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Gebiet der Erfindung
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Das
Gebiet der Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren für Motorfahrzeuge
dar. Die Erfindung ist ein Mittel für kleine Motoren oder Motoren
mit geringer Anzahl von Zylindern, um die Auswirkung einer zyklischen
Maximum-Minimum-Drehmomentänderung-Charakteristik dieser
Motoren zu reduzieren oder zu beseitigen, die anderenfalls auf die
Motorhalterungen oder, falls in einem Fahrzeug, auf den Fahrzeugrahmen übertragen
werden würden,
wobei eine ungewollte Vibration und Instabilität erzeugt werden würde und
die Verwendung dieser Motoren in Motorfahrzeugen abschrecken würde.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
wachsende Verwendung von Automobilen führt stark zum Vorliegen verschiedener
Schadstoffe in der Atmosphäre,
die Oxide von Stickstoff und Treibhausgase wie beispielsweise Kohlendioxid
einschließen.
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Verbrennungsmotoren
erzeugen eine mechanische Arbeit aus der Kraftstoffenergie mittels
des Verbrennens von Kraftstoff in einem thermodynamischen Zyklus,
der sich (z.T.) aus Kompression, Zündung und Expansion zusammensetzt.
Der Zyklus führt
zu einer Hin- und Herbewegung an einem Hubweg von einem oder mehreren
zylindrischen Kolben in einer zylindrischen Brennkammer. Jeder Kolben
ist für
gewöhnlich
mit einer Kurbelwelle verbunden, die die lineare Hin- und Herbewegung
der/s Kolben/s in eine einseitig gerichtete Drehbewegung umwandelt, die
verwendet werden kann, um ein Fahrzeug anzutreiben. Da das Drehmoment
nur in der Expansionsphase erzeugt wird und das Drehmoment tatsächlich in
der Kompressionsphase absorbiert wird, gibt es in jedem Zyklus große zyklische
Schwankungen im Drehmoment.
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Die
zyklische, schwankende Natur des an der Kurbelwelle erzeugten Drehmoments
neigt dazu, Motoren mit vielen Kolben zu begünstigen, die bei hohen Geschwindigkeiten
arbeiten. In jedem Zyklus eines jeden Kolbens halten der Kolben-Kurbelwellen-Aufbau
und die Zylinderwände
die Kraft der expandierenden Brennprodukte aus. Die Kraft an der Verbindungsstange,
die über
die Kurbelwelle in das Drehmoment umgewandelt wird, kann zu einer
Kraft in Richtung Kolbenhub und in eine Seitenkraft aufgelöst werden,
die auf die Zylinderwand und daher auf den Motorblock einwirkt.
Diese Kolben- und Seitenkräfte
variieren stark in den aufeinanderfolgenden Zyklusabschnitten, was
zu großen
Schwankungen führt,
die sich selbst entweder als zyklische Änderungen im Kurbelwellendrehmoment
oder als Trägheits-Motorbewegung
vor allem da zeigt, wo das Drehmoment von der Welle abgegriffen
wird. Die Trägheitsbewegung
muss von den Motorhalterungen ausgehalten werden und wird letztlich
auf das Fahrzeug übertragen.
Die Hauptsorge betrifft die Maximum-Minimum-Amplitude der Änderung.
Bis zu einem gewissen Grad kann die Maximum-Minimum-Änderung
im Kurbelwellendrehmoment verringert werden, indem die Leistung
mittels eines Schwungrads übertragen
wird; jedoch stellt die Trägheitsmotorvibration
dennoch ein Problem dar. Wenn mehrere Zylinder vorliegen, können die
Maximum-Minimum-Änderungen
sowohl im Kurbelwellendrehmoment als auch im Trägheitsmotordrehmoment reduziert
werden, indem der Brennzyklus für
jeden Kolben so eingestellt und getaktet wird, dass ihre Relativdrehmomenterzeugung
und Relativbewegungen in ihren jeweiligen Abschnitten des Zyklus
den größten Teil
der Änderung
auslöschen.
Je mehr Kolben involviert sind, desto kleiner ist die Maximum-Minimum-Amplitude
der übrigen Änderung.
Das Problem verschlimmert sich, wenn mit geringen Geschwindigkeiten
gearbeitet wird, da jede Änderung,
die bleibt, eine längere
Periode hat und eher bemerkt werden kann. Aus diesen Gründen haben
die meisten Verbrennungsmotoren, die in Fahrzeugen verwendet werden,
von vier bis zu acht Kolben und arbeiten mit hohen Geschwindigkeiten,
für gewöhnlich 800
bis 4000 Umdrehungen pro Minute.
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Das
Verringern der Anzahl von Kolben in einem Motor und der Betrieb
bei geringer Geschwindigkeit sind vom Standpunkt der Effizienz aus
sehr verlockend. Motoren mit wenigen Zylindern sind im Aufbau einfacher
und daher billiger als Motoren mit vielen Zylindern. Wichtiger sind
sie zudem leichter und kleiner als Motoren mit vielen Zylindern,
was das Motorgewicht und die Größe des Motorabteils
reduziert, was sich wiederum in ein kleineres Eigengewicht und eine
bessere Kraftstoffersparnis überträgt. Viele
hybriden Triebwerkschemata verlangen einen ungewohnt langsamen Motorbetrieb
(vielleicht 500 UpM oder weniger). Jedoch erlaubt der Stand der Technik
diesen Motoren nicht, mit einer niedrigen Geschwindigkeit und einem
hohen Beansprungsfaktor zu arbeiten, ohne die oben erörterten
Probleme aufzurufen.
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Für einige
Zeit gab es Gegenkolben- oder "Boxer"-Motoren. Sie sind
mechanisch ausgeglichen, durch Paare an Gegenkolben gekennzeichnet,
in denen jedes Paar in linearer Gegenstellung mit einer dazwischenliegenden
Kurbelwelle angeordnet wird, aber nicht Drehmoment-ausgeglichen
sind. Da das Paar verbunden wird, kann sich der Kolbenkopf im Expansionshub
befinden, während
sich der Andere in der Kompression befindet; oder beide können sich in
derselben Phase befinden, aber ihre Bewegung ist immer synchronisiert
sein. Solange es eine gerade Anzahl von Kolbenköpfen gibt, löscht die
Gegenstellung eines jeden Paars theoretisch jede Trägheitsschwingung
aus. Da jedoch der herkömmliche "Boxer"-Motor nicht Drehmoment-ausgeglichen
ist, wenn der Antrieb von der Welle abgegriffen wird, liegt immer
noch die Neigung vor, den Motor durchzudrehen, was von den Motorhalterungen
und vom Fahrzeugrahmen ausgehalten werden muss, und jede zyklische
Maximum-Minimum-Drehmomentänderung muss
ebenfalls von den Halterungen ausgehalten werden.
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US-A-5
816 203 offenbart einen Drehventilmotor, der ein Kurbelwellenpaar
einschließt,
das von gezahnten Schwungrädern
synchronisiert wird, und der von Zylinder-Kolben-Aufbauten angetrieben
wird, die nacheinander von einem Drehventil-Aufbau betrieben werden.
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GB-A-2
528 476 offenbart einen Hybridfahrzeugmotor, der wechselseitig ausgerichtete
Kolben einschließt,
die eine einzige Kurbelwelle antreiben, die antreibend mit einer
Welle eines Stromgenerators verbunden ist.
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Entsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motoraufbau
bereitzustellen, der zyklische, vom Motor übertragene Kräfte verhindert,
die Drehmomentänderungen
und Trägheitsänderungen
erzeugen, die von den Motorhalterungen getragen werden und letztlich
auf einen Fahrzeugrahmen übertragen
werden.
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Der
Motor der Erfindung, wie im Anspruch 1 definiert, schließt mindestens
zwei Motor-Baugruppen ein, die wiederum jeweils eine Kolben/Zylinderanordnung,
eine Kurbelwelle und ein Mittel zum mechanischen Verbinden der Kurbelwellen
einschließen.
Die beiden Motor-Baugruppen werden physisch verbunden, entweder
indem sie einfach zusammengeschraubt werden oder indem sie als einzige
Einheit zusammengebaut werden. Jeder Motor-Baugruppe ist mit Ausnahme
einer Verbindung über
ein Synchronisationsmittel, z.B. gezahnte Räder, die mit ihren jeweiligen
Kurbelwellen verbunden sind, unabhängig. Die Zahnräder einer
jeden Baugruppe werden miteinander verzahnt, um die jeweiligen Kurbelwellen
in Gegendrehung und identischer Taktung zu synchronisieren. Auf
diese Weise zünden
Zylinderpaare gleichzeitig.
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Die
beiden gegendrehenden Kurbelwellen empfangen jeweils ein Drehmoment
von ihrem jeweiligen Kolben/Zylinderaufbau. In der dargestellten Ausführungsform
benutzt jede Motor-Baugruppe eine Kolbenanordnung, die so ist, dass
die Trägheitswirkung
irgendeines Kolbens durch die Bewegung eines verbundenen, identisch
getakteten Zwillingskolben, der in die entgegengesetzte Richtung
zu der des ersten Kolbens wandert, eine Gegenwirkung erhält.
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Die
beiden Kurbelwellen können
einen elektrischen Generator, eine Fluidtreibvorrichtung oder eine
andere Vorrichtung antreiben, die vollständig an den Motor selbst geschraubt
oder anders befestigt werden könnte,
solchermaßen
die ungewollte Drehmomentwirkung beseitigend, die sich auf die Motorhalterungen
oder anderen Teile des Fahrzeugs übertragen könnte, wenn die Drehbewegung
einer Welle abgegriffen wird. Durch dieses Mittel kann die nützliche
Arbeit eines Motors mit wenigen Zylindern (2, 4 oder 6 Kolben/Kolbenanordnungen)
auf das Fahrzeug geleitet werden, und das Drehmoment und. die Trägheitsänderung
wird innerhalb des Motoraufbaus selbst verteilt und nicht mittels
der Motorhalterungen übertragen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Endansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Endansicht, im Querschnitt, der bevorzugten Ausführungsform
aus 1; und
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3 ist
eine perspektivische Ansicht des Motors einschließlich einer
Nebenantriebsvorrichtung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nimmt
man auf 1 Bezug, schließt die dargestellte
bevorzugte Ausführungsform
Motor-Baugruppen 5 und 6 ein, die entweder durch
Streben 3 und 4 als Einheit vereinigt oder in
einer einzigen Einheit vereinigt sind. Zahnräder 1 und 2 verbinden
die beiden Motor-Baugruppen 5, 6, um die Motor-Baugruppen
bei einer gemeinsamen Geschwindigkeit und Taktung zu synchronisieren,
veranlassend, dass die Kurbelwellen 7 und 8 synchronisiert sind
und in entgegengesetzten Richtungen rotieren.
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Nimmt
man jetzt auf 2 Bezug, werden in der Darstellung
alle vier Kolben 10, 11, 12 und 13 in den
beiden Motor-Baugruppen 5 und 6 einem
Antriebshub oder Expansionshub des Brennzyklus, wie durch die Pfeile 34–37 angezeigt,
unterworfen. Die Zylinder 38, 40, 42 und 44 nehmen
gleitend jeweils die Kolben 26, 27, 28 und 29 auf,
womit darin die Brennkammern 14, 30, 16 und 32 bestimmt
werden. Verbrennungsprodukte, die sich in den Brennkammern 14 und 16 bilden, üben eine
Kraft auf die Kolben 10 und 13 aus und erzeugen
mittels der Verbindungsstangen 18 und 20 ein Drehmoment,
das die Kurbelwelle 7 im Uhrzeigersinn dreht. Dazwischen üben die
Verbrennungsprodukte in den Brennkammern 30 und 32 eine ähnliche
Kraft auf die Kolben 11 und 12 aus und erzwingen,
dass die Verbindungsstangen 22 und 24 ein ähnliches
Drehmoment für
die Rotation der Kurbelwelle 8 gegen den Uhrzeigersinn erzeugen.
Die Zahnräder 1 und 2 werden
mit ihren jeweiligen Kurbelwellen verbunden und sind miteinander
verzahnt, um die Geschwindigkeit der Kurbelwellen 7 und 8 zu
synchronisieren, während
ihre Gegendrehung verstärkt
wird. In der Darstellung rotiert die Kurbelwelle 7 im Uhrzeigersinn,
während
die Kurbelwelle 8 gegen den Uhrzeigersinn rotiert, aber
diese Wahl erfolgt willkürlich,
und die Rotationen könnten auch
umgekehrt sein.
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Man
beachte jetzt die während
einer willkürlichen
Phase des Brennzyklus auf die Kolben, die Verbindungsstangen und
Zylinderwände
einwirkenden Kräfte.
Infolge der Rotation der Kurbelwellen 7 und 8 existieren
an den Zylinderwänden
Kräfte
wie beispielsweise die von den Pfeilen 26, 27, 28 und 29 dargestellten
in Richtungen und Amplituden, die sich mit Fortschreiten des Brennzyklus ändern. Die
Richtungen und Amplituden des Kräftepaars 27 und 26 und
des Kräftepaars 29 und 28 sind
immer einander entgegengesetzt. Wenn nur eine Motor-Baugruppe, vielleicht
die Baugruppe 6, vorhanden ist, neigen die Seitenkräfte 27 und 28 dazu,
den Motor zu rotieren, wenn das Drehmoment seiner Kurbelwelle abgegriffen
wird, um das Fahrzeug anzutreiben, und gegen diese Drehneigung müssten die
Motorhalterungen einwirken. Infolge des Vorliegens der Motor-Baugruppe 5,
die sich in derselben Taktung in eine entgegengesetzte Richtung
dreht, wird mittels der gleichen und entgegengesetzten Seitenkräfte 26 und 28 gegen
die Seitenkräfte 27 und 29 gewirkt.
Da die Kolben identisch getaktet sind und sich die Kurbelwellenzähler drehen,
sind das Kräftepaar 26 und 27 und das
Paar 28 und 29 in der Amplitude gleich und in Richtung
innerhalb aller Abschnitte des Brennzyklus entgegengesetzt. Da die
beiden Motor-Baugruppen 5, 6, auf die die Kräftepaare
einwirken, mittels Streben 3 und 4 bzw. eines
anderen Verbindungsmittels als eine Einheit verbunden sind, löschen sich
die Kräftepaare
gegenseitig aus und können
nicht zu einer Bewegung des Motors führen, wodurch die Motorhalterungen
dieser Kräfte
entspannt werden.
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Jeder
Zylinder 38, 40, 42 und 44 verfügt über einen
Kopfabschnitt, in dem eine Zündvorrichtung 46,
eine Einlaßventil 48,
eine Kraftstoffeinspritzdüse 46 und
ein Auslaßventil 50 angebracht
sind und ihre normalen Funktionen bereitstellen.
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Infolge
der Natur des Brennzyklus können dennoch
zyklische Änderungen
im Drehmoment an den Kurbelwellen vorliegen. Jedoch kann von den Kurbelwellen
die Arbeit durchgeführt
werden, indem eine Fluidzapfwellenpumpe bzw. ein elektrischer Generator
bzw. eine andere Leistungsabnahmevorrichtung, wie in der perspektivischen
Ansicht der bevorzugten Ausführungsform
in 3 gezeigt, vollständig und direkt am Gehäuse des
Motors befestigt wird. Das Gehäuse 53 einer
Zapfwellenpumpe 51 wird eine Kurbelwelle 7 umfassend
gezeigt und wird mittels Schrauben 61 direkt und vollständig am
Motor angebracht. Jedoch kann eine Leistungsabnahmevorrichtung entweder
eine oder beide Kurbelwellen 7 und 8 verwenden,
da die Kurbelwellen mechanisch verbunden sind. Das von den beiden
Motor-Baugruppen 5 und 6 erzeugte Drehmoment wird
an die Leistungsabnahmevorrichtung 51 ("Leistungsumwandlungsmittel", z.B. elektrischer
Generator) abgegeben, und die vom Drehmoment erzeugten Kräfte (wie
vom Pfeil 52 gezeigt) werden mittels des Gehäuses 53 der Leistungsabnahmevorrichtung 51 und
mittels Schrauben 61 mit dem Motorgehäuse in Reaktion gebracht, wie
von den Pfeilen 65 gezeigt. Energie wird mittels eines
leitenden Kabels 70 von der Leistungsabnahmevorrichtung
abgegeben. Mit einer Fluidzapfwellenpumpe als Leistungsabnahmevorrichtung 51 werden
die Auswirkungen der in der Kurbelwelle vorliegenden zyklischen
Drehmomentänderungen
und die Wirkung zum Einfangen des Kurbelwellendrehmoments nicht
mehr in den Motorhalterungen, sondern innerhalb der Motor/Pumpenmontageschnittstelle
ausgebreitet. Alle Drehmomentänderungen und
-schwingungen werden dadurch innerhalb des Motor/Pumpensystems isoliert
und nicht über
die Motorhalterungen auf das Fahrzeug übertragen.
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Die
einzigartigen Merkmale des Motors der vorliegenden Erfindung stellen
mehrere Vorteile gegenüber
anderen Kleinmotoren bereit, die ihn für die Verwendung in Motorfahrzeugen
praktischer machen. Anstatt sich auf die Motorhalterungen zu verlassen,
um die inhärenten
zyklischen Kurbelwellendrehmoment-Änderungen
zu absorbieren und übertragen,
wenn das Drehmoment abgegriffen wird, um das Fahrzeug anzutreiben,
ist das Problem jetzt auf die Montageschnittstelle zwischen dem
Motor und der befestigten Pumpe bzw. der anderen Vorrichtung beschränkt. In
einer Fahrzeuganwendung haben diese Kräfte keine Chance, auf den Rahmen übertragen zu
werden und zu ungewollten Fahrzeugvibra tionen zu führen. Dieser
Vorteil erlaubt die Erwägung
von ungewöhnlich
langsamen Motordrehzahlen und Kleinmotoren mit hohem Beanspruchungsfaktor, ohne
sich um die Fahrzeugschwingung kümmern
zu müssen.
Viele versprechenden hybriden Triebwerkschemata verlangen in einigen
Betriebsarten einen Kleinmotorbetrieb bei sehr langsamen Geschwindigkeiten.
Da die Wirkung der Maximum-Minimum-Amplitude der Änderung
zunimmt, wenn die Zylinderzahl und die Betriebsgeschwindigkeit abnehmen,
hat die Möglichkeit
der Rahmenvibration den Einsatz diese hybriden Triebwerke entmutigt.
Jedoch macht die vorliegende Erfindung diese Schemata praktischer.
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Obwohl
die Erfindung dargestellt wurde, als verfüge sie über ein Paar an Zwei-Zylinder-Motor-Baugruppen,
könnten
die Motor-Baugruppen ebenfalls Ein-Zylinder- oder Mehr-Zylindermotoren sein,
ohne sich vom Geist der Erfindung zu lösen.
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Obwohl
die dargestellten Motor-Baugruppen mechanisch ausgeglichen sind,
würde die
Erfindung auch mit mechanisch unausgeglichenen Motor-Baugruppen
arbeiten. Natürlich
ist die Erfindung nicht auf ein einziges Paar an Motor-Baugruppen
beschränkt, da
die Erfindung auch an Ausführungsformen
mit mehreren Paaren anlegbar ist.
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Das
Mittel zum Synchronisieren ist gleichermaßen nicht auf die dargestellten
Metallzahnräder beschränkt, da
es auch irgendein anderes entsprechendes Mittel, z.B. ein Ketten-
und Kettenradzahnsystem oder ein Riemen- und Scheibensystem oder irgendein
anderes Mittel, sein könnte.
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Die
Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert sein,
ohne sich vom Geist oder von wesentlichen Merkmalen davon zu lösen. Die vorliegenden
Ausführungsformen
müssen
daher als in jeder Hinsicht darstellend und nicht einschränkend angesehen
werden, wobei auf den Schutzumfang der Erfindung nicht durch die
vorherige Beschreibung, sondern durch die anliegenden Ansprüche angegeben
wird, weshalb vorgesehen ist, alle Änderungen, die innerhalb der
Bedeutung und des Äquivalenzbereichs
der Ansprüche
liegen, darin zu umfassen.