gelagerten Pleuel Strahlen einer Sternform sein, welche beispielsweise genau drei Strahlen und somit genau drei Pleuel, genau vier Strahlen und somit genau vier Pleuel oder genau sechs Strahlen und somit genau sechs Pleuel aufweist. Denkbar ist ferner der Kehrwert eines ganzzahligen Vielfachen. Beispiel: 6 Zylinder kann man verteilen a) alle 6 reihum auf 1 KW-Hubzapfen oder b) auf 2 KW-Hubzapfen mit Hubzapfenversatz von 180° und Bankwinkel 60° oder c) auf 3 KW-Hubzapfen mit Hubzapfenversatz von 120° und Bankwinkel 60° oder d) als Reihenmotor: auf 6 KW-Hubzapfen mit Bankwinkel 0°For example, the respective connecting rods that are simultaneously rotatably or pivotably mounted on the respective crank
Mit anderen Worten ist es denkbar, dass an dem jeweiligen Hubzapfen 22 gemeinsam beziehungsweise gleichzeitig drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder mehr separat voneinander ausgebildete Pleuel verschwenkbar beziehungsweise drehbar gelagert sein können. Dies gilt für einen Verbrennungsmotor nach aktuellem Stand der Technik auch, wobei jedoch der punkt-symmetrische Charakter der Kinematik führt dazu, dass es auch für die Hubkolbenmaschine 1 mit den zwei Kurbelwellen 4 und 20 gilt. Eine Neuerung allerdings ist die zusätzliche Möglichkeit, dass die Pleuelwegcharakteristik nicht schon nach einer Umdrehung der primären Kurbelwelle (prim. KW) vollständig abgefahren ist, sondern erst nach zwei Umdrehungen (ungeradzahlige Sterne mit ab 5er-Stern sich überkreuzenden Hubzapfenwegen: 3er-Stern, 5er, 7er, 9er...). Dadurch lassen sich unterschiedliche Verhältnisse von Ansaugweg = Verdichtungsweg zu Arbeitstaktweg = Ausstoßweg realisieren. Mit anderen Worten, der geometrischer Ansaugweg und der Arbeitsweg können unterschiedlich sein. Dasselbe gilt für den geometrischen Ausstoßweg und den Verdichtungsweg. Bei entsprechendem Winkelversatz zwischen primärem und sekundärem Hubzapfen sind sogar alle vier Wege unterschiedlich zueinander. Der Effekt der variablen Verdichtung ist bei einem konventionellen Verbrennungsmotor vom Stand der Technik über variable Steuerung des Ventiltriebs möglich. Dieser Erfindung liegt aber dieser Effekt kinematisch zugrunde, sodass ein guter Wirkungsgrad aufgrund des ggü. Ansaugweg größeren Expansionsweg auch ohne einen variablen Ventiltrieb erreicht werden kann. Bei entsprechender Auslegung ist selbst bei kompletter Ausnutzung des maximal möglichen Ansaugwegs der (maximale) Expansionsweg immer noch größer. Dies bringt ebenfalls einen Wirkungsgradvorteil, weil der Expansionsweg so länger ist als der Verdichtungsweg. Diese zusätzlich nutzbare Expansionsenergie verringert auch den Mitteldruck (bei gleichbleibendem Maximaldruck) und damit die mittlere Temperatur im Zylinder und entspannt damit ein bisschen die Herausforderung für die Werkstofftechnologie mit den gegenüber Stand der Technik erhöhten Temperaturen im Zylinder und Abgasstrang gerecht zu werden.In other words, it is conceivable for three, four, five, six, seven, eight, nine, ten, eleven, twelve or more to be mounted separately or separately on the respective crank
Bei Verwendung einer Sternform mit genau drei Strahlen ergibt sich somit für einen Drei-Zylinder-Motor genau eine Sekundärkurbelwelle mit genau einem Hubzapfen 22 und somit ein vollbesetzter Stern, bei einem Sechs-Zylinder-Motor werden zweite Hubzapfen 22 eingesetzt, wobei die Sternformen beispielsweise um beispielsweise 180 Grad versetzt zueinander sind und bei einem Zwölf-Zylinder-Motor werden beispielsweise vier Hubzapfen 22 eingesetzt, wobei dann die Sternformen beispielsweise um 90 Grad zueinander versetzt sind. Für eine Sternform mit vier Strahlen beziehungsweise vier Pleuel ergibt sich bei einem Vier-Zylinder-Motor entweder ein vollbesetzter Hubzapfen 22 oder es können zwei Hubzapfen 22 mit einem Versatz von 180 Grad und 90-Grad-V-Anordnung vorgesehen sein, wobei sich für einen Acht-Zylinder-Motor zwei vollbesetzte Sternformen mit je vier Strahlen oder vier jeweils mit zwei Pleuel besetzte Hubzapfen 22 insbesondere in V-Anordnung ergeben, und bei einem 12-Zylinder-Motor ergeben sich drei vollbesetzte Sterne, die jeweils um 120 Grad zueinander versetzt sind. Für eine Sternform mit genau sechs Strahlen ergibt sich beispielsweise bei einem Drei-Zylinder-Motor, dass nur ein Hubzapfen 22 halb besetzt ist, für einen Vier-Zylinder-Motor ergeben sich beispielsweise zwei Hubzapfen 22 mit je zu 2/6 belegten 60 Grad Winkel bei 180 Grad-Versatz, für einen Sechs-Zylinder Motor ergibt sich ein vollbesetzter Stern oder es ergeben sich zwei halb besetzte Sterne in Drei-Finger-Anordnung um 180 Grad versetzt, und für einen Zwölf-Zylinder-Motor ergeben sich zwei vollbesetzte Sterne mit 180 Grad Versatz oder vier halb besetzte Sterne je 90 Grad versetzt zueinander und somit eine Drei-Finger-Anordnung.When using a star shape with exactly three rays, there is exactly one secondary crankshaft with exactly one crank
Ferner ist es denkbar, dass sich die Kurbelwellen in die gleiche, insbesondere erste, Drehrichtung drehen. Hierfür wären dann folgende konstruktive Modifikationen vorgesehen: Bei einer ersten Modifikation rollt die sekundäre Kurbelwelle 20 aus Sicht der Drehachse 5 nicht mehr „außen“ (vgl.
Damit das in zuvor genannte Stirnrad, in das das Hohlrad umgewandelt wurde, nicht mit den Kurbelstangen 23 kollidiert, entfällt beispielsweise eine der beiden Kurbelstangen 23 (also in
Bei einer zweiten Modifikation wird für die Abrollbewegung zwischen der sekundären Kurbelwelle 20 und dem Hohlrad (Zahnrad 29) noch ein Stirnrad eingebaut, das die Drehrichtung der sekundären Kurbelwelle 20 dann umdreht, sodass sich die Kurbelwellen 4 und 20 in dieselbe, insbesondere erste, Drehrichtung drehen. Vorzugsweise ist RKW doppelt so groß wie RSKW. Je vollständige Umdrehung der primären Kurbelwelle 4 fährt der Kolben 7 immer denselben Weg ab (Kolbenweg über Kurbelwellen-Winkel ist über jede Kurbelwellen-Umdrehung identisch). Ferner ist es denkbar, dass sich die zweite Kurbelwelle 20 dann, wenn sich die erste Kurbelwelle 4 mit der ersten Drehzahl um die erste Drehachse 5 dreht, die zweite Kurbelwelle 20 um die zweite Drehachse 21 mit einer zweiten Drehzahl dreht, welche ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der ersten Drehzahl ist. Also ist z.B. ist RKW 3/2-mal oder 1/2-mal so groß wie RSKW. Dann benötigt die sekundäre Kurbelwelle 20 nicht eine, sondern zwei vollständige Umdrehungen der ersten Kurbelwelle 4 für einen geschlossenen Verfahrweg bzw. für eine vollständige Umdrehung (also Verlauf von Kolbenweg über KW-Winkel). Der Kolben 7 fährt je KW-Umdrehung (Umdrehung der primären Kurbelwelle 4) abwechselnd zwei verschiedene Wege, an deren Ende dann wieder der jeweils andere Weg anschließt (ähnlich eines Möbiusbands). Diese Wege (des Pleuelfußpunktes bzw. Hubzapfen) „kreuzen“ sich dann (aufgetragen in der x-y-Verfahrwegebene), da der Kolben 7 von einer „Ecke“ (Hubzapfen hat maximalen Abstand zur KW-Achse) des Weges nicht zur nächsten, sondern immer direkt zur übernächsten fährt (damit hat die Figur also immer eine ungerade Zahl an Ecken). Über einen Winkeloffset bzw. -versatz ( von z.B. 90°) der sekundären Kurbelwelle 20 gegenüber der primären Kurbelwelle 4 kann man die Verfahrwegfigur in der x-y-Ebene beliebig drehen. So kann man (in gewissen Grenzen) - zusätzlich zum Verschieben der max. Verdichtung hinter den oberen Totpunkten - auch noch Verdichtungsweg und Expansionsweg unterschiedlich lange gestalten z.B. den Expansionsweg größer gestalten als den Weg für die Verdichtung, was ebenfalls einen Wirkungsgradvorteil bringt. Dieser gesamte Absatz gilt generell und nicht nur für die o.g. 1. und 2. Modifikation bzw. Ausführungsform..In a second modification, a spur gear is installed for the rolling movement between the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Hubkolbenmaschinereciprocating machine
- 22
- Gehäusehousing
- 33
- Zylindercylinder
- 44
- erste Kurbelwellefirst crankshaft
- 55
- Drehachseaxis of rotation
- 66
- Wellenzapfenshaft journal
- 77
- KolbenPistons
- 88th
- Zylinderwandcylinder wall
- 99
- Doppelpfeildouble arrow
- 10, 10'10, 10'
- Pleuelconnecting rod
- 1111
- Brennraumcombustion chamber
- 1212
- Pfeilarrow
- 1313
- Zündungignition
- 1414
- Einlasstraktadmission tract
- 1515
- Abgastraktexhaust tract
- 1616
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- 1717
- Turbinenradturbine wheel
- 1818
- Verdichterradcompressor wheel
- 1919
- Wellewave
- 2020
- zweite Kurbelwellesecond crankshaft
- 2121
- Drehachseaxis of rotation
- 2222
- Hubzapfencrank pin
- 2323
- Kurbelstangeconnecting rod
- 2424
- Wellenzapfenshaft journal
- 2525
- Kurbelstangeconnecting rod
- 2626
- Kurbelwelleneinrichtungcrankshaft device
- 2727
- Kurbelcrank
- 2828
- Pfeilarrow
- 2929
- Zahnradgear
- 3030
- Zahnradgear
- 3131
- Versorgungseinrichtungutility facility
- 3232
- Pfeilarrow
- 3333
- Wellewave
- D1-9D1-9
- Drehstellungrotary position
- hPIhPI
- Höheheight
- nMotnMot
- Kurbelwellendrehzahlcrankshaft speed
- Koknockout
- Kupplungcoupling
- RKWRKW
- Radiusradius
- RPLRPL
- Radiusradius
- RSKWRSKW
- Radiusradius
- S1, S2S1, S2
- Schwenkachsepivot axis
- TT
- Drehmomenttorque
- T1-T4T1-T4
- Takttact
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 2633166 B1 [0003]EP 2633166 B1 [0003]
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102020125196.3A DE102020125196A1 (en) | 2020-09-28 | 2020-09-28 | Reciprocating machine and device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020125196.3A DE102020125196A1 (en) | 2020-09-28 | 2020-09-28 | Reciprocating machine and device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020125196A1 true DE102020125196A1 (en) | 2022-03-31 |
Family
ID=80624422
Family Applications (1)
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DE102020125196.3A Pending DE102020125196A1 (en) | 2020-09-28 | 2020-09-28 | Reciprocating machine and device |
Country Status (1)
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---|---|
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-
2020
- 2020-09-28 DE DE102020125196.3A patent/DE102020125196A1/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |