DE19607054A1

DE19607054A1 - Universeller Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19607054A1
Application number: DE1996107054
Authority: DE
Inventors: Brigitte Dr Heckl-Oestreicher
Original assignee: HECKL OESTREICHER BRIGITTE DR; OESTREICHER ROLAND DR
Current assignee: HECKL OESTREICHER BRIGITTE DR; OESTREICHER ROLAND DR
Priority date: 1996-02-24
Filing date: 1996-02-24
Publication date: 1997-08-28

Description

Begriffsdefinitionen

Verbrennungsraum: Der Raum, in dem das Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird. Als Folge der Kolbenbewegung variiert dieses Volumen im Laufe eines Arbeits-Zyklusses. Daher weicht diese Definition von der eher üblichen Definition ab, bei der unter Verbrennungsraum das Minimum dieses Volumen verstanden wird.

Aktuelle Verdichtung: Verhältnis zwischen obigem Maximalwert des Verbrennungsraumes und dem aktuellen Volumen, welches von der jeweiligen Arbeits-Phase abhängt.

Verdichtungsverlauf: Die oben definierte aktuelle Verdichtung in Abhängigkeit der Arbeits-Phase ergibt den Verdichtungsver lauf.

Verdichtungsverhältnis: Maximal erreichbarer Wert des oben definierten Verdichtungsverlaufs.

Arbeitsdruck: Aktueller Gasüberdruck im Verbrennungsraum. Dieser Gasdruck beinhaltet insbesondere auch den Druck, der durch die Verbrennung des Kraftstoff-Gemisches entsteht.

Hubraum: Dieses Wort wird absichtlich vermieden, da der Raum, den die Kolben durch ihren Hub definieren, im allgemeinen nicht mehr die Variation des oben definierten Verbrennungs raumes darstellt. Insbesondere ist daher auch der Hubraum im allgemeinen nicht mehr die relevante Größe zur Berechnung des Verdichtungsverhältnisses.

Grundversion: Motor mit zwei Kolben in einem Zylinder ent sprechend Zeichnung Nr. 2. Die Kurbelwellen haben dabei die gleiche Drehzahl. Eine Phasendifferenz in den Rotationsphasen der Kurbelwellen ist nicht vorhanden.

Herkömmlicher Motor: Motor, der nur einen Kolben pro Zylinder hat. Der Zylinder ist einseitig mit einem Zylinderkopf abge schlossen.

Stand der Technik

Hauptsächlich werden Verbrennungsmotoren eingesetzt, bei denen nur jeweils ein Kolben pro Zylinder eine lineare Hubbewegung durchführt. Diese Hubbewegung wird mittels einer Pleuelstange auf eine rotierende Kurbelwelle übertragen. Der Zylinder ist dabei einseitig auf der der Kurbelwelle gegen überliegenden Seite mit einem Zylinderkopf abgeschlossen. Im folgenden wird ein solcher Motor "herkömmlicher Motor" ge nannt. Verbrennungsmotoren, bei denen zwei Kolben in einem Zylinder arbeiten sind nicht im Einsatz. Bei solchen Motoren werden die Hubbewegungen der beiden Kolben über zwei Pleuel stangen auf zwei rotierende Kurbelwellen übertragen. Die beiden Kurbelwellen sind durch ein zusammenführendes Getriebe untereinander gekoppelt. Solche Motoren werden vermutlich deshalb nicht eingesetzt, weil sie wesentlich komplexer sind und in der Version, die dem Stand der Technik entspricht (im folgenden Grundversion genannt), keine Vorteile erkennen lassen gegenüber den Motoren, die nur einen Kolben pro Zylinder haben. Diese Grundversion ist in der Zeichnung Nr. 2 skizziert. Der Verbrennungsraum befindet sich zwischen den beiden Kolben. Die beiden Kurbelwellen haben in dieser Grundversion gleiche Drehzahl und rotieren in Phase, d. h. , es besteht zwischen den Rotationsphasen der beiden Kurbelwellen keine Phasendifferenz. Befindet sich eine der beiden Kurbel wellen im oberen Totpunkt, so befindet sich zur selben Zeit auch die andere in ihrem oberen Totpunkt.

Problem

1. Das Verdichtungsverhältnis und der Verdichtungsverlauf der Grundversion in Zeichnung Nr. 2 ist identisch mit dem eines herkömmlichen Motors, was unmittelbar ersichtlich ist, wenn man sich in der Mitte des Zylinders eine Trennwand vorstellt (siehe dazu Zeichnungen Nr. 2 und 4). Diese Trennwand stellt dann für jeden der beiden Kolben einen fiktiven Zylinderkopf dar. Wie bei einem herkömmlichen Motor
wird die aktuelle Verdichtung dann maximal, wenn die Kurbel wellen sich im oberen Totpunkt befinden. Dies bedeutet, daß zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung kein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt wird. In der Grund version ist also kein Vorteil gegenüber einem herkömmlichen Motor ersichtlich.

2. Das Verdichtungsverhältnis des Motors kann nicht der jeweilig geforderten Situation angepaßt werden. Zum Beispiel Straßenverkehr im Falle von Kfz.-Motoren. Stichworte dazu:
Stadt- und Überlandverkehr, Berg- und Talfahrt, hohe Be schleunigung, Reduzierung der "Motorbremse" durch Verringe rung der Kompression bei Drosselung oder Abstellung der Kraftstoffzufuhr. Dies ist u. a. (aber hauptsächlich) im Zusammenhang mit Treibstoff-Einsparung zu sehen.

Lösung

Das Getriebe, das die beiden Kurbelwellen koppelt (zusammen führendes Getriebe) wird so ausgelegt, daß zwischen den Rota tionsphasen der beiden Kurbelwellen eine Phasendifferenz besteht. Diese Phasendifferenz kann je nach Konstruktion des zusammenführenden Getriebes entweder starr oder flexibel sein. Letzteres bedeutet, daß die Phasendifferenz während des Betriebes variiert werden kann.

Erreichte Vorteile

1. Sofern das zusammenführende Getriebe flexibel ist, kann das Verdichtungsverhältnis des Motors während des Betriebes variiert werden. Damit kann der Motor für variable Anforde rungen, die zum Beispiel im Straßenverkehr auftreten, dyna misch optimiert werden.

2. Mit flexiblem zusammenführenden Getriebe kann der Motor an unterschiedliche Oktan-Zahlen von verschiedenen Treibstof fen angepaßt werden.

3. Bei geeigneter Wahl der Phasendifferenz kann ein Motor konzipiert werden, bei dem während der gesamten Expansions phase wirkungsvoll Drehmoment auf zumindest eine der beiden Kurbelwellen übertragen werden kann. Insbesondere tritt das Maximum der aktuellen Verdichtung nicht mehr bei der Arbeits- Phase auf, bei der sich die Kurbelwellen im oberen Totpunkt befinden. Auf diese Weise wird erreicht, daß bereits am Beginn der Expansionsphase, nämlich bei der Arbeits-Phase, bei der das Maximum der aktuellen Verdichtung auftritt, ein Drehmoment auf die Kurbelwellen ausgeübt wird.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen 1. Motor mit 60° Phasendifferenz

Das Prinzip eines Motors, bei dem zwischen den beiden Kurbelwellen eine Phasendifferenz von 60° besteht, ist in Zeichnung Nr. 1 schematisch skizziert. Sie zeigt eine Drauf sicht der Gesamtanordnung (B), eine stirnseitige Ansicht des zusammenführenden Getriebes (A) und zwei stirnseitige Ansich ten eines Schnittes durch die Zylinder-Mitte (C und D). Dabei zeigt der erste Schnitt (C) den Motor bei der gleichen Rotationsphase wie in der Draufsicht. Die Kurbelwelle 1 befindet sich im oberen Totpunkt und die Kurbelwelle 2 ist 60° vom oberen Totpunkt entfernt. Der zweite Schnitt (D) dient der Illustration, wie sich die Kolben im Laufe des Arbeits-Zyklusses im Zylinder bewegen. Die Kurbelwellen haben sich dabei von (C) nach (D) um 60° weitergedreht.

Bemerkung: Die Arbeitsweisen des Motors werden im folgenden anhand von Sequenzen solcher stirnseitigen Schnitte illu striert.

Zum Vergleich wird in Zeichnung Nr. 2 der Motor in der Grundversion gezeigt. Der Unterschied bzgl. Zeichnung Nr. 1 besteht darin, daß keine Phasendifferenz zwischen den Kurbel wellen vorhanden ist.

Eine Sequenz von stirnseitigen Schnitten, die eine volle Umdrehung der Kurbelwellen in 30° Schritten abdeckt, ist in der Zeichnung Nr. 3 gezeigt. Zum Vergleich wird in Zeichnung Nr. 4 eine analoge Sequenz der Grundversion gezeigt. Die in den Zeichnungen angegebenen Rotationsphasen beziehen sich auf die linke Kurbelwelle. Für Zeichnung Nr. 3 wurden die Phasenwinkel so ausgewählt, daß die Rotationsphasen, bei denen der Verbrennungsraum minimal (bei Phase 330°) bzw. maximal (bei Phase 150°) wird, tatsächlich zur Darstellung kommen. Man sieht, daß das Maximum der aktuellen Verdichtung bei einer bzgl. der Grundversion unterschiedlichen Rota tionsphase auftritt (nicht im oberen Totpunkt) und, daß verglichen mit der Grundversion, sowohl das Minimum des Verbrennungsraumes größer als auch das Maximum des Verbren nungsraumes kleiner ist. Dadurch wird das Verdichtungsver hältnis verkleinert. Das Maximum der aktuellen Verdichtung tritt in diesem Beispiel (Phasendifferenz = 60°) bei der Rotationsphase 330° auf. Beide Kurbelwellen befinden sich dabei außerhalb des oberen Totpunktes. Während sich die linke Kurbelwelle noch 30° vor dem oberen Totpunkt befindet ist die rechte Kurbelwelle bereits 30° nach dem oberen Totpunkt.

2. Motor mit steuerbarem Verdichtungsverhältnis

Bei dieser Version wird ein zusammenführendes Getriebe be nutzt, welches eine Steuerung der Phasendifferenz zwischen den beiden Kurbelwellen gestattet. Ein Beispiel für eine diesbezügliche Ausführung des zusammenführenden Getriebes ist in der Zeichnung Nr. 5 gezeigt, wo die Phase der rechten Kurbelwelle mittels zweier weiterer Stirnräder (genannt Steuerrollen), die einen Zahnriemen steuern, gegenüber der Phase der linken Kurbelwelle verschoben werden kann. Dazu die Bemerkung: Durch die Verwendung dieses Zahnriemens im zusam menführenden Getriebe rotieren die beiden Kurbelwellen nicht mehr gleichsinnig, sondern gegensinnig. Das in Zeichnung Nr. gezeigte Beispiel bewirkt von A) nach B) eine Phasenver schiebung zwischen den beiden Kurbelwellen von ca. 55° Eine solche Phasendifferenz zwischen den beiden Kurbelwellen kann während des Betriebes angebracht und variiert werden.

Zeichnungen Nr. 3 und 4 als Zahlenbeispiel: In der Grundver sion von Zeichnung Nr. 4 (ohne Phasendifferenz) beträgt das Verdichtungsverhältnis 11. Durch das Anbringen der Phasendif ferenz von 60° in Zeichnung Nr. 3 wird dieses auf 5, 6 reduziert.

3. Motor mit günstiger Drehmomentübertragung auf die Kurbelwellen

Wie bereits oben erwähnt, befinden sich die Kurbelwellen zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung nicht im oberen Totpunkt, falls zwischen den beiden Kurbelwellen eine endliche Phasendifferenz angebracht wird. Soll diese Phasen differenz konstant bleiben (was nicht zwingend ist), kann ein zusammenführendes Getriebe entsprechend Zeichnung Nr. 1 be nutzt werden. Alternativ kann ein flexibles Getriebe ent sprechend Zeichnung Nr. 5 gewählt werden. In diesem Fall ist jedoch auf eine Kollisionsgefahr der Kolben zu achten (s. u.).

In einer solchen Konfiguration kann ein Drehmoment auf die Kurbelwelle auch zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung auf die Kurbelwelle übertragen werden.

Als Beispiel für einen solchen Motor wurde in der Zeichnung Nr. 6 eine Phasendifferenz von 80° gewählt. Das Maximum der aktuellen Verdichtung tritt dabei bei der Rotationsphase 320° auf (in der Zeichnung nicht dargestellt). Wie oben erwähnt, wird zunächst das Verdichtungsverhältnis des Motors bei Einführung einer solchen Phasendifferenz verkleinert. Für den in der Zeichnung Nr. 6 dargestellten Motor wurde das Verdichtungsverhältnis wieder erhöht, indem, verglichen mit der Grundversion ein kürzerer Zylinder verwendet wird. Die Kurbelwellen liegen also näher beisammen. Der Abstand beträgt 90% von dem der Grundversion (Zeichnung Nr. 4). Ohne die Phasendifferenz würden die beiden Kolben im oberen Totpunkt kollidieren. Mit der gezeigten Konfiguration erhält man den Wert 15,6 für das Verdichtungsverhältnis, während das Ver dichtungsverhältnis der Grundversion 11 beträgt. Alternativ können, um das Verdichtungsverhältnis wieder zu erhöhen, die Pleuelstangen verlängert werden.

Mit der gewählten Phasendifferenz von ca. 80° wird erreicht, daß die Übertragung von Drehmoment auf die Kurbelwellen während der gesamten Expansionsphase äußerst günstig ist. Dies ist anhand der Zeichnung Nr. 6 zu sehen. Bereits im Maximum der aktuellen Verdichtung (bei 320°) sind beide Kurbelwellen außerhalb des oberen Totpunktes. Während der darauffolgenden Expansionsphase von 330° über 360°=0° bis 60° wird vor allem auf die rechte Kurbelwelle, die diesbezüglich sehr günstig liegt, Drehmoment übertragen. Ab der Rotations phase 60° wird andererseits auf die linke Kurbelwelle wir kungsvoll Drehmoment übertragen. Letzteres bis hin zu der Phase (nämlich 140°) bei der das Minimum der aktuellen Verdichtung (maximaler Verbrennungsraum) erreicht wird.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß während der gesamten Expansionsphase, wirkungsvoll Drehmoment auf zumindest eine der beiden Kurbelwellen übertragen wird.

Bezugszeichenliste

1 Motor mit 60° Phasendifferenz (schematisch)
2 Grundversion (schematisch)
3 Sequenz einer Umdrehung des Motors mit 60° Phasendifferenz
4 Sequenz einer Umdrehung der Grundversion
5 Flexibles zusammenführendes Getriebe
6 Sequenz einer Umdrehung des Motors mit 80° Phasendifferenz

Claims

1. Universeller Verbrennungsmotor, bei dem zwei Kolben in einem Zylinder arbeiten. Die Verbrennung im Motor findet in dem Raum statt, der durch die Stirnflächen der beiden Kolben und der Zylinderwand begrenzt wird. Die lineare Hubbewegung der beiden Kolben wird mittels Pleuelstangen auf zwei rotie rende Kurbelwellen übertragen. Die beiden Kurbelwellen sind über ein zusammenführendes Getriebe miteinander gekoppelt. Dabei können die Kurbelwellen sowohl gleichsinnig als auch gegensinnig rotieren. Der Motor kann sowohl entsprechend dem Viertakt-Prinzip als auch entsprechend dem Zweitakt-Prinzip betrieben werden. Mehrzylinder-Motoren können realisiert wer den. Je nach spezieller Ausführung kann dieser Motor mit allen erdenklichen Kraftstoffen wie Benzin, Diesel, Alkohol, allen denkbar geeigneten Gasen, sowie allen weiteren bekann ten und noch unbekannten flüssigen, gasförmigen und auch festen Kraftstoffen, die vergast werden können (wie Holz), betrieben werden. Dieser Motor ist bei entsprechender Ausfüh rung und Dimensionierung universell einsetzbar (Fahrzeuge zu Land, zu Wasser und zu Luft, Antrieb für Generatoren, Antrieb für Maschinen).

Dieser Verbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Kurbelwellen bezüglich ihrer Rota tionsphasen eine Phasendifferenz vorhanden ist. Das zusammen führende Getriebe kann die einzelnen Kurbelwellen sowohl starr als auch flexibel miteinander koppeln. Flexibel bedeu tet, daß die Phasendifferenz zwischen den zwei Kurbelwellen während des Betriebes verändert werden kann; d. h. in diesem Fall ist die Phasendifferenz steuerbar.

2. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Phasendifferenz der beiden Kurbelwellen durch das zusammenführende Getriebe steuerbar ist. Dies erlaubt eine Steuerung des Verdichtungsverhältnisses des Motors während des Betriebes.

3. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß bei der Kopplung der individuellen Kurbelwellen durch das zusammenführende Getriebe eine feste Phasendifferenz zwischen den beiden Kurbelwellen vorgegeben wird. Dies bewirkt, daß das Maximum der aktuellen Verdichtung während eines Arbeits- Zyklusses nicht im oberen Totpunkt der beiden Kurbelwellen erreicht wird, sondern bei einer davon verschiedenen Phase, bei der bereits ein endliches Drehmoment auf die Kurbelwellen wirkt.