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Kraftübertraqungsprinzip für
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Verbrennungskraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein mechanisches
Kraftübertragungsprinzip für Hubkolben-Verbrennungsmotoren.
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Anwendungsmöqlichkeiten bestehen im Zwetakt- und Viertaktsystem mit
einem oder mehreren Zylindern.
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Bei der laufenden Entwicklung im Bau von Verbrennungsmotoren werden
mit großem Aufwand Anstrengungen zur besseren Kraftstoffausnutzung und -Verbrennung,
sowie zur Leistungssteigerung und Gewichtsminderung unternommen. Keine wesentlichen
Verbesserungen wurden im Kraftübertragunqsmechanismus an der Kurbelwelle vorgenommen,
obwohl bekannt ist, daß das Prinzip unwirtschaftlich arbeitet.
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Außerdem entstehen während des Arbeitshubes nach der Verbrennung im
Zylinder Schrägkräfte, die zu Reibungsverlust, unruhiqem Lauf und Gehäusevibration
führen. Diese Nachteile treten besonders bei Verwendung von weniger als vier Zylindern,
langem Hub und großem Zylindervolumen auf. Hinzu kommen Gewichtsprobleme und ungenügende
Ladung der Zylinder mit Luft- oder Gasgemisch.
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Bei der Erfindung sind die hier aufgeführten Nachteile wesentlich
reduziert oder z. T. aufgehoben und eine erhebliche Leistungssteigerung ist gewährleistet.
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Das mechanische Prinzip arbeitet mit zwei parallel gelagerten, gegenläufig
drehenden, und mit Zahnrädern kämmenden Kurbelwellen. Ein Kolben mit Doppelpleueln
und zwei Kurbelwellen ergänzen sich hierbei zu einer Einheit, dem Dreipunktsystemantrieb.
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Diese Bezeichnunq wurde deshalb gewählt, da je Zylinder drei Punkte
r ein Kolbenbolzenlager und zwei Pleuellager notwendig sind. Bei diesem Prinzin
wird die Leistung eines Zylinders, bzw. einer Zylinderreihe, mit Kolben und Doppelpleueln
auf zwei Kurbelwellen übertragen. Wegen der Druckverteilunq kann die statische Belastbarkeit
der Kurbelwellen im Vergleich zu nur einer Kurbelwelle um die Häflte reduziert werden.
In der Betrachtung des Prinzips, von zwei Kurbelwellen ausgehend, werden " zwei
Maschinen " mit je einer Kurbelwelle auf einen Zylinder, bzw. eine Zylinder@eihe,
als Einheit zusammengefügt.
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Es verringern sich Gewicht, Material- und Fertigungskosten erheblich,
da für die im Prinzip integrierte Zweitkurbelwelle weder Zylinder, Kolben noch Ventilsteuerunq
usw. bendtigt werden.
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Im mechanischen Ablauf liegen Vorteile, die von größter Bedeutung
sind. War bisher der Drehwinkel der Kurbelwelle pro Arbeitstakt 180 Grad, so beträgt
dieser nun beim n Ansaugen und " Arbeiten " z. B. 210 Grad und beim " Verdichten
und " Ausstoßen " nur 150 Grad. Während dem Kolbenweg vom o. T. zum u. T. dreht
die Kurbelwelle um mehr, in der umgekehrten Richtung um weniger als 1800. Je nach
Bauausführung kann der Drehwinkel beim Arbeits- bzw. Ansaughub um bis ca.
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450 erweitert werden. Es entstehen unterschiedliche Kolbengeschwindigkeiten,
wobei der Weg vom o. T. zum u. T. langsamer,
und der Weg zurück
schneller durchlaufen wird. Voraussetzung ist, daß die Drehrichtung, wobei die linke
Kurbelwelle rechts und die rechte nach links dreht, eingehalten wird. Hierbei verbleibt
zur besseren Zylinderfüllung erheblich mehr Zeit, da das Einlaßventil wegen dem
erweiterten Drehwinkel länger geöffnet bleibt. Die Steuerung des Gaswechsels erfolgt
nach den bisher bewährten Prinzipien, die lediglich auf die neuen Gegebenheiten
eingestellt werden müssen.
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Außerdem wird automatisch eine Verlängerung des Hubes erreicht, die
je nach Konstruktion verschieden ist. Dabei sind die Maße, wie Länge des Kurbelhebels
und der Pleuelstangen, der Abstand der Kurbelwellen zueinander, sowie der festgelegte
Drehwinkel beim Ansaug--und Arbeitstakt, maßgebend. In jedem Fall ist der Hub immer
größer als die doppelte Länge des Kurbelhebels, was beim Prinzip mit einer Kurbelwelle
nicht möqlich ist.
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Die entscheidenden, für das Dreipunktsystem sprechenden Punkte liegen
im mechanischen Ablaufs des Arbeitstaktes, dem damit verbundenen Druckabbau im Zylinder
und den Hebelverhältnissen an der Kurbelwelle. Bei der Umsetzung von Schubkraft
in Drehkraft ist nach erfolgter Zündung von größter Wichtigkeit, daß die Verpuffung
relativ gering qehalten wird und der Druck bei günstigen Hebelverhältnissen noch
möglichst hoch ist.
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Die nachfolqende Tabelle zeigt in Stufen die Darstellung von drei
Beispielen. Verwendet wurden die Graphiken der Figuren 2 und 3.
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Figur 2 zeigt den Druck abbau im Kolben in einer Kurve dargestellt.
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Figur 3 in drei Kurven den Weq des Kolbens vom oberen Totpunkt (o.
T.) zum unteren Totpunkt bei verschiedenen Drehwinkeln.
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Kurve A = Drehwinkel 180° mit einer Kurbelwelle Kurve B = Drehwinkel
210° mit zwei Kurbelwellen Kurve C = Drehwinkel 225° mit zwei Kurbelwellen Deutlich
ist zu sehen, daß bei größerem Drehwinkel die Kurve an Steilheit verliert und folglich
der Druckabbau sich verlangsamt vollzieht. Von wesentlicher Bedeutung sind die erheblichen
Unterschiede im Stand des Kolbenweges, die anfänglich gering, dann aber stark zunehmend
sind.
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In der Tabelle sind der Kolbenweg, der Gasdruck und der Leistungsgrad
des Gasdruckes zu Kolben-Kurve A, in Prozent ausgedrückt, z. B. nach einer Drehung
von 900 hat der Kolben bei Kurve A ( Einwellenprinzip ) nur noch 40 % seines Weges
bis zum UT zurückzulegen. Das Volumen über dem Kolben beträgt dann 60 z des Gesamtvolumens.
Vom höchsten Druck stehen noch ca. 31 % zur Verfügung.
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Nach Kurve B ( Zweiwellenprinzip ) muß bei 900 der Kolben noch 52
% zurücklegen und vom höchsten Druck stehen noch ca. 38 % zur Verfügung.
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Bei Kurve C (Zweiwellenprinzip) muß der Kolben noch 60 % zurücklegen
und vom höchsten Druck sind noch ca. 44 % vorhanden.
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Dies verdeutlicht die gesteigerte Effektivität in der Arbeitsphase.
Bei günstigem Kurbelhebel sorgt ein wesentlich höherer Gasdruck über dem Kolben
für größeren Schub an der Kurbelwelle.
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In der Spalte Leistungsgrad ist der Druck nach Kurve A mit 100 % angesetzt,
woraus sich dann der Leistungsgrad nach Kurve B und C errechnet. Die Unterschiede
sind so erheblich, daß nach Kurve B im Mittel ein Leistungsgrad von ca. 125 %, nach
Kurve C von ca.
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150 e erreicht wird.
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Drehwinkel Kolbenkurve A Kolbenkurve B Kolbenkurve C Grad Weg Druck
L.Grad Weg Druck L.Grad Weg Druck L.Grad % % % % % % % % % 0 100 80 - 100 80 - 100
80 -30 91 97 100 93 99 102 94 100 103 60 68 53 100 75 65 122 79 84 158 90 40 31
100 52 38 122 60 44 142 120 18 22 100 32 27 123 41 32 145 150 6 16 100 16 21 131
26 25 156 180 0 10 100 5 15 151 13 20 200 210 - - - 0 10 - 4 14 -225 - - - - - -
0 10 -Leistungsgrad gemittelt ca. 125 150
In Figur 1 ist der Dreipunktsystemantrieb
skizziert.
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Ziffer Nr. 1 = Kolben 2 = Zylinder 3 = Pleuelstangen ( Doppelpleuel
4 = Pleuellager 5 = Kammräder - zugleich auch Schwungräder 6 = Kurbelwellenachse
7 = Drehrichtung 8 = Drehwinkel, z. B. 2100, beim Ansaug- und Arbeitstakt 9 = Drehwinkel,
z. B. 1500, heim Verdichtungs-und Ausstoßtakt 10 = Hub 11 = Kurbelhebel 12 = Verbrennungsraum
Im
mechanischen Ablauf ist die Einhaltung der Drehrichtung notwendig. Die mit Zahnrädern
kämmenden Kurbelwellen drehen gegenläufig und nehmen die Schubkraft des Kolbens
über zwei Pleuelstangen auf. Während des Ansaug- und Arbeitstaktes ist die Kolbengeschwindigkeit
wesentlich niedriqer als beim Verdichten und Ausstoßen. Es entsteht eine neue Atemtechnik,
die mit gesteigertem Gasdurchsatz, verbesserter Zylinderftillung und verzögertem
Gasdruckabbau zu höherer Leistung führt.
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Die Kammräder fungieren gleichzeitig als Schwungräder.
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Da der Gasdruck über das Dreipunktsystem auf zwei Kurbelwellen erfolgt,
können im Zylinder keine Schräqkräfte auftreten. Dies ermöglicht die Verwendunq
eines kurzen Kolbens mit wenig Führunqsfläche, auch bei langem Hub und großer Zylinderbohrung.
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Folglich können auch großvolumige Zylinder in geringerer Anzahl, z.
B. nur 4 anstatt 6 oder 8 Verwendung finden, ohne die Laufkultur wesentlich zu beeinträchtigen.
Zusätzlich sind im größeren Zylinderkopf größere Ventilöffnungen zur Verbesserunq
der Atemtechnik möglich.
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Das Prinzip ermöglicht auch eine bessere Verbrennung, da der Kolben
sich vom o. T. langsamer wegbewegt und der Verbrennungsdruck länger. und besser
komprimiert bleibt. Durch die verringerte Verpuffung wird der Verbrennungsvorgang
verbessert, der Gasdruck erhöht und effizienter an die Kurbelwellen mit günstigerem
Hebelverhältnis abgegeben.
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Die Folgen sind gesteigertes Drehmoment und höhere Leistung.
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In der Zusammenfassung der Vorteile ergibt sich außerdem eine geringere
Belastung der Umwelt mit Schadstoffen, da die Kraftstoffausnutzung durch bessere
Verbrennunq gesteiqert wird.
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Dazu trägt auch bei, daß der im Dreipunktsystemantrieb anqewendete
technische Trick zu höherer Leistung ohne höheren Kraftstoffverbrauch führt.