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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Allgemein ist bekannt, das beim Betrieb
von Brennkraftmaschinen die Leistung derer in hohem Maße von der
Art der Gaswechselsteuerung abhängt.
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Hierbei haben sich bei Viertaktmotoren
prinzipiell Tellerventil-, bei Zweitaktmotoren starre Schlitzsteuerungen,
beziehungsweise Kombinationen aus Ventil-, und Schlitzsteuerungen
durchgesetzt Zwar sind auch bewegliche Schlitzsteuerungen bekannt,
jedoch haben sie sich im Bezug auf das Verschleißverhalten, sowie der Abdichtung
gegenüber Ventilsteuerungen
nicht durchsetzen können.
Bei Ventilsteuerungen ist das Problem der Drosselung, vor allem
in höheren
Drehzahlbereichen gegeben, die trotz aufwändiger Steuerungsmechanismen,
wie etwa Mehrventiltechnik oder variablen Nockenwellensteuerungen,
immer noch den Gasdurchsatz entscheidend drosseln und somit höhere Zylinderfüllungsraten
verhindern.
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Das Problem, dass die Gaswechselsteuerung
durch Ventile mit sich bringt, ist das, dass nur ein Ringspalt,
der sich prinzipiell aus Nockenhub und Ventiltellerumfang zusammensetzt,
den Gaswechselprozess ermöglicht,
was den Gemisch-Durchsatz stark beschränkt.
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Zwar lies sich die Drosselung durch
Umstellung von Zwei- auf Mehrventiltechnik, bzw. variable Nockenwellensteuerungen
senken, jedoch ist die Leistungsausbeute im Vergleich zum technischen und
wirtschaftlichen Aufwand eher mäßig.
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Ein weiteres Problem ist, dass die
Höchstdrehzahl
einer Brennkraftmaschine stark durch den Ventiltrieb eingeschränkt wird,
da ab bestimmten Drehzahlen die Ventilfedern in starke Schwingungen geraten,
was zu Kompressionsproblemen und zu eventuellen Brüchen der
Ventilfedern führen
kann. Um diese Problem, der Drehzahlbegrenzung durch den Ventiltrieb,
zu lösen
gibt es eine Reihe von Ansätzen,
wie etwa Öffnungs-
und Schließungs-Zwangsgesteuerte
Ventile oder Pneumatische Ventilsteuerungen, die jedoch eine Reihe
von Nachteilen, wie etwa schlechte Abdichtung in niedrigen Drehzahlen,
hohen Verschleiß und
Störempfindlichkeit,
sowie eine teure Produktion, mit sich bringen. Daher werden solche
Kombinationen eher selten in der Praxis verwendet.
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Bei Zweitaktmotoren haben sich überwiegend
Schlitzsteuerungen, bzw. Kombinationen aus Schlitz und Ventilsteuerungen
durchgesetzt. Sie alle haben zum einen das Problem, dass ein Teil
des Kolbenhubes, nämlich
der in dem die Schlitze freigegeben werden, nicht für die Verdichtung
verwendet werden kann, was wiederum zu großen Kolbenhub führt, der
einen Anstieg der Massenkräfte
bewirkt, und so die Höchstdrehzahl,
bzw. höhere
Leistungen, beschränkt.
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Diese Gegebenheit führt zu einem
stark geschmälerten
Leistungsgewinn, im Vergleich zu einer Viertaktmaschine mit gleichen
Motorgegebenheiten.
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Zum anderen begrenzt die, bei hohen
Drehzahlen sehr kurze Zeit der Spülphase, die zu starken Wirkungsgradeinbußen führt, eine
weitere Steigerung der Drehzahl.
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Die Querschnitte der Ventile, bzw.
die Lage der Spülschlitze,
die prinzipiell in der nähe
des Unteren Totpunktes des Kolbenhubes liegen müssen, lassen den Wirkungsgrad
der Spülung,
der sehr entscheidend für
die spätere
Leistung ist, zusätzlich
sinken, da eine Vermischung des frischen Gasgemisches, mit dem verbrannten
Gasen durch Etwaige Verwirbelungen nicht vermeidbar ist, und zu
weiteren Spülgrad-
und Füllungsverlusten
führt.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen
Erfindung liegt das Problem zu Grunde, die Wirksamkeit einer Gaswechselsteuerung
bei sowohl Zwei- als auch bei Viertaktmotoren zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch
1 aufgeführten
Merkmale gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den nachstehenden Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden
näher beschreiben.
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1 zeigt
einen mittigen Vollschnitt in der Horizontalen. Die dargestellte
Ausführung
besteht grob ausgeführt
aus zwei Einlasszylinder (1), zwei Auslasszylinder (4),
vier Dichtrollen (2), sowie zwei gegenlaufenden Kolben
(3). Der Arbeitsraum wird durch die sich jeweils gegenüberliegenden
Seiten der Zylinder mit den Einlasskanälen (1), der Zylinder mit
den Auslasskanälen
(4), den Dichtrollen (2), sowie den Kolben (3),
gebildet. Die Schlitze der Einlasszylinder ragen in der Zeichnung
in den Brennraum herein.
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Der Einfachheit halber sind Lagerung
sowie Antrieb der Zylinder, bzw. Dichtrollen nicht zeichnerisch
dargestellt, sie werden im Text erläutert.
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Die Zylinder mit den Einlass- sowie
die mit den Auslassschlitzen, und die Dichtrollen sind drehbar gelagert,
und werden durch die Kurbelwelle, sowie untereinander durch eine
Verzahnung angetrieben. Die Dichtrollen (2) haben die Funktion,
den Arbeitraum Gasdicht und verschleißfrei abzutrennen, was dadurch
erreicht wird, dass sie durch den Gasdruck gegen die Ein (1)-
bzw. Auslasszylinder (4) gepresst werden, und so den Arbeitsraum
abdichten. Sie rotieren bevorzugt mit der selben Umfangsgeschwindigkeit
wie die Einlass, bzw. Auslassrylinder, was zu einem verschleißarmen Lauf
führt.
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Da sich diese Art der Gaswechselsteuerung sowohl
für das
Zwei-, als auch für
das Viertaktverfahren eignet, soll hier erst die Funktionsweise
im Viertakt, und dann die im Zweitaktverfahren dargestellt werden.
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Beim Viertaktverfahren sollen die
Zylinder mit den Einlass- und die mit den Auslassschlitzen bevorzugt
mit halber Kurbelwellengeschwindigkeit rotieren. In der Ansaugphase
bewegen sich beide Kolben Richtung Unteren Totpunkt, die Zylinderschlitze der
Einlasszylinder sind Richtung Brennraum offen, sodass das Gemisch
angesaugt werden kann. Nachdem die Kolben den Unteren Totpunkt passiert
haben, haben sich die Schlitze der Einlasszylinder schon über die
jeweiligen Dichtzylinder hinausbewegt, der Arbeitsraum ist somit
geschlossen. Nun folgt der Verdichtungstakt, an dessen Ende beide Kolben
nahe dem Oberen Totpunkt stehen, und die Zündung eingeleitet wird. Es
ist beispielsweise denkbar hierzu bei Ottomotoren die Zündvorrichtung,
bevorzugt aber nicht zwingend Zündkerzen,
in den Einlasszylindern, den Auslasszylindern, den Dichtrollen, oder
den Kolben zu platzieren. Gleiches gilt für Einspritzdüsen beim
Dieselverfahren. Nun folgt der üblich
Arbeitstakt, an dessen Ende im Unteren Totpunkt der Kolben, sich
die Schlitze der Auslasszylinder, an den Dichtrollen vorbei, in
den Arbeitraum drehen und so dem verarbeiteten Gemisch den Austritt
ermöglichen.
Im darauffolgenden Oberen Totpunkt haben sich die Auslasszylinder
wieder so weit gedreht, dass die Schlitze außerhalb des Arbeitsraumes liegen, und
somit das verbrannte Gas von ihm trennen. Nun wiederholen sich die
Takte von vorne.
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Der Unterschied der Steuerung zwischen Viertakt-
und Zweitaktverfahren ist der, dass im Zweitaktverfahren, dass nicht
zeichnerisch dargestellt ist, die Einlasszylinder und die Auslasszylinder
mit Kurbelwellenumdrehung rotieren. Etwa im Unteren Totpunkt, haben
sich alle Zylinder so gedreht, dass ihre Schlitze Richtung Arbeitsraum
ragen, und so der Gaswechsel, bevorzugt durch ein Spülgebläse, stattfinden
kann. Im Zuge der Bewegung der Kolben Richtung Oberer Totpunkt,
wurden die Einlasszylinder, und die Auslasszylinder weiter gedreht,
so dass ihre Schlitze nun außerhalb
des Arbeitsraumes liegen, und somit die übliche Verdichtung, Zündung, und
Expansion stattfinden können.
Auch hier könnte die
Zündung
durch eine Zündkerze,
bzw. Selbstzündung
durch eine Einspritzdüse
in den Zylinder, den Dichtrollen, oder den Kolben erfolgen.
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2 zeigt
eine Einlass, bzw. Auslasszylinder im vertikalen Vollschnitt. Die
Lagerung der Zylinder, hier nicht dargestellt, könnte beispielsweise durch eine
Gleitlagerung am oberen und unteren Ende ermöglicht werden, aber auch andere
Arten der Lagerung, wie etwa Wälzlagerung,
sind denkbar. Die Breite der Schlitze, der Abstand zwischen den
Zylindern, sowie die Lage bzw. der Durchmesser der Dichtrollen bestimmt
die späteren
Steuerzeiten.
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Der Drehung der Zylinder könnte beispielsweise
durch einen direkten Verzahnung mit der Kurbelwelle und einer Verzahnung
untereinander geschehen, aber auch andere Antriebsmöglichkeiten, wie
etwa über
eine über
alle Zylinder umlaufende Steuerkette/Riemen, angetrieben durch eine
Verzahnung von der Kurbelwelle, sind denkbar. Ein Antrieb der Dichtrollen,
auch über
eine Verzahnung bzw. über
eine Kette/Riemen, ist nicht zwingend erforderlich, scheint jedoch
zur Minderung des Verschleißes vorteilhaft.
Eine andere hier nicht dargestellte Möglichkeit ist die, das ein
Zylinder statt Schlitzen für
den Gaswechsel, die Zündvorrichtung,
bzw. etwaige Einspritzdüsen
beinhaltet.
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3 zeigt
eine mittigen, vertikalen Schnitt der Gaswechselsteuerung inklusive
beider Kolben (3) der Einfachheit halber ohne deren Pleul,
bzw. Kurbelwellen. Hierbei ist die Gaswechselsteuerung auf einen
Gegenkolbenmotor bezogen. Zu sehen sind außerdem die Dichtrollen (2),
sowie die Einlasszylinder (1), in dem Punkt, in dem die
Schlitze zum Gaswechsel in den Brennraum ragen. Nicht dargestellt
ist ein Ausführungsbeispiel
mit einfachem Kolben, und anstelle des anderen Kolbens einem siluettengleichem
Abdichtstück.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen
insbesondere darin, dass die Querschnitte, die für den Gaswechsel entscheidend
sind im Bezug zu einer Ventilsteuerung stark vergrößert sind.
Dadurch wird einer Drosselung entgegengewirkt.
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Der Kolbenboden kann freier gestaltet
werden, da beispielsweise Ventiltaschen, die bei einer Ventilüberschneidung
die Berührung
des Kolbens mit den noch offenen Ventilen verhindern sollen, entfallen.
Durch weniger zerklüftete
Kolbenböden
wird der Klopfneigung entgegengewirkt.
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Die Drehzahlbegrenzung aufgrund des
Ventiltriebes entfällt.
Die rotierenden Zylinder stellen prinzipiell keine Begrenzung dar.
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Das Hub/Bohrungsverhältnis lässt sich
prinzipiell frei wählen,
da es keinen zu berücksichtigenden
Kompressionsraum/Quetschkanten im Zylinderkopf gibt. Die Verdichtung
wird letzten Endes durch den Abstand der beiden Kolben bzw. des
Kolbens mit dem Abschlussstück,
im oberen Totpunkt gewählt.
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Da der gesamte Ventiltrieb ersetzt
wird, entfallen auch dessen mechanischen Verluste. Die Produktion
des Kostenintensiven Ventiltriebes, sowie die des Zylinderkopfes
entfällt
ebenfalls.
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Eine wertere Steigerung des Zylinderfüllungsgrades
ist auch dadurch zu erwarten, dass der Gaswechsel zwischen den Zylinder
prinzipiell nach dem Strömungsgünstigen
Querstromprinzip verfährt. D.h.,
dass grob gesehen der Gasstrom vom Einlass zum Auslass seine Richtung
nicht entscheidend wechseln muss.
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In der vorteilhaften Ausführung als
Gegenkolbenmaschine lassen sich teilweise die Massenkräfte ausgleichen,
was zu einem ruhigeren Motorlauf beiträgt. Auch ist eine Ausführung mit
extrem kurzen Hub, unter Beibehaltung prinzipiell frei gestaltbarer
Quetschkanten, sowie einem prinzipiell frei gestaltbarem Kompressionsraum,
möglich,
die für extrem
Drehzahlen ausgelegt sein könnte.
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Eine Beschädigung der Maschine durch eine eventuell
defekte Steuerkette, bzw. Zahnriemen ist nicht möglich, da bei Ausfall der Gaswechselsteuerung
keine Teile innerhalb der Maschine kollidieren können.
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Da die Zylinder sowie die Dichtkörper rotieren
und somit Bewegungs-Energie aufnehmen bzw. abgegeben können, kann
gegebenenfalls auf ein separates Schwungrad verzichtet werden. Die
Maschine könnte
dadurch wesentlich Kompakter bauen und vielfältiger Verwendung finden. Auch
ist durch die Anordnung der drehbaren Zylinder mit den ebenfalls drehbaren
Dichtrollen, eine hohe Verschleißfestigkeit gegeben.