DE10353396A1

DE10353396A1 - Pleuel mit Energiespeicher für Verbrennungskolbenmaschinen

Info

Publication number: DE10353396A1
Application number: DE10353396A
Authority: DE
Inventors: Horst Gentsch; Dietmar Gentsch
Original assignee: Gentsch Dietmar Dipl-Ing Dr
Current assignee: Gentsch Dietmar Dipl-Ing Dr
Priority date: 2003-11-15
Filing date: 2003-11-15
Publication date: 2004-07-29
Also published as: WO2005049990A1; DE112004002082D2

Abstract

Die neue Konstruktion des Pleuels soll die Kraft-Druck-Spitzen nach der Zündung als mechanische Energie reversibel speichern und bei günstigem Kurbelwinkel wieder abgeben. Das große Pleuelauge 1 bleibt in der klassischen Form erhalten, Fig. 1. Die Stange 2 mutiert von der Doppel-T-Form zum dickwandigen Stahlrohr mit Boden. Das kleine Pleuelauge 3 greift außen über die runde Stange und ist über eine Steck-Dreh-Verbindung 4 unter Vorspannung mit der Stange verrastet. Federnd steht der Stempel 5 auf dem kompressiblen Material 6. Zur Einstellung der Vorspannung dienen Einlegescheiben 7. Das Federelement 6 aus kompressiblem Material speichert reversibel bis 15% der Motorleistung.

Description

Der Arbeitstakt einer Verbrennungskolbenmaschine beginnt nach der Kompression des Brennmittel – Luft – Gemisches am oberen Totpunkt mit dem Zünden des Gemisches. Dabei steigt der Gasdruck steil an. Kolben, Pleuel und Kurbelwelle belasten Kräfte von einigen Tonnen, die in der Umgebung des oberen Totpunktes vor allem Reibungsverluste verursachen und kaum Drehmoment. In der Literatur besonders in der Patentliteratur gibt es viele Vorschläge zur Entschärfung des Problems durch Vergrößerung des Restvolumens vor dem Kolben am oberen Totpunkt. Und zwar erst nach dem Start der Verbrennung. Eine Spielart ist die Anwendung von Lenkhebeln an einem sogenannten Knickpleuel ( DE 10 13 52 17 A1 ) die andere der Einsatz von Federelementen am Zylinderkopf (J 0 1 21 60 33 A) oder am Kolben (J 63 03 60 30 A). Wegen der starken Kräfte, die zu übertragen sind, ist die Mechanik des Knickpleuels anfällig und kaum realisierbar.
Zuverlässiger hingegen ist der gefederte Kolben im Zylinderkopf, wenn das Platzproblem zwischen Ventilen und der Einspritzdüse gelöst werden könnte. Die Idee eines gefederten Kolbens im Kolben dürfte dem Konstrukteur nicht gefallen. Die Kräfte erfordern ungewöhnlich schwere Federn. Beim klassischen Kurbeltrieb erzeugt in modernen Kolbenmaschinen die Verbrennung am oberen Totpunkt extrem hohen Druck (> 100 bar) und sehr hohe Temperaturen (> 1000°C). Im steilen Temperaturgradienten verliert das Gas viel Energie durch Wärmeleitung an die Umgebung. Auch wird bei der hohen Temperatur die exotherme Verbrennungsreaktion zurückgedrängt, die unerwünschte endotherme Bildungsreaktion von NO_X und CO begünstigt.
Als Beitrag zur Verbesserung der hochentwickelten Verbrennungskolbenmaschine verfolgt die Erfindung mehrere Ziele:

01 den Druck am OT senken, um den Kurbeltrieb zu entlasten
02 die Temperatur im Brennraum senken
03 die Bildung umweltschädlicher Gase mindern
04 nahe am OT das heiße Gas expandieren und die gewonnene mechanische Energie speichern
05 die gespeicherte Energie bei größerem Kurbelwinkel zurückführen
06 das Drehmoment vergrößern und die Reibungsverluste senken
07 den Treibstoffverbrauch senken
08 Minderung der Schallemission des Motors
09 leichtere Konstruktion des Motors
10 bewährte Konstruktion der Verbrennungsmaschine erhalten
11 Änderung der Konstruktion nur am Pleuel

Die Lösung der Probleme ist erfindungsgemäß eine neue Konstruktion des Pleuels. Zentrales Element der Konstruktion ist eine Schwerlastfeder in der Stange desselben. Die Stange, ein dickwandiges Rohr mit Boden, nimmt die Feder auf. Die Schnittstelle des nunmehr zweiteiligen Pleuels liegt im Bereich geringer Massenkräfte nahe am kleinen Pleuelauge. Zwei Ausführungsformen der Feder kommen in Betracht: a) ein Stapel aus Tellerfedern und aa) Materie mit großem Kompressibilitätsfaktor.
Letzterer Typ liegt der Prinzipzeichnung zugrunde. Zur Entlastung beim Zünddruck ist geringer Federhub ausreichend. Z.B. bis 2 mm Hub bei einem VW -Dieselmotor mit 19,5 : 1 Verdichtungverhältnis, 1,9 Liter TDI. Pro Millimeter Hub wird das Zündvolumen um 20 % vergrößert und entsprechend fällt das Druckmaximum. Die dabei umgesetzte Energie ist beachtlich. Sie beträgt bei einer Kolbenbelastung von 40.000 N bis 40 Nm = 40 Ws pro Zündung pro mm Federweg. Dieser Energiebetrag wird in der Feder gespeichert und nahezu verlustfrei bei der Entspannung wieder abgegeben. Dann aber bei einem Kurbelwinkel mit großer Hebellänge, folglich mit erhöhtem Drehmoment. Bei Vollast des obengenannten Motors mit 66 kW werden bis 15 % der mechanischen Arbeit in der Feder reversibel zwischengespeichert.
Wegen der schwingenden Belastung der Feder muss bei Tellerfedern die Lebensdauer beachtet werden. Die Dauerfestigkeit wird mit mehr als 2 Millionen Lastwechseln angegeben. Von derartigen Einschränkungen ist eine Feder auf der Basis der Kompressibilität der Materie frei. Die Volumenänderung unter Druck führt nicht zur Deformation von Kristallen wie z.B. im Federstahl, sondern ändert im atomaren Bereich die Atom- bzw. Molekülabstände reversibel. Als Konstruktionswerkstoff eignen sich alle Festkörper und Flüssigkeiten mit einem Kompressionskoeffizienten > 8 × 10^–6 atm^–1, die keinen messbaren Sublimationsdampfdruck bzw. Dampfdruck haben, vorzugsweise Kaliumjodid, ionische Lösungsmittel und Polymere.
Die erfindungsgemäße Konstruktion als Pleuels ist in der 1 dargestellt. Das große Pleuelauge 1 bleibt in der klassischen Form erhalten. Die Stange 2 mutiert von der Doppel – T – Form zum dickwandigen Stahlrohr mit Boden. Nicht mehr ein Teil bilden Stange und das kleine Pleuelauge 3. Dieses separate Teil greift außen über die runde Stange und ist über eine Steck-Drehverbindung 4 unter Vorspannung mit der Stange verrastet. Unter dieser Spannung steht der Stempel mit kegelförmigem Kopf 5 auf dem kompressiblen Material 6. Zur Einstellung der Vorspannung dienen Einlegescheiben 7 zwischen Stempel 5 und dem Pleuelauge 3. Der Einbau einer Verdrehsicherung ist notwendig. Diese Konstruktion erreicht alle oben formulierten Ziele und das Federelement aus kompressiblem Material ist dauerstabil und speichert Druck-(Kraft-)Spitzen als mechanische Energie reversibel. Auf diese Weise werden alle Teile des Kurbeltriebes entlastet, Schwingungen gedämpft und der Materialermüdung entgegengewirkt. Von den Fließeigenschaften und der Oberflächenspannung des Kompressionsfeder-Materials hängt es ab, ob der Stempel 5 eine zusätzliche Dichtung braucht oder ein Ringspalt von 1 bis 2 Micron hinreichend abdichtet.

Claims

Pleuel mit Energiespeicher für Verbrennungskolbenmaschinen dadurch gekennzeichnet dass die Stange die Form eines dickwandigen Rohres mit Boden hat (1), das einen elastischen Körper aufnimmt, der sowohl als Arbeitsaufnehmer als auch bei schwingender Beanspruchung als Dämpfer wirkt.
Pleuel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Körper ein Stapel von Tellerfedern ist.
Pleuel nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet dass der elastische Körper in der Form eines hinreichend kompressiblen Materials im Hohlraum der Stange von einem beweglichen passgenauen Stempel eingeschlossen ist der im Bedarfsfall mit einer Dichtung versehen ist.
Pleuel nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Federvorspannung durch Einlegescheiben (7) zwischen Stempel und kleinem Pleuelauge geschieht und durch eine Steck-Dreh-Verbindung fixiert wird.
Pleuel nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stange elliptischen Querschnitt mit Bohrung hat zur Beherrschung großer Massenkräfte.
Pleuel nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Kompressionsfeder: Metall, Salz, Polymer, Gummi vorzugsweise KJ, PP, PU, PTFE, PA, PC, Viton.... sein kann.
Pleuel nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Kompressionsfeder eine Flüssigkeit ist, die in der Bohrung der Stange von einem Stempel mit Dichtung eingeschlossen ist, vorzugsweise Glyzerin.