DE19607063A1

DE19607063A1 - Allgemein einsetzbarer Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19607063A1
Application number: DE1996107063
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-Zyklus′. Daher weicht diese Definition von der eher üblichen Definition ab, bei der unter Verbrennungsraum das Minimum dieses Volumens 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 (siehe dazu Ausführungsbeispiel 2). Insbe sondere ist daher auch der Hubraum im allgemeinen nicht mehr die relevante Größe zur Berechnung des Verdichtungsverhält nisses.

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

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 3). 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 Kurbelwellen sich im oberen Totpunkt befinden. Dies bedeutet, daß zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung kein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt wird. In der Grundversion ist also kein Vorteil gegenüber einem herkömmlichen Motor ersicht lich.

Lösung

Das Getriebe, das die beiden Kurbelwellen koppelt (zusammen führendes Getriebe) wird so ausgelegt, daß die beiden Kurbel wellen unterschiedliche Drehzahlen haben. Das Drehzahlver hältnis beträgt 2 : 1.

In Zeichnung Nr. 1 ist ein solcher Motor schematisch skizziert. Sie zeigt eine Draufsicht der Gesamtanordnung (B), eine stirnseitige Ansicht des zusammenführenden Getriebes (A) und eine stirnseitige Ansicht eines Schnittes durch die Zylinder-Mitte (C). Zum Vergleich ist in Zeichnung Nr. 2 die Grundversion, bei der die beiden Kurbelwellen gleiche Dreh zahl haben, in analoger Weise gezeigt. Der zusätzliche, zweite stirnseitige Schnitt (D) durch die Zylinder-Mitte dient der Illustration, wie sich die Kolben im Laufe des Arbeits-Zyklus′ im Zylinder bewegen. Die Kurbelwellen haben sich dabei von (C) nach (D) um 60° weitergedreht.

Bemerkung: Für die Ausführungsbeispiele unten werden die Arbeitsweisen des Motors anhand von Sequenzen solcher stirn seitigen Schnitte illustriert. Um den Vergleich mit der Grundversion zu erleichtern, ist in Zeichnung Nr. 3 die Sequenz einer vollen Umdrehung der Kurbelwellen in 30° Schritten für die Grundversion gezeigt.

Erreichte Vorteile

1. Es läßt sich ein Motor mit alternierendem Verdichtungs verhältnis konzipieren. (Siehe Ausführungsbeispiel 1).

2. Es läßt sich ein Motor konzipieren, bei dem während einer Umdrehung der langsamen Kurbelwelle zwei Kompressions- und zwei Expansionsphasen auftreten. Ein zusätzlicher Vorteil besteht dabei darin, daß bei diesem Motor die Drehmoment- Übertragung auf die Kurbelwelle äußerst günstig ist. (Siehe Ausführungsbeispiel 2)

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

1. Motor, bei dem von Umdrehung zu Umdrehung das Verdich tungsverhältnis alternierend variiert.

Die beiden Kurbelwellen des Motors bewirken einen sehr unter schiedlichen Hub für die beiden Kolben. Die Kurbelwelle, die den großen Hub bewirkt, wird im folgenden Haupt-Kurbelwelle genannt. Diese Haupt-Kurbelwelle hat die doppelte Drehzahl im Vergleich zur zweiten Kurbelwelle, die im folgenden Hilfs- Kurbelwelle genannt wird. Eine Arbeits-Sequenz, bei der die Haupt-Kurbelwelle zwei Umdrehungen in 60° Schritten ausführt, ist in Zeichnung Nr. 4 gezeigt. Eine Phasendifferenz zwischen den Kurbelwellen ist nicht vorhanden. Befindet sich die Haupt-Kurbelwelle im oberen Totpunkt, so befindet sich die Hilfs-Kurbelwelle bei jeder zweiten Umdrehung der Haupt- Kurbelwelle (nämlich bei den Rotationsphasen 0°, 720°, etc.) auch im oberen Totpunkt, was ein sehr hohes Verdichtungsver hältnis bewirkt. Bei den dazwischenliegenden Umdrehungen der Haupt-Kurbelwelle (nämlich bei den Rotationsphasen 360°, 1080°, etc.) befindet sich die Hilfs-Kurbelwelle im unteren Totpunkt, was ein entsprechend niedrigeres Verdichtungs verhältnis bewirkt.

Dieses Verhalten kann für Motoren benutzt werden, die nur bei jeder zweiten Umdrehung das Kraftstoff-Gemisch verbrennen (Viertakt-Prinzip). Das niedrigere Verdichtungsverhältnis wird dabei so gewählt, daß es adäquat für den Verbrennungs takt ist. Das höhere Verdichtungsverhältnis wird dabei so hoch wie technisch realisierbar gewählt, damit die Abgase möglichst vollständig aus dem Verbrennungsraum ausgepufft werden können. Das Kraftstoff-Gemisch für die nächste Ver brennung kann damit effektiv angesaugt werden und ist außer dem besonders rein von Rest-Abgasen.

2. Motor mit zwei Kompressions-Phasen während einer Umdrehung der langsam rotierenden Kurbelwelle.

Zwischen den beiden Kurbelwellen wird eine Phasendifferenz von 90° angebracht. Dadurch befindet sich die langsame Kurbelwelle entweder 90° vor oder 90° nach ihrem oberen Totpunkt, wenn sich die schnelle Kurbelwelle im oberen Tot punkt befindet (siehe Zeichnung Nr. 5). Die Sequenz von einer Umdrehung in 30° Schritten der langsamen (rechten) Kurbel welle ist in der Zeichnung Nr. 5 gezeigt. Während einer Umdrehung der rechten Kurbelwelle treten zwei Kompressionen und zwei Expansionen auf. Im folgenden beziehen sich die Rotationsphasen auf die rechte Kurbelwelle. Das erste Minimum des Verbrennungsraumes liegt bei der Rotationsphase 78°, das zweite Minimum bei 282°. Dazwischen liegt das Haupt-Maximum des Verbrennungsraumes, nämlich bei 180°. Bei der Rotations phase 0° befindet sich ein weiteres Zwischen-Maximum des Verbrennungsraumes. Das Volumen des Verbrennungsraumes in Abhängigkeit der Rotationsphase ist in Zeichnung Nr. 6 gezeigt.

Damit kann ein Motor konzipiert werden, der während nur einer Umdrehung der langsamen Kurbelwelle entsprechend einem Viertakt-Motor arbeitet. Dazu wird das Kraftstoff-Gemisch zwischen dem zweiten Minimum des Verbrennungsraumes (bei 282°) und dem Zwischen-Maximum (bei 0°) angesaugt (oder eingespritzt) und unter Ausnutzung der Haupt-Expansionsphase von 78° bis 180°) verbrannt. Man beachte, daß bei der Rotationsphase mit maximaler aktueller Verdichtung (78°) die langsame Kurbelwelle deutlich außerhalb des oberen Totpunktes liegt, so daß bereits zum Zeitpunkt der maximalen aktuellen Verdichtung ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt wird.

Bezugszeichenliste

1 Motor mit unterschiedlicher Drehzahl der Kurbelwellen im Verhältnis 2 : 1 (schematisch)
2 Grundversion (schematisch)
3 Sequenz einer Umdrehung der Grundversion in 30° Schritten
4 Sequenz eines Motors mit alternierendem Verdichtungsverhältnis
5 Sequenz eines Motors mit zwei Kompressionen und zwei Expansionen während einer Um drehung der langsamen Kurbelwelle
6 Volumen des Verbrennungsraumes in Abhängig keit der Rotationsphase der langsamen Kurbelwelle

Claims

1. Allgemein einsetzbarer 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 rotierende Kurbelwellen übertragen. Die beiden Kurbel wellen sind über ein zusammenführendes Getriebe miteinander gekoppelt. Dabei können die Kurbelwellen sowohl gleichsinnig als auch gegensinnig rotieren. Der Motor kann sowohl ent sprechend dem Viertakt-Prinzip als auch entsprechend dem Zweitakt-Prinzip betrieben werden. Mehrzylinder-Motoren können realisiert werden. Je nach spezieller Ausführung kann dieser Motor mit allen erdenklichen Kraftstoffen wie Benzin, Diesel, Alkohol, allen denkbar geeigneten Gasen, sowie allen weiteren bekannten und noch unbekannten flüssigen, gasförmi gen und auch festen Kraftstoffen, die vergast werden können (wie Holz), betrieben werden. Dieser Motor ist bei entspre chender Ausführung und Dimensionierung allgemein einsetzbar (Fahrzeuge zu Land, zu Wasser und zu Luft, Antrieb für Generatoren, Antrieb für Maschinen).
Dieser Verbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, daß das zusammenführende Getriebe bewirkt, daß die beiden Kurbelwellen unterschiedliche Drehzahlen haben. Das Verhält nis der Drehzahlen beträgt 2 : 1.

2. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die beiden Kurbelwellen mit dem Drehzahlverhältnis 2 : 1 so ausgelegt sind, daß die beiden Kolben deutlich unterschied lichen Hub haben. Die Kurbelwelle mit der höheren Drehzahl bewirkt dabei den größeren Kolbenhub. Im folgenden wird diese Kurbelwelle mit Haupt-Kurbelwelle bezeichnet. Diese Konfigu ration bewirkt, daß das Verdichtungsverhältnis von einer Umdrehung der Haupt-Kurbelwelle zur nächsten alterniert. Ins besondere kann bei jeder zweiten Umdrehung der Haupt-Kurbel welle ein extrem hohes Verdichtungsverhältnis realisiert werden, während bei der jeweils dazwischenliegenden Umdrehung ein adäquates Verdichtungsverhältnis bestehen bleibt. Dies kann z. B. bei Motoren, die nur bei jeder zweiten Umdrehung der Haupt-Kurbelwelle das Kraftstoff-Gemisch verbrennen (wie beim Viertakt-Motor), dazu verwendet werden, daß bei den Umdrehungen, bei denen das Verdichtungsverhältnis adäquat ist, das Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird, während bei den dazwischenliegenden Umdrehungen mit extrem hohem Verdich tungsverhältnis das Kraftstoff-Gemisch angesaugt bzw. die Abgase ausgepufft werden.

3. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen den beiden Kurbelwellen bezüglich ihrer Rota tionsphasen eine Phasendifferenz von ca. 90° besteht. Letzte res bedeutet: befindet sich die Kurbelwelle mit der höheren Drehzahl in ihrem oberen Totpunkt, so befindet sich die Kurbelwelle mit der niedrigeren Drehzahl alternierend entwe der ca. 90° vor ihrem oberen Totpunkt oder ca. 90° nach ihrem oberen Totpunkt. In dieser Konfiguration treten während einer Umdrehung der Kurbelwelle mit der niedrigeren Drehzahl zwei Kompressionsphasen und zwei Expansionsphasen auf.