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Die Erfindung betrifft einen Freikolben-Boxermotor. Die Erfindung ist im Bereich Motorenbau einsetzbar.
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Als Vorgänger gilt der Freikolben-Boxermotor von S. Balandin.
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Die Entwicklungsgeschichte der durch S. Balandin angebotenen Freikolben-Boxermotoren nimmt in den dreißiger und vierziger Jahren des vorigen Jahrhunderts ihren Anfang, als der Urheber am Konstruktionsbüro tätig war, in dem einige Motorbauarten mit einem eigenartigen, vom Schubkurbelgetriebe abweichenden Antrieb entwickelt und angefertigt wurden.
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Alle angefertigten Mustermotoren basierten auf dem Schema mit einer überzähligen kinematischen Verbindung.
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Bei der scheinbaren Einfachheit enthielt der Mechanismus nicht ausgereifte kinematische Verbindungen, und sie waren für die Anwendung an den Wärmemaschinen wenig untersucht. Deshalb waren ihre Möglichkeiten schwer einschätzbar. Sogar eine kinematische Verbindung an einem so komplizierten Getriebe wie einem Brennkraftmotor ließ dessen weitere Funktionsfähigkeit anzweifeln, zumal man nicht verstand, auf welche Weise diese Verbindung zu lösen war. Der zu synchronisierende Mechanismus, um welchen es geht, war ein untrennbarer Motorteil.
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Im folgenden Beispiel wird das Symmetrieprinzip in Bezug auf den zu überprüfenden Freikolben-Boxermotor erklärt. Das beste Beispiel ist ein kinematisches Schema des Freikolben-Boxermotors von S. Balandin, woran die Reihenfolge von Hubtakten nach 180° über den Umlenkwinkel der Kurbelwelle gleichmäßig durchgeführt wird. Der Aufbau des Antriebs setzt sich aus vier doppelten Arbeitskolben mit Kolbenstangen, zwei Arbeitskreuzköpfen, die sich an der Achse der Kolbenbewegung verstellen, drei synchronisierenden Kreuzköpfen, die sich in der Oberfläche verstellen und die zur Oberfläche der Zylinder senkrecht stehen, zusammen. Die oben genannten Elemente werden durch eine sich planetar umdrehende Kurbelwelle gekoppelt und auf deren fünf Hälsen angebracht. Der sechste und der siebte Kurbelwellenhals sind für den Einbau von Ausgleichsmassen und die Übertragung des Drehmoments an die Energiezapfwelle vorgesehen. Beiderseitig an jedem Arbeitskolben werden synchronisierende Kreuzköpfe mit gleichem Abstand angebracht. Deren Funktionen im Boxermotor sind wie folgt:
Sie gewähren mit den Arbeitskreuzköpfen zusammen die Synchronisierung der Kurbelwelle. Sie nehmen die Grundbelastung von Gaskräften auf, indem sie im Augenblick der Gasentzündung in den Nebenzylindern die Kreuzköpfe der Arbeitszylinder von der ”Stoßbelastung” abtrennen. Sie dienen als Ausgleichmassen zwecks Gewichtsausgleichs aller Massen. Der behandelte Mechanismus wird durch umfassende kinematische Möglichkeiten gekennzeichnet, er hebt sich großzügig gegenseitig auf.
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Zum Abschluss werden die Hauptvorteile des Freikolben-Boxermotors aufgezählt:
Die Bauweise des Freikolben-Boxermotors ermöglicht es, aufgrund der sinnvollen Zusammenstellung von Motorbaugruppen und -teilen das Motorraumvolumen wesentlich herabzusetzen. Das Mischungsverhältnis von Gaskräften und Trägheitswiderständen hat eine wesentliche Herabsetzung von resultierenden Kräften zur Folge, welche kinematische Glieder beanspruchen, wodurch der mechanische Wirkungsgrad des Motors erhöht werden kann. Je höher die Masse der Kolben mit Stangen und Kreuzköpfen des Freikolben-Boxermotors ist, desto höher sind (innerhalb bestimmter Grenzen) die Motorumdrehungszahlen bzw. desto schwächer ist die Beanspruchung der Kugellager; im Tauchkolbenmotor sieht es gerade andersherum aus. Die Anzahl der Funktionen der Arbeitskolben wird geringer (Kolben hören auf, als Reibpaarungen zu funktionieren), demzufolge wird die Zuverlässigkeit der Kolbenarbeit erhöht. Es wird möglich, den Arbeitsgang im Motor an beiden Seiten des Arbeitskolbens zu verwirklichen oder die Kolbenunterseite zur Kompressionsaufladung zu verwenden. Es wird möglich, mittels der Öllieferung durch Kolbenstangen sowie Kolben zwecks deren wirksamen Abkühlung das Kolbenkühlsystem zu vervollkommnen. Es wird möglich, für die sich geradlinig bewegenden Kolben Dichtungslabyrinthe mit vollem oder partiellem Verzicht auf Kolbenringe zu verwenden.
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Der Hauptgrund dafür, dass die Verwendung des vorliegenden kinematischen Schemas tatsächlich nicht realisiert worden war, liegt darin, dass dies komplizierter als normaler Kurbeltrieb ist. Die große Zahl von Gegenstücken erfordert einen hohen technologischen Stand für deren Herstellung. Der Wert der Gesamttoleranz der Gegenstücke soll geringer sein als der Wert des diametrischen Luftspalts eines der Randlager an der planetaren Welle, sonst ist es nicht möglich, für dessen linke und rechte Hälfte eine synchrone Drehung zu gewährleisten. Diese Toleranz einzuhalten, ist technologisch aufwändig. (http://wweistenw.volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html.)
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Im Motor von Balandin, der durch eine überzählige kinematische Verbindung gekennzeichnet ist, werden die Dimensionen der Teile bei der Temperaturerhöhung zwangsläufig geändert. Auch ruft eine Ungenauigkeit von Teildimensionen bei deren Fertigung und Zusammenstellung eine Verwerfung, eine Festklemmung, Kratzer, noch mehr als Lagerluft, hervor. Die weitere Vervollkommnung des Motoraufbaus von Balandin hat den Motoraufbau ziemlich verkompliziert, indem die vorgeplanten Vorteile nullifiziert worden waren.
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Die vom Erfindungsanmelder angebotene Vorrichtung besteht aus je zwei Zylindern auf jeder der parallelen Achsen, je zwei Kolben an jedem Zylinderpaar, die durch eine Platte fest verbunden sind, und aus zueinander gegenseitig perpendikulären Hälsen, die sich in Innenlagern des Kreuzkopfs umdrehen und die die Folge von Arbeitstakten um 90° sicherstellen.
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Ein solcher Aufbau des Freikolben-Boxermotors ermöglicht es, den seitlichen Druck auf die Zylinder zu beheben, den Effekt des oberen Totpunkts zu vermeiden und Verwerfungen, Kratzer, intensiven Verschleiß zu beseitigen sowie von einem Ende der Kurbelwelle Leistung abzunehmen.
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Der Vorgänger hat zwei Arbeitskreuzköpfe, die in Achsenrichtung mit Kolben gleiten, und drei synchronisierende Kreuzköpfe. Dagegen hat die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Kreuzköpfe, die senkrecht zur Kolbenbewegung auf den Bahnen im queren Einschnitt der Platte, die beide Kolben verbindet, frei gleiten. Die Querbewegung des Kreuzkopfs erfolgt durch den Gasdruck des Zylinders mit dem senkrechten Hals der Kurbelwelle. Die Kreuzköpfe haben einen Freiheitsgrad und üben keinen Druck auf die Zylinderseitenwände aus, wodurch der mechanische Wirkungsgrad erhöht und demensprechend der Zylinder- und Kolbenverschleiß verringert werden. Der Mechanismus wird dadurch extrem zuverlässig gemacht, und seine Funktionsfähigkeit hält lange an. Die starre Befestigung der Kurbelwelle, anders als die planetare Befestigung des Vorgängers, behebt Verwerfungen und Kratzer sowie ermöglicht es, von einem Ende der Kurbelwelle Leistung abzunehmen.
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Diese scheinbar einfache Änderung des Aufbaus verändert die Eigenschaften des Motors grundsätzlich.
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Die Kurbelwelle mit den zueinander gegenseitig senkrechten Hälsen, die sich in Innenlagern des Kreuzkopfs umdrehen, gewährt die Folge von Arbeitstakten um 90°, wodurch der Effekt des oberen Totpunkts vermieden werden kann. Kreuzköpfe haben Gleitlager: zwei flache Außenlager für Gleitbahnen im Einschnitt der Platte und ein Innenlager für den Hals der Kurbelwelle, die das Schmierölsystem zum Schmieren durch die Kanäle in der Kurbelwelle, die zur Oberfläche des Kreuzkopfs ähnlich wie am Schubkurbelgetriebe fortgeführt wird; außerdem wird das Schmieren mittels der Öldünste ermöglicht, die durch die Umdrehung der Kurbelwelle erzeugt werden. Außerdem wird die Länge der Kolben selbst kürzer, weil das Kolbenhemd sowie die Stelle für den Kolbenbolzen fehlen. Es bleibt nur die Stelle für den Einbau von Kolbenringen. Demzufolge wird dadurch die Zylinderlänge kürzer, bzw. die Abmessungen und das Gewicht des Motoraufbaus werden geringer.
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Da die Gesamtlänge von zwei Kolben, die zusammen verbunden sind, zunimmt, werden darüber hinaus der seitliche Druck und der Verschleiß der Zylinder verringert. Ein wesentlicher technologischer Vorteil liegt auch darin, dass zwei Gegenzylinder sowie zwei starr befestigte Kolben an einer Anlage bearbeitet werden können. Die Abmessungen eines Vierzylindermotors werden denen eines Zweizylindermotors entsprechen.
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Dieser Aufbau kann für alle Motorarten benutzt werden: Benzin-, Dieselmotoren, Viertaktmotoren, Zweitaktmotoren, Vier-, 8- und Mehrzylindermotoren unter Verwendung von konventionellen Motorsteuerungen, Zündungsvorrichtungen, Kraftstoffversorgungssystemen, Einspritzanlagen usw. Diese Systeme werden in dieser Erfindung nicht behandelt.
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Das System, das aus der Kurbelwelle und dem Kreuzkopf besteht, der sich im queren Einschnitt der die zwei Kolben verbindenden Platte frei bewegt, kann auch in den Vorrichtungen verwendet werden, bei denen es notwendig ist, die Umdrehung in die Vorwärtsbewegung umzusetzen: in Pumpen, Kompressoren usw.
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In 1 ist ein kinematisches Schema eines Freikolben-Boxermotors dargestellt: Zwei Kolbenpaare 1, 2 und 3, 4; Kurbelwelle 5; zwei Paare 6, 7 und 8, 9 von gegenüberliegenden Zylindern; Kurbellager 10; Lager 11 vom Kurbelwellenhals; Kreuzkopf 12; Platte 13, die einen queren Einschnitt mit zwei Bahnen hat.
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In 2 ist eine Frontansicht des queren Einschnitts der Platte, die zwei Kolben verbindet, dargestellt. 14 ist ein flaches Lager für die Bahnen; ebenso 11 und 12.
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Der Freikolben-Boxermotor enthält je zwei gegenüberliegende Zylinder 6, 7 und 8, 9 auf jeder der parallelen Achsen; jedes Paar ist mit zwei Kolben 1, 2 und 3, 4 versehen, die fest paarweise durch Platten 13 mit einem queren Einschnitt mit Bahnen verbunden sind, auf welchen Kreuzköpfe 12 mit flachen Lagern 14 für die Bahnen im queren Einschnitt und zylindrischen Gleitlagern 11 für den Hals der Kurbelwelle 5 frei gleiten. Der sinnvolle Arbeitsgang in Zylindern, als (wenn?) beim Arbeitshub in einem Zylinder im gegenüberliegenden Zylinder eine Abdichtung erfolgt, entlastet die Kurbelwelle teilweise.
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Die gegenseitig senkrechte Lage der Hälse an der Kurbelwelle für die gegenüberliegenden Nebenzylinder lässt den Effekt des oberen Totpunkts vermeiden: wenn sich einer der Kolben am Beginn des Arbeitshubs im oberen Totpunkt befindet, hat der zweite Kolben auf dem senkrechten Hals an der Kurbelwelle das höchste Drehmoment, also ist das Drehmoment vom Freikolben-Boxermotor eine konstante Größe.
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Mathematisch sieht es so aus: Wenn das Moment auf einer Achse X und auf der senkrechten Achse Y ist, so ist das Gesamtmoment (Kreisformel) wie folgt: X2 + Y2 = 1
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Die Vorrichtung funktioniert beim Viertaktverfahren wie folgt:
Wenn der Kolben im Zylinder 6 im oberen Totpunkt ist, beginnt der Arbeitshub, beginnt die Abdichtung vom Ladegemisch im Zylinder 7, ist die zweite Hälfte vom Ausstoß im Zylinder 8 und ist die zweite Hälfte vom Ansaugen im Zylinder 9.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 90 Grad enden die Zyklen in den Zylindern 8 und 9, und das Ansaugen im Zylinder 8 sowie die Abdichtung im Zylinder 9 beginnen. In den Zylindern 6 und 7 werden vorherige Zyklen im Zylinder-6-Arbeitshub und in der Zylinder-7-Abdichtung fortgesetzt.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 180 Grad enden in den Zylindern 6 und 7 deren Zyklen, und es beginnen der Ausstoß im Zylinder 6 und der Arbeitshub im Zylinder 7. In den Zylindern 8 und 9 werden vorherige Zyklen im Zylinder-8-Ansaugen und im Zylinder-9-Abdichten fortgesetzt.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 270 Grad enden die Zyklen in den Zylindern 8 und 9, und die Abdichtung (im Zylinder 8) und der Arbeitshub (im Zylinder 9) beginnen. In den Zylindern 6 und 7 werden deren vorherige Zyklen im Zylinder-6-Ausstoß und im Zylinder-7-Arbeitshub fortgesetzt.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 360 Grad enden die Zyklen in den Zylindern 6 und 7, und das Ansaugen (im Zylinder 6) und der Ausstoß (im Zylinder 7) beginnen. In den Zylindern 8 und 9 werden deren vorherige Zyklen im Zylinder-8-Abdichten und im Zylinder-9-Arbeitshub fortgesetzt.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 450 Grad enden die Zyklen in den Zylindern 8 und 9, und der Arbeitshub (im Zylinder 8) und der Ausstoß (im Zylinder 9) beginnen. In den Zylindern 6 und 7 werden deren vorherige Zyklen, im Zylinder 6 das Ansaugen und im Zylinder 7 der Ausstoß, fortgesetzt.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 540 Grad enden die Zyklen in den Zylindern 6 und 7, und die Abdichtung (im Zylinder 6) und das Ansaugen (im Zylinder 7) beginnen. In den Zylindern 8 und 9 werden deren vorherige Zyklen, im Zylinder 8 der Arbeitshub und im Zylinder 9 der Ausstoß, fortgesetzt.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 630 Grad enden die Zyklen in den Zylindern 8 und 9, und der Ausstoß (im Zylinder 8) und das Ansaugen (im Zylinder 9) beginnen. In den Zylindern 6 und 7 werden deren vorherige Zyklen, im Zylinder 6 die Abdichtung und im Zylinder 7 das Ansaugen, fortgesetzt.
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Bei der Umdrehung der Kurbelwelle um 720 Grad enden die Zyklen in den Zylindern 6 und 7, und der Arbeitshub (im Zylinder 6) und die Abdichtung (im Zylinder 7) beginnen. In den Zylindern 8 und 9 werden deren vorherige Zyklen, im Zylinder 8 der Ausstoß und im Zylinder 9 das Ansaugen, fortgesetzt.
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Die Zyklusanalyse des Viertaktmotors zeigt, dass auf zwei Umdrehungen der Kurbelwelle an einem Viertel einer Umdrehung (von 630° bis 720°) der Arbeitshub fehlt, von 270 bis 360° ist der Arbeitshub gleichzeitig in den Zylindern 9 und 7, in anderen Fällen ist es folgewirkend. Das kann beseitigt werden, indem ein Achtzylindermotor gefertigt wird, der tatsächlich gleiche Abmessungen wie ein Vierzylindermotor haben wird. Es wird dabei gleichzeitig der Arbeitshub in zwei Zylindern gewonnen, die gegeneinander um 90° versetzt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://wweistenw.volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html. [0008]
