DE2550567A1 - Kurbeltrieb fuer hubkolbenverbrennungsmaschinen mit verlaengerter oberer totzone und integrierbarer druckerzeugungsanlage - Google Patents

Description

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Anmelder: Hermann Hähnel
703 Waiblingen
Hainbuchenstraße 25

Titel; Kurbeltrieb für Hubkolbenverbrennungsmaschinen mit verlängerter "Oberer Totzone" und integrierbarer Druckerzeugungsanlage.

Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft ein Kurbelgetriebe für Hubkolbenverbrennungsmaschinen nach dem Otto- oder Dieselprinzip, im 2-Takt- oder 4—Taktverfahren, sowie eine integrierbare Druckerzeugungsanlage für Flüssigkeiten oder Gase.

Zweck der Erfindung; ist es, den Gesamt wirkungsgrad von Hubkolbenverbrennungsmaschinen durch Ausschaltung der inneren Verluste und Verbesserung des Verbrennungsablaufs zu erhöhen, das Emmissionsverhalten zu verbessern und den Wirkungsgrad von Verbundsystemen mit Druckerzeugungsanlagen,durch Ausschaltung verlustbehafteter Zwischenaggregate, zu erhöhen, indem sie, aufgrund der konstruktiven Bedingungen dieses Kurbeltriebs, in den Motor integriert werden.

Stand der Technik und Kritik; Bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren wird der Kolbenhub durch ein Pleuel bewirkt, das vom Kurbelzapfen direkt zum Kolbenbolzen des Kolbens führt. Als Bewegungsdiagramm ergibt diese Konstruktion eine sinusähnliche Kolbenhubkurve 1 Fig.1, die ihren Gipfelpunkt in einem "Oberen Totpunkt"2 Fig.1 ( OTP ) hat. Üese Kolbenhubkurve ist in ihrem oberen Teil, der zum OTP hin und von diesem weg führt, relativ steiler als im Bereich vor bzw. nach dem "Unteren Totpunkt" ( TJTP ). Die beim Aufwärtshub

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des Kolbens entstehende Verdichtungsdruckkurve 5 hat ihren Gipfelpunkt ebenfalls im OTP 2. Es ist bekannt, daß eine Zündung im OTP jedoch schlechte Ergebnisse bringt, weil durch die relativ schnelle Volumenvergrößerung nach Überschreiten des OTP beim Abwärtshub, die Verbrennung verlangsamt wird und unvollständig bleibt. Das verdichtete Gasgemisch muß daher bereits rechtzeitig vor dem OTP gezündet werden. Das bedeutet aber, daß:

a) die eingeleitete Verbrennung einen Druckanstieg bewirkt, der dem zum OTP strebenden Kolben entgegenwirkt und als Rückdrehmoment wirksam wird, und

b) die Verdichtung zum frühestmöglichen Zeitpunkt der Zündung bereits so hoch sein muß, daß die Verbrennung zuverlässig eingeleitet werden kann. Deshalb muß die Verdichtung im OTP insgesamt höher ausgelegt werden, als zum Zündzeitpunkt eigentlich notwendig wäre, was zu insgesamt überhöhten Verdichtungsdrücken, und damit zu unnötig hohen Verbrennungsdrücken führt, in deren Folge das Klopfen, die Bildung von Stickoxiden, sowie Dissoziationserscheinungen beim Verbrennungsprozeß auftreten. Fig.1 zeigt über der Kolbenhubkurve eines Motors mit herkömmlichem Kurbeltrieb ein PV - Diagramm. Der Zündzeitpunktifliegt 30 Grad vor dem OTP 2. Die Verbrennungsdruckkurve 5 steigt nun steil an und erreicht ihren Gipfelpunkt nach dem OTP , von dem aus die adiabatische Entspannungsphase folgt. (Anmerkung: Die PV - Diagramme entsprechen insofern nicht der üblichen Darstellung, als die Abszisse V keine lineare Volumenzunahme bezeichnet, sondern diese dem darunterliegenden Kolbenhubdiagramm entspricht.) Das durch die Frühzündung erzeugte Gegendrehmoment muß als Verlustleistung oder aufzuwendende Arbeit vom Gesamtpotential, des durch Verbrennung erzeugten Gasdruckes, abgezogen werden. Lediglich, die, nach dem OTP noch stattfindende Restverbrennung ist als Arbeitspotential nutzbar und in Fig.1 als schraffierte Fläche 6 dargestellt. Messungen haben ergeben, daß die Gegendrehmomente großer sind als die nutzbaren Drehmomente.

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Aufgabe der Erfindung ist es, durch, ein geeignetes Kurbelgetriebe, den Kolbenhub so zu steuern, daß der Kolben, eine für den Ablauf der Verbrennung ausreichende Zeitspanne, in der oberen Totpunktlage verbleibt, sodaß während dieser Zeitspanne eine Gleichraumverbrennung stattfinden kann, ohne daß rückdrehende Kräfte auf die Kurbel wirken können, der Verdichtungsdruck zum Zündzeitpunkt gleichzeitig der Verdich tungshöchstdruck ist, der so niedrig, wie für eine sichere Einleitung und einen vollständigen Ablauf der Verbrennung nötig, gehalten werden kann, und die Umsetzung der auf den Kolben wirkenden Kräfte mit hohem Wirkungsgrad in ein Drehmoment an der Kurbelwelle, oder die möglichst direkte Nutzung dieser Kräfte zur Erzeugung hydraulischer oder pneumatischer Drücke.

Zur Lösung dieser Aufgabe bieten sich zunächst Schubkurveno&er Sxeentergetriebe an, über deren Kurvenscheibe!! beliebige Steuerungskurven bsw» Kolbenhubkurven zu erzielen sind* Jedoch haben alle bekannten Lösungen den Nachteil» daß sie mechanisch anfällig und nicht kraft schlüssig sind. Die Aufgabe wird erfindungsgeniäß dadurch gelöst, daß vom Kurbelzapfen 7 Fig »3 «in stark verkürztes Pleuel nicht direkt zum Kolben, sondern als "hängendes Pleuel" 8 zu einem "inneren Führungsrahaen" 9 führt, mit dem es am Gegenlager 10 schwenkbar verbunden ist. Die seitliche Führung des inneren Führungsrahmens 9 kann

a) über geeignete Gleitlager 11, die als Nuten, Schwalbenschwanzführungen etc* oder eine oder aehrere Hollen 12 erfolgen_t die entweder, wie in Fig 5 dargestellt, am inneren Führungsrahaen befestigt sind und an einem äuBeren Mihrungsrahmen abrollen, den, wie auch die Gleitlager 11 das Gehäuse 13 bilden oder auf nehmen kann,oder zur Verringerung der hin- und hergehenden Massen am Gehäuse 13 befestigt sind und am inneren Führungsrahmen abrollen« Diese Bollen können glatt oder verzahnt sein» solche verzahnten Führungsrollen können Steuerungszwecken dienen und z.B. Funktionen von Nockenwellen übernehmeno

b) durch die am inneren Führungsrahmen 9 starr angebrachte Kolbenstange 14 und den aalt ihr verbundenen Arbeitskolben 15 erfolgen. Falls der innere Führungsrahmen durch feste Führun-

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gen z.B. Schaibenschwanzführungen oder mehrere Bollen auf Jeder Seite die seitliche Führung ganz übernimmt und nicht über die Kolben stange 14 abgestützt werden muß, ist die Kolbenstange gelenkig am inneren Führungsrahmen anzubringen, um innere Verspannungen und unnötige Reibungsverluste zu vermeiden. Der innere Führungsrahmen 9 umgreift den Kurbelzapfen 7 und ist höchstens so breit wie dieser. Das hängende Pleuel 8 ist am Gegenlager 10 so aufgehängt, daß es bei Drehung der Kurbel-im Pleuelfenster 16 zwischen den Umschlagpunkten 17 hin- und herpendeln kann. Die Umschlagpunkte liegen jeweils immer bei der Stellung des Kurbelzapfens 90 Grad vor oder nach OTP bzw.UTP. Wenn nun die wirksame Länge des hängenden Pleuels gleich dem Kurbelradius wäre, würde der Mittelpunkt des Gegenlagers 10 sich mit dem Mittelpunkt der Kurbelwelle 18 während der Drehung 90 Grad vor bis 90 Grad nach OTP decken, d.h. der Arbeitskolben 15 würde während einer 180 Grad Drehung der Kurbelwelle in seiner obersten Lage verharren, während alle Kräfte, die über den Arbeitskolben 15 auf den inneren Führungsrahmen, Pleuel, Kurbel und Gehäuse wirken, sich gegenseitig aufheben. Es entsteht so eine mechanische Verblockung im Kurbelgetriebe_o Eine Konstruktion in dieser extremen Form ist jedoch weder zweckmäßig, noch wegen der hohen Materialbelastungen in den Umschlagpunkten möglich. In Fig.3 ist ein hängendes Pleuel 8 dargestellt, das im Umschlagpunkt mit dem Kurbelarm 19 einen Winkel von 30 Grad bildet. Zur Verdeutlichung ist in den Fig.4 Fig.5, Fig.6 und Fig.7 dieses Prinzip, reduziert auf seine wesentlichen Elemente,skizzenhaft, in verschiedenen Phasen dargestellt. Fig.4 entspricht Fig.3; Fig.5 zeigt die die Stellung 20 Grad nach OTP des Kurbelzapfens, die der 20 Grad vor OTP entspricht. Hier ist zu erkennen, daß der Kurbelarm und das hängende Pleuel 8 sich zueinander in einem sehr kleinen spitzen Winkel, fast parallel, befinden, und der Unterschied in der Hubhöhe, im Vergleich zur Fig.6, die die reine OTP-Stellung zeigt, vernachlassigbar klein ist. Von der gestrichelten OTP - Linie 34· läßt sich der Hub der gezeigten Stellungen ablesen. Fig.7 zeigt die Stellung im UTP. Aus dieser Anordnung ergibt sich eine excentrische Kolbenhubkurve 20 Fig.2, die zum besseren Vergleich im gleichen Maßstab neben Fig.1 gezeichnet wurde. Diese Kolbenhubkurve 20 steigt

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vom UTP bis 90 Grad vor OTP (Umschlagpunkt) steil an, verläuft dann in einer starken Krümmung, und von ca, 30 Grad vor bis ca. 30 Grad nach OTP fast flach, wo sie die "Obere Totzone" ( OTZ ) 23 bildet, im weiteren Verlauf fällt sie wieder, symetrisch zum aufsteigenden Teil,steil ab.

Bezüglich der Funktions- und Verbrennungsabläufe bedeutet dies folgendes:

Die Verdichtungsdruckkurve 21 erreicht am Anfangspunkt 22 der OTZ 23 ihren höchsten Wert und bleibt dann (ohne Zündung) bis zum Endpunkt 24 der OTZ auf gleicher Höhe, um dann in gleicher Weise wieder abzufallen. Der Anfangspunkt 22 ist zugleich der frühestmögliche Zündzeitpunkt. Bei Teillast und geringen Drehzahlen ist es zweckmäßig den Zündzeitpunkt in !Richtung Endpunkt 24 zu verlegen, weil dann das komprimierte Frischgas noch zusätzlich Umgebungswärme aus dem Zylinderkopf aufnehmen kann und die Verbrennung, vor allem bei geringen Drehzahlen, nicht zu früh beendet sein darf, um Wärme- und Dichtungsverluste zu vermeiden. Nach Zündung findet während der Phase der Oberen Totzone 23 eine echte Gleichraumverbrennung statt, mit einem Druckanstieg gem. 25 Fig.2 Nach passieren des Endpunktes 24· der OTZ 23 kann sich eine Gleichdruckverbrennung 26 anschließen, wodurch hohe Verbrennungsdruckspitzen verhindert, und trotzdem ein höherer effektiver Mitteldruck erzielt wird. Die Phase der Gleichraumverbrennung, vor allem, wenn sie zum Abschluß der Verbrennung führt, kann, wegen der Loslösung von den anderen bekannten Verfahrenstakten: Ansaugen - Verdichten - Arbeittakt (bisher Verbrennung und Arbeit ) - Auspufftakt, nunmehr als eigenständiger Verbrennungstakt angesehen werden, weswegen es gerechtfertigt erscheint entsprechend dem bisherigen 4- Taktverfahren von einem 5- Taktmotor zu sprechen und entsprechend dem bisherigen 2- Taktverfahren von einem 3- Taktmotor. Die im Anschluß an die OTZ 23 von den Druckkurven eingeschlossene schraffierte Arbeitsfläche 27 stellt nunmehr das entstandene Druckvolumen dar, das voll im Drehmoment zur Wirkung kommt.Mit zunehmender Verdichtung muß, wegen des dadurch beschleunigten Verbrennungeablaufs, die OTZ verkürzt werden, weil sonst, nach abgeschlossener Gleichraumverbrennung bei anhaltender OTZ, Wärmeverluete durch Wärme-

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strahlung und -leitung, sowie Dichtungsverluste auftreten. Dies gelingt entweder durch Verlagerung des Zündzeitpunktes zum gnde der OTZ oder konstruktiv durch ein lägeres hängendes Pleuel. Dies hat eine im OT- Bereich stärker gekrümmte Kolbenhubkurve und einen größeren Winkel zwischen Kurbelarm und hängendem Pleuel im Umschlagpunkt zur Folgf, wodurch sich auch geringere Materialbelastungen ergeben. Solche Konstruktionen sind daher bei Dieselmotoren oder Ottomotoren mit hoher Verdichtung, bei denen es auf eine hohe Drehzahl ankommt, vorzusehen. In Fig.8 ist ein hängendes Pleuel8 mit einem Winkel von 45 Grad im Umschlagpunkt dargestellt. Eine konstruktiv einfache und vielseitig ausbaubare Art der Seitenführung des inneren Führungsrahmens 9 zeigt ebenfalls Fig.8. Der innere Führungsrahmen 9 wird oben, wie beschrieben, durch die starr angebrachte Kolbenstange 14 und den Arbeitskolben 15 geführt und unten über eine ebenfalls starre Kolbenstange 29, die am unteren Führungskolben 30 angelenkt ist, der im unteren Führungszylinder 31 läuft.Dieser Führungskolben 30 und Führungszylinder 31 kann nun so gestaltet werden, daß er als ölpumpe zur inneren Schmierölversorgung des Motors, als Kompressor für Gase, als Hydraulikpumpe oder andere Förderpumpe verwendet werden kann; bei Mehrzylindermotoren sind Kombinationen möglich. Dadurch werden verlustbehaftete Zwischenaggregate eingespart und so der Gesamtwirkungsgrad von Verbundsystemen erhöht. Dieser integrierbare Druckerzeuger ist ebenfalls in Fig.8 dargestellt, wo im Boden des FührungsZylinders 31 die Bin- und Auslaßventile 32 mit einer Zu- und Ableitung 35 im Gehäuse dargestellt sind. Über den Führungsrahm en 9 und die Kolbenstangen 14 und 29 werden die auf den Arbeitskolben wirkenden Drücke im umgekehrten Verhältnis der Kolbenflächen direkt übertragen, während die Schwungmassen 33 der Kurbelwelle 18 als Siergiezwischenspeicher sowohl dem Arbeitskolben als auch dem Führungskolben über den inneren Führungsbahn «η Energie abnehmen oder zuführen. Bei hochverdichteten Motoren z.B. Diesel oder Rennmotoren, kann über diese Führungskolben das Frischgas angesaugt und vorverdichtet werden, wobei im 4- Taktverfahren ein Führungskolben jeweils zwei Arbeitskolben versorgen kann. Beim Bau von 2- Taktmotoren kann das Frischgas, vom Führungszylinder angesaugt , entweder

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über das Kurbelgehäuse oder durch eine gesonderte Zuführung direkt zu den Einspülschlitzen geleitet werden. Dadurch lassen sich die Einspüldrücke beliebig steigern.

Wenn man nun ein hängendes Pleuel am inneren Führungsrahmen außermittig anlenkt, erhält man eine Kolbenhubkurve gem. Fig.9 · Hier ist klar zu erkennen, daß die Verdichtungsphase sehr steil verläuft, die OTZ verkürzt ist und dafür die Arbeitsphase während des Abwärtshubes deutlich verlängert ist. Dies hat den Vorteil, daß die Verdichtung, bezogen auf den Umdrehungsverlauf schneller erfolgen muß, während für Verbrennung und Entspannung mehr Zeit zur Verfügung steht. In Fig. 10, Fig.11, Fig.12,u.Fig. 13 sind verschiedene Stellungen eines extrem außermittig angelenkten hängenden Pleuels dargestellt. Fig.11 zeigt anschaulich, daß die höchste Stellung des Kolbens 15 vor der OT- Stellung des Kurbelzapfens 7 (vgl. Fig.12) erreicht wird. Bei der außermittigen Aufhängung des hängenden Pleuels ist außerdem bemerkenswert, daß der Kolbenhub größer ist als der Durchmesser des Kurbelkreises, bei dem hier gezeigten Beispiel um ca. 15%· Diese Konstruktion eines aaßerinittigeii hängenden Pleuels eignet sich besonders für jjiesel- und Schwerölmotoren, weil Verbrennungs- und Arbeitsphase insgesamt verlängert sind. Erzielbare Vorteile

a) Keine überhöhte Verdichtung, niedrige Spitzendrücke bei erhöhtem effektivem Mitte!druck.

b) Vollkommene Gleiehraumverbremmng möglich«

c)Geringere Schadstoffemmission: Verminderung des GO Anteils weil Gemische sauerstoffreicher eingesetzt werden können, weniger Stickoxide und Dissoziationsprodukte wegen der geringeren Spitzendrücke,

d)Bei Abschluß der Verbrennung als reine Gleichraumverbrennung Stärkstmögliche Abkühlung der Verbrennungsgase während der Arbeite- bzw. Entspannungsphase, dadurch geringere thermische Belastung der Auslaßventile.

e) Geringere Wärmeverluste über das Kühlsystem.

f) Geringere Verdichtungsarbeit.

g) Bei 4— Taktmotoren liegt das Ende des Auspufftaktes und der Beginn des Ansaugtaktes, in der OTZ, sodaß Überschneidungen

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der Ventilöffnungszeiten vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden können, das bedingt eine bessere Ausblasung der Auspuffgase in der OTZ und hat eine bessere Füllung mit Frischgas zur Folge.

h) Der höhere Wirkungsgrad, der durch Ausschaltung der Gegendreh momente erzielt wird, bedingt einen geringeren Treibstoffverbrauch und dadurch auch geringere Abgasmengen bei vergleichbar gleicher Leistung herkömmlicher Hubkolbenmotoren.

i) Ausschaltung der Klopfneigung; Kraftstoffe können bleifrei gemacht werden.

k) Der Einsatz aller bekannten Vergaser- und Dieselkraftstoffe ist möglich, insbesondere auch Kraftstoffe, die wegen ihrer Klopfneigung oder ihres geringeren Heizwertes für herkömmliche Verbrennungsmotoren bisher ungeeignet waren.

1) Die Baugröße oder die Drehzahl kann wegen der erhöhten Drehmoment ausbeute aus dem gleichen Hubraum wie bei herkömmlichen Motoren,bei sonst gleichen Bedingungen, wesentlich reduziert werden

m) Ausschaltung verlustbehafteter Neben- oder Zwischenaggregate bei Konstruktion mit integriertem Druckerzeuger, dadurch höherer Wirkungsgrad von Verbundsystemen.

n) Herkömmliche Techniken und Produktionsverfahren konventioneller Kolbenmotoren können weitgehendst übernommen werden.

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Leerseite

Claims (5)

ktentansprüche:

1) !Kurbeltrieb für Hubkolbenverbrennungsmaschinen mit verlängerter Oberer Totzone ( OTZ )(23) dadurch gekennzeichnet, daß rom Sarbeizapfen (7) einer herkömmlichen Kurbelwelle(18) ein in seiner wirksamen Länge stark verkürztes "Hängendes Pleuel" (8) an einem inneren Führungsrahmen (9), der in Richtung des Kolbenhubes beweglich geführt wird, und der die Kur? belwelle ix Bereich dee Kurbelzapfens umgreift, mittig so angelenkt ist,daß dieser innere Führungsrahaen (9)» auf dessen als Kolbenstange (14) starr oder beweglich ausgebildeter Verlängerung der Arbeitskolben (15) in üblicher Weise beweglich befestigt ist, bei Drehung der Kurbelwelle eine Auf- und Abwärtsbewegung durchführt,die in ihrem Ablauf, bezogen auf den Umdrehungsverlauf der Kurbel, excentrisch ist und

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durch eine mechanische Verblockung des Systems in einem, je nach der wirksamen Länge des Hängenden Pleuels (8), unterschiedlich großen Bereich der Stellung des Kurbelzapfens vor oder nach dessen Oberen Totpunkt eine verlängerte Phase der oberen Totlage des Arbeitskolbens (15) bewirkt, während der eine Gleichraumverbrennung im Verbrennungszylinder erfolgen kann, ohne daß schädliche Rückdrehmomente auf die Kurbel wirken können, oder die Zunahme des Volumens beim Abwärtshub so zeitweise begrenzt, daß die in der OTZ (23) eingeleitete Verbrennung bis zum VerbrennungsSchluß annähernd als Gleichdruckverbrennung ablaufen kann, und der so, durch vollständige Verbrennung, erzeugte Gasdruck bei der weiteren Drehung der Kurbel sich auf diese nur in deur Drehrichtung auswirkt und sich dabei bis zur UT-Stellung entspannt.

2.) Kurbeltrieb nach Anspruch 1), jedoch mit außermittig am inneren Führungsrahmen (9) angelenkten hängenden Pleuel (8) Fig» 10 , wodurch sich , bei einer Drehrichtung der Kurbel über die obere Totlage hinweg auf die Seite des außermittigen Gegenlagers (10) Fig.10 u.Fig.12, der Hubverlauf zusätzlich so ändert, daß die Verdichtungsphase, zugunsten einer verlängerten Verbrennungs- und Ausdehnungsphase, verkürzt wird, während die Obere Totzone (23) vor der OT- Stellung des Kurbelzapfens liegt_o

3·kurbeltrieb nach Anspruch 1) oder 2), dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Führung des inneren Führungsrahmens (9) nicht durch diesen selbst, sondern durch ein, an der Gegenseite der Kolbenstange (14·) angebrachtes unteres Führungsstück in einer entsprechenden Führung bewirkt wird, das als Kolbenstange (29) mit Führungskolben (3o) ausgeführt sein kann, in einem Führungszylinder (31) geführt wird und insgaeamt als Kolbenpumpe einen integrierten Druckerzeuger, zur Erzeugung von hydraulischen oder pneumatischen Drücken, bilden kann.

4.) Kurbeltrieb nach Anspruch 3), dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Druckerzeuger, ganz oder teilweise, als Vorverdichter ausgelegt ist, und für die entsprechenden Arbeitszylinder das Frischgas ansaugt und vorverdichtet zuführt.

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5.) Kurbeltrieb nach Anspruch 3) und 4) für 2- Taktmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskolben (3o) Frischgas für den dazugehörigen Arbeitszylinder ansaugt und über das Kurbelgehäuse oder direkte Kanäle über Spülschlitze oder Ventile zuführt.

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