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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Motor mit einer rotierenden Zylinderwand
und einem Hubkolben.
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Bei
den bekannten Motoren mit rotierender Zylinderwand und Hubkolben
wird die lineare Bewegung des Hubkolbens in die Rotationsbewegung
der Zylinderwand umgesetzt und die Rotation der Zylinderwand zum Öffnen und
Schließen
der Ein- und Auslassöffnungen
des Motors verwendet. Ein Beispiel für einen Drehzylinderventil-Motor
ist in der Schrift der PCT-Patentanmeldung PCT/GB97/01934, eingereicht
im Namen von RCV Engines Limited, beschrieben. Die Patentschrift
beschreibt einen Drehzylindermotor für ein Modellflugzeug. Der Fachmann wird
jedoch verstehen, dass der in dieser Schrift beschriebene Motor
auch für
viele andere Anwendungen angepasst werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung sieht einen Drehzylinderventil-Motor vor, der einen
in einem drehbaren Zylinder angeordneten Kolben sowie einen Brennraum
besitzt, welcher durch den Kolben und den Zylinder definiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Zylinder ein rohrförmiges Mittelteil mit
einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende besitzt, sowie dadurch,
dass der Drehzylinderventil-Motor über ein Mittel verfügt, durch
das der Zylinder in axialer Richtung relativ zum Kolben bewegt werden
kann, um das Kompressionsverhältnis
des Motors zu verändern.
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Das
Mittel zur axialen Bewegung des Zylinders besteht vorzugsweise aus
einem Federmittel, das außerhalb
des Zylinders und neben dem geschlossenen Ende des drehbaren Zylinders
angeordnet ist.
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Das
Federmittel ermöglicht
vorzugsweise im Betrieb eine selbstregelnde Druckjustierung.
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Alternativ
kann das Mittel zur axialen Bewegung des Zylinders auch aus einem
Stellglied bestehen, das außerhalb
des Zylinders und neben dem geschlossenen Ende des drehbaren Zylinders
angeordnet ist.
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Der
Drehzylinderventil-Motor besitzt darüber hinaus vorzugsweise ein
Drehzylinderdämpfungsmittel,
das so angeordnet ist, dass das Zylinderdämpfungsmittel im Betrieb die
axiale Schwingung des drehbaren Zylinders einschränkt.
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Das
Dämpfungsmittel
umfasst vorzugsweise ein hydraulisches Dämpfungssystem.
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Einer
der wichtigsten Faktoren für
den Wirkungsgrad eines Drehzylinderventil-Motors ist sein Kompressionsverhältnis. Allgemein
gilt: Je höher
das Kompressionsverhältnis,
umso schneller breitet sich die Flammenfront durch die Zylinderladung
aus, umso effizienter ist die Verbrennungsreaktion und umso höher ist
der mechanische Wirkungsgrad des Motors. Bei einem zu hohen Kompressionsverhältnis steigen
jedoch auch die Spitzendrücke
im Zylinder auf einen sehr hohen Wert an, was zu mechanischer Beanspruchung
und einem unrunden Motorlauf führt. Hohe
Drücke
im Zylinder können
auch dazu führen, dass
die Zylinderladung statt zu verbrennen explodiert; dies wird als
Klopfen bezeichnet. Bei Motoren mit festem Kompressionsverhältnis wird
daher das höchstmögliche Kompressionsverhält nis gewählt, bei dem
bei Vollgas keine mechanische Beschädigung und kein Klopfen entsteht.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Drehzylinderventil(RCV)-Motor
mit variabler Kompression, der dazu beiträgt, die Kraftstoffeffizienz
im Teillastbereich zu verbessern, indem er über den gesamten Lastbereich
hinweg für
das jeweils effektivste Kompressionsverhältnis sorgt. Dies geschieht,
indem der drehbare RCV-Zylinder axial zum Kolben hin- bzw. von ihm
wegbewegt wird.
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Das
RCV-Motordesign ermöglicht
eine variable Kompression, da es sich bei dem drehbaren Zylinder
um eine einfache Anordnung mit einem geschlossenen Ende handelt,
die bewegt werden kann, ohne dass die restlichen Motorteile davon
beeinflusst werden. Bei herkömmlichen
Motoren lässt
sich eine variable Kompression aufgrund der komplexen zusammenhängenden
Konstruktion von Zylinderblock, Zylinderkopf und Ventilmechanismus
nur sehr schwer erzielen.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf unterschiedliche Weise in die Praxis
umgesetzt werden; nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele
beschrieben, wobei auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen
wird:
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1 zeigt
einen seitlichen Schnitt durch einen Drehzylinderventil-Motor
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2 zeigt
einen seitlichen Schnitt durch den Motor aus 1 entlang
der Linie AA;
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3 zeigt
einen Schnitt durch den oberen Teil des Drehzylinderventil-Motors
aus 1 und 2 in der Draufsicht;
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4a zeigt
einen Schnitt durch einen Teil des Drehzylinderventil-Motors mit
einer selbstregelnden Feder, die den Zylinder relativ zum Kolben
axial bewegt; der Motor ist in Vollgaskonfiguration dargestellt;
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4b zeigt
einen Schnitt durch den Motor aus 4a; der
Motor ist in Teillastkonfiguration dargestellt;
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5a ist
eine Skizze, die einen seitlichen Schnitt durch eine Kolben- und
Drehzylinderanordnung eines Drehzylinderventil-Motors darstellt,
wobei das Dichtungsmittel am oberen Ende des Kolbens angeordnet
ist;
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5b ist
eine Skizze, die einen seitlichen Schnitt durch eine Kolben- und
Drehzylinderanordnung eines Drehzylinderventil-Motors darstellt,
wobei das Dichtungsmittel am unteren Ende des Kolbens aus 5a angeordnet
ist; und
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6 zeigt
einen seitlichen Teilschnitt durch den Drehzylinderventil-Motor
aus 1 und 2.
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Die
wichtigsten Funktionsprinzipien eines Drehzylinderventil-Motors sind im Wesentlichen
in der Beschreibung der internationalen Patentanmeldung PCT/GB97/01934,
eingereicht im Namen von RCV Engines Limited, beschrieben. Diese
Beschreibung beschreibt einen Drehzylinderventil-Motor für ein Modellflugzeug.
Durch das Zusammenspiel von Drehzylinder und Motorgehäuse entstehen
ein Einlassventil für
die Zufuhr des Kraftstoffs und ein Auslassventil für die Ableitung
der Abgase. Der Drehzylinder bewirkt zudem die Weiterleitung der
Motorleistung an den Propeller. Der Fachmann wird dabei verstehen,
dass auch der Kurbeltrieb, anstelle des Drehzylinders oder zusätzlich zu
diesem, zur Weiterleitung der Motorleistung dienen kann.
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Die
folgende Beschreibung nimmt auf die 1, 2 und 3 Bezug.
Der Drehzylinderventil-Motor 1 besitzt ein Motorgehäuse 2 mit
einem Steuerring 3, einem drehbaren Zylinder 4 mit
einem geschlossenen Ende 6 und einem offenen Ende 8 und
einem in Zylinder 4 angeordneten Kolben 10. Der Zylinder 4 wird
vom Kolben 10 mechanisch über ein Getriebe angetrieben;
das Getriebe umfasst ein Pleuel 12, das ein Zahnrad 14 antreibt,
das wiederum in ein Kegelzahnrad 16 am offenen Ende 8 von
Zylinder 4 eingreift. Am geschlossenen Ende 6 des
Zylinders 4 befindet sich eine integrale zentrale Stange 7, die
axial vom Zylinder 4 weg verläuft. An einem Ende der Stange 7 befindet
sich ein Ringkugellager 9.
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An
der Stange 7 im Gehäuse 2 ist
ein Ölpumpmittel
vorgesehen. Das Ölpumpmittel
besteht aus einem Ring 5 mit einem mittigen runden Loch und
einem Netz aus Ölleitungen 5a.
Im Betrieb wird durch die Drehbewegung von Stange 7 Öl durch
das Ölleitungsnetz 5a und
in das mittige Loch gezogen. Danach fließt es durch Kanäle im Steuerring 3 und wird
dann zwischen die zylindrische Büchse 28 und den
drehbaren Zylinder 4 gedrückt; dieses Öl bildet das
Kühlmittel
sowohl für
den Steuerring 3 als auch den drehbaren Zylinder 4.
Nach dem Eintritt ins Kurbelgehäuse
sorgt das Öl
für die
Schmierung der anderen beweglichen Teile von Motor 1.
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Der
Drehzylinderventil-Motor 1 umfasst auch einen Brennraum 20,
der durch einen Teil der Oberseite von Kolben 10 und die
radiale innere Oberfläche
von Zylinder 4 definiert wird. Der Zylinder 4 umfasst
ein rohrförmiges
Mittelteil 22 mit einem im Wesentlichen kreisförmigen horizontalen
Querschnitt, einen kegelstumpfförmigen
unteren Teil 24 und einen oberen Teil 26 mit einer
gekrümmten
Innenfläche 27, die
von einer Zugangsöffnung 29 nach
innen verläuft. Die
Zugangsöffnung 29 verläuft durch
die Wand von Zylinder 4 und bildet einen Einlass für den Kraftstoff, wenn
sie mit einer Kraftstofföffnung
indiziert ist, und einen Auslass für das Abgas, wenn sie mit einer
Auslassöffnung
indiziert ist. Der Zylinder 4 liegt innerhalb des Steuerrings 3 und
einer im Wesentlichen zylindrischen Büchse 28, die Teil
des Motorgehäuses 2 bildet.
In den Steuerring 3 ist eine Einlassöffnung 38 eingeformt
und in die Ansatzfläche
des Steuerrings 3 ist eine ringförmige Dichtung 31 eingesetzt.
Die Dichtung 31 wird in einer ringförmigen Vertiefung gehalten,
der in die radial innerste Oberfläche des Steuerrings 3 eingeformt
ist.
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Das
Volumenzentrum des Brennraums 20 liegt versetzt zur Mittelachse 30 des
Zylinders 4. Der Großteil
der Zylinderladung, d.h. des Kraftstoff-Luft-Gemischs, im Brennraum 20 befindet
sich näher
an der Zugangsöffnung 29.
Das Kraftstoff-Luft-Gemisch
liegt daher näher
am Zündpunkt der
Zündquelle 34 (einer
Glüh- oder
Zündkerze), wenn
sich der Zylinder in Richtung 36 auf diesen Punkt zu bewegt
und mit der Zündquelle 34 indiziert ist.
Hierdurch wird die Verzögerung
der Flammenfront-Ausbreitung
bei der Zündung
verringert und zudem das Volumen statischer Gaseinschlüsse reduziert,
die zu einer Explosion des Kraftstoffs (Klopfen) führen könnten.
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Bei
manchen Motoren kann obere Teil 26 des Zylinders auch einen
zweiten gekrümmten
Teil 32, eine „Brennraumquetschfläche" („squish
band"), umfassen.
Der zweite gekrümmte
Teil 32 erstreckt sich von der radial innersten Oberfläche des
Mittelteils 22 radial nach innen und stößt auf die gekrümmte Oberfläche 27.
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Bei
einem gut ausgelegten Brennraum 20 verbrennt die darin
enthaltene verdichtete Ladung auf kontrollierte und effiziente Weise;
die Verbrennung erfolgt in Form einer Flammenfront, die sich schnell
durch die Ladung ausbreitet. Ein mangelndes Brennraumdesign kann
zu zwei verschiedenen schwer wiegenden Problemen führen: Erstens
kann es zum Klopfen kommen, wenn die Verbrennung in Form einer heftigen
plötzlichen
Explosion anstelle eines kontrollierten Brennvorgangs erfolgt. Das
zweite Problem ist eine unvollständige
Verbrennung; die Flammenfront erlischt, bevor der gesamte Kraftstoff in
der Ladung verbrannt ist.
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Zum
Klopfen kommt es, wenn die Temperatur und der Druck in der gesamten
Ladung oder in einem Teil davon so weit ansteigt, dass es zu einer spontanen
Explosion der Ladung kommt. Die Folge ist eine sehr schnelle, destruktive
Erhöhung
des Drucks im Zylinder, die zur Beschädigung des Motors führen kann.
Solche Detonationen (Klopfen) nehmen tendenziell mit steigendem
Kompressionsverhältnis des
Motors zu. Je besser das Design des Brennraums ausgelegt ist, umso
höher ist
das Kompressionsverhältnis,
das verwendet werden kann, ohne dass ein Klopfen auftritt. Die Gesamtform
des Brennraums 20 und das Vorliegen von Heißstellen
(„Hotspots") sind die wichtigsten
Faktoren für
diesen Aspekt des Brennraumdesigns.
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Eine
unvollständige
Verbrennung, oder Fehlzündung,
tritt auf, wenn die Flammenfront erlischt, bevor sie das gesamte
Gemisch durchlaufen hat. Eine solche unvollständige Verbrennung nimmt tendenziell
zu, je weiter die Kraftstoff-Luft-Zusammensetzung vom stöchiometrischen
Gemisch abweicht, insbesondere wenn das Gemisch magerer wird. Je besser
das Design des Brennraums ausgelegt ist, umso magerer ist das Gemisch,
das verwendet werden kann, ohne dass eine unvollständige Verbrennung,
oder Fehlzündung,
auftritt. Die Position der Zündquelle
und die Bewegung des Ladungsgases sind die wichtigsten Faktoren
für diesen
Aspekt des Brennraumdesigns.
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Im
Folgenden wird insbesondere auf 3 Bezug
genommen. Das Motorgehäuse 2 hat
eine Kraftstoff-Einlassöffnung 38,
die durch die Wand des Gehäuses 2 verläuft, und
eine Auslassöffnung 40. Die
zentrale Längsachse 41 der
Einlassöffnung 38 schneidet
die zentrale Längsachse 30 des
Zylinders 4 nicht. Die zentrale Längsachse 41 der Einlassöffnung 38 verläuft in einem
stumpfen Winkel „α" zu den von der Achse 30 ausgehenden
Radien „β". Aufgrund dieses
Winkels „α" versetzt die Einlassöffnung den zugeführten Kraftstoff
in eine kreisförmige
Bewegung, die als Verwirbelung („Swirl") bezeichnet wird.
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Der
Brennraum 20 sollte in erster Linie so ausgelegt sein,
dass er mit einem möglichst
hohen Kompressionsverhältnis
und einem möglichst
mageren Gemisch betrieben werden kann, ohne dass ein Klopfen oder
eine unvollständige
Verbrennung des Kraftstoffs auftritt. Ein hohes Kompressionsverhältnis und
ein mageres Gemisch maximieren sowohl die Leistungsabgabe als auch
die Kraftstoffeffizienz des Design. Die wichtigsten Anforderungen
an das Brennraumdesign sind daher wie folgt:
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(i) Kompakte Form
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Eine
kompakte Form des Brennraums verringert die Klopfneigung. Besonders
unerwünscht
sind bei Brennräumen
aller Art größere unbewegliche Gasvolumina
in Form von Gaseinschlüssen,
die sich in größerer Entfernung
von der Zündquelle
befinden. Durch diese Endgaseinschlüsse entsteht häufig ein Klopfen,
da während
der Ausbreitung der Flammenfront vom Zündpunkt in Richtung des Endgaseinschlusses
das sich ausdehnende verbrennende Gas eine Kolbenwirkung auf den
Gaseinschluss ausübt. Hierdurch
kommt es zu Stoßwellen
und zu einem raschen Anstieg des Drucks im Endgaseinschluss, der dann
häufig
spontan explodiert. Besonders ausgeprägt ist dieses Problem bei traditionellen
Seitenventilmotoren. Die großen
Endgaseinschlüsse über den Ventilen
führen
dazu, dass Seitenventilmotoren nur mit extrem niedrigem Kompressionsverhältnis betrieben
werden können,
da es sonst zu Klopfen kommt. Sie haben daher sowohl eine niedrige
Leistungsabgabe als auch eine mangelnde Kraftstoffeffizienz.
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Ein
zweiter Vorteil eines kompakten Brennraums besteht in seiner geringeren
Innenfläche, durch
die der thermodynamische Wirkungsgrad des Brennraums verbessert
wird. Bei Brennräumen
mit großer
Innenfläche
geht mehr Wärmeenergie
durch Wärmeleitung
verloren. Hierdurch verringert sich die Temperatur und der Druck
der verbrennenden Ladung, so dass weniger mechanische Kraft und
Leistung zur Verfügung
stehen.
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(ii) Gleichmäßige Innenform
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Die
Innenform des Brennraums sollte möglichst gleichmäßig sein.
An scharfen Kanten entstehen häufig
Heißstellen,
die zu einer Vorentflammung führen
können,
die wiederum Detonationen (Klopfen) nach sich ziehen. Bei Vorliegen
einer Heißstelle
neigt das Gemisch dazu, sich an dieser Stelle zu entzünden, häufig bei
weit fortgeschrittenem Kurbelwinkel. Die Flammenfront der Heißstelle
breitet sich dann in Richtung der Flammenfront der eigentlichen
Zündquelle
aus. Dies führt
häufig
zu Detonationen des zwischen den beiden Flammenfronten eingeschlossenen
Gases. Um Heißstellen
zu vermeiden, sollten alle Oberflächen im Brennraum einen Radius
von mehr als 3 mm haben.
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(iii) Verwirbelung („Swirl")
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Unter
Verwirbelung versteht man die kontrollierte Rotationsbewegung der
zugeführten
Ladung über
die Innenseite des Brennraums. In Verbindung mit einer korrekten
Zündpunktposition
verringert die Verwirbelung die Gefahr einer unvollständigen Verbrennung.
Eine Verwirbelung der Ladung wird erzeugt, indem der Eintritt des
Ansaugluftverteilers in den Brennraum unter einem entsprechenden
Winkel erfolgt, so dass die zugeführte Ladung von der Zylinderwand
in eine kreisförmige
Bahn gezwungen wird. Die Verwirbelung ist definiert als die kreisförmige Bewegung
des Gases entlang des Umfangs des Zylinders. Wenn ein kreisförmiger Fluss
um eine Achse im Winkel von 90 Grad zur Zylinderachse erzeugt wird, spricht
man „Tumble". Eine Tumble-Verwirbelung kann
die gleichen Verbesserungen erzielen wie die Swirl-Verwirbelung,
ist aufgrund der Zündposition und
der allgemeinen Form des Brennraums jedoch möglicherweise nicht für das RCV-Design
geeignet.
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(iv) Position der Zündquelle
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In
jedem Brennraum, bei dem eine Verwirbelung der zugeführten Ladung
stattfindet, sollte die Zündquelle
nahe des Randes des Brennraums liegen. Hierdurch wird gewährleistet,
dass sich die Zündquelle
im am schnellsten beweglichen Teil der verwirbelten Ladung befindet.
Bei der Zündung
bewegt sich die Flamme dann von der Glüh- oder Zündkerze weg. Hierdurch wird
die Ausbreitung der Flammenfront verbessert und die Gefahr einer
unvollständigen
Verbrennung verringert.
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Ein
zweiter Vorteil besteht darin, dass durch die Drehbewegung der Ladung
die schwereren Kraftstofftröpfchen
in den äußeren Bereich
der Ladung zentrifugiert werden, so dass am Rand der Verwirbelung
ein fetteres Gemisch entsteht. Der fettere Teil dieser „schichtförmigen Ladung" wird von der Zündquelle
entzündet,
die Flammenquelle breitet sich zuverlässig durch diesen fetteren
Gemischteil aus und ist danach ausreichend stabil, um sich durch
den verbleibenden, weniger fetten Teil der Ladung auszubreiten.
Auf diese Weise kann der Motor mit einem magereren Gemisch betrieben
werden.
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Zusammenfassend
gilt also, dass das Brennraum-/Öffnungsdesign
kompakt und ohne scharfe Kanten sein sollte, dass es über einen
Mechanismus zur Erzeugung von Verwirbelung verfügen sollte und dass der Zündpunkt
möglichst
nahe am Rand der verwirbelten Ladung liegen sollte. Das Ausgangsdesign
für den
Brennraum ist eine Art „Quetsch"-Design, bei dem
der Brennraum einen bedeutend geringeren Durchmesser hat als die
Hauptzylinderbohrung und der Kolben bis ganz an die Unterseite der
Quetschzone heranreicht, um sicherzustellen, dass das gesamte Gemisch
in den Brennraum selbst hineingedrückt wird. Hierdurch entsteht eine
kompakte Form ohne wesentliche Endgaseinschlüsse, deren Längenverhältnis ähnlich wie
bei vielen herkömmlichen
Tellerventil-Designs ist.
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Die
Einlassöffnung 38 verläuft winkelig,
um eine Verwirbelung des Gemischs im Brennraum 20 ermöglichen.
Der Brennraum 20 liegt versetzt im Drehzylinder, so dass
die Zylinderöffnung
selbst möglichst
kurz gehalten werden kann. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Zündquelle
möglichst
nah an der äußeren Kante
des Wirbels liegt. Diese versetzte Auslegung des Brennraums beeinflusst
das Dichtungsdesign des Drehschieberventils.
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Eine
konventionellere Lösung
bestünde
darin, externe, in die Außenseite
des Drehzylinders eingelassene Dichtungsringe zu verwenden. Aufgrund des
versetzten Brennraums ist am Drehzylinder im Bereich unterhalb der
Zylinderöffnung
jedoch nicht genügend
Material für
die Aufnahme herkömmlicher externer
Dichtungsringe vorhanden; daher werden interne, in die Innenfläche des
Drehschieberventils eingelassene Dichtungsringe verwendet.
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Im
Folgenden wird auf die 4a und 4b Bezug
genommen. Ein Ausführungsbeispiel des
Drehzylinderventil-Motors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst ein Federmittel 50, durch das der Zylinder 55 in
axialer Richtung relativ zum Kolben 10 bewegt werden kann,
um das Kompressionsverhältnis
des Motors zu verändern.
Das Federmittel 50 übt
eine axiale Kraft auf den Zylinder 10 in Richtung 52 zum
Kolben 10 hin aus. Das Federmittel 50 ist in einer
zylindrischen Kammer 54 angeordnet, die durch ein Ende
des rohrförmigen
Teils im Motorgehäuse 53 und
den Endteil des Zylinders 55 definiert wird. Das Federmittel 50 ist
um die Stange 7 gewickelt, die axial vom Zylinder 55 weg
verläuft.
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Der
Drehzylinder 55 ist so angeordnet, dass er auf den Kolben 10 zu-
und von ihm wegbewegt werden kann, um das Kompressionsverhältnis des Motors 10 zu
verändern.
Der Drehzylinder 55 kann entweder durch ein außerhalb
gelegenes Stellglied (nicht dargestellt) bewegt werden oder auf
einem Federmittel 50 angebracht sein, das eine Selbstregelung
bewirkt.
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Damit
sich bei kurbelgetriebenen RCV-Motoren der Zylinder 55 relativ
zum Kolben 10 bewegen kann, ohne den Zahnradeingriff zu
stören,
ist der Zylinder 55 auf Keilen im Zylinder- Kegelrad 16 angebracht.
Der Zylinder 55 kann dann axial nach oben und unten bewegt
werden, während
das Kegelrad 16 in seiner korrekten Eingriffsposition bleibt.
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Der
in den 4a und 4b dargestellte Motor 1 umfasst
ein selbstregelndes Federmittel 50. Der Motor 1 ist
in 4b in Teillastkonfiguration dargestellt. Der Drehzylinder 55 wurde
vom Federmittel 50 näher
an den Kolben 10 heranbewegt, um das Volumen des Brennraums 20 zu
verringern. Hierdurch erhöht
sich das effektive Kompressionsverhältnis und die betriebliche
Effizienz des Motors 1 bei Teillast.
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Der
Mechanismus zur Steuerung der Kompression von Motor 1 umfasst
ein starkes Federmittel 50 sowie einen Endanschlag und
einen Dämpfungmechanismus 60.
Das Federmittel 50 drückt
den Zylinder 55 halb nach unten in Richtung auf die höchste Kompressionsposition
von Zylinder 55, d.h. zum Kolben 10 hin. Die Druckkraft
des Federmittels 50 ist so gewählt, dass der korrekte gewünschte maximale Druck
im Zylinder auf ähnliche
Weise aufrechterhalten wird wie bei einem federgesteuerten Druckregler, d.h.
die Druckkraft der Feder entspräche
der Bohrungsfläche
mal dem gewünschten
Zylinderdruck. Beim Anlassen würde
der Zylinder 55 in der höchsten Kompressionsposition
auf dem Endanschlag ruhen, d.h. möglichst nahe am Kolben 10.
Wenn sich der Kolben 10 dem oberen Totpunkt (OT) nähert, beginnt der
Druck im Zylinder über
das gewünschte
Maximum hinaus anzusteigen. Das Federmittel ermöglicht es dann dem Zylinder 55,
sich von seinem Endanschlag und vom Kolben 10 wegzubewegen,
wobei ein etwa konstanter Druck im Zylinder aufrechterhalten wird.
Je weiter offen die Drosselklappe 59 ist, umso weiter bewegt
sich der Zylinder 55 vom Kolben 10 weg, um den
korrekten Druck im Zylinder aufrechtzuerhalten.
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Der
Dämpfungsmechanismus 60 umfasst
einen tellerförmigen
Kolben 58 an einem Teil der Stange 7. Im Betrieb
bewegt sich der Kolben 58 in einer zylindrischen Kammer 61 im
Motorgehäuse 53 auf und
ab.
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In
seiner einfachsten Form, ohne Dämpfung, bewegt
sich der Zylinder 55 zusammen mit dem Kolben 10 über das
obere Ende des Hubs. Der Zylinder 55 bewegt sich nur ein
kurzes Stück
und zudem relativ langsam, eine solche Bewegung kann jedoch unerwünscht sein.
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Um
eine solche Schwingung zu vermeiden, kann der Dämpfungsmechanismus 60 verwendet werden.
Der Mechanismus 60 umfasst einen Dämpfungsölkanal 62, der von
der Kammer 61 im Motorgehäuse 53 ausgeht, und
ein Rückschlagventil 64 im Kanal 62.
Das Rückschlagventil 64 lässt das Öl ungehindert
vom Kanal 62 in die Kammer 61 fließen, wenn sich
der Zylinder vom Kolben weg bewegt, schließt sich jedoch, wenn sich der
Zylinder zurück
in Richtung auf den Kolben bewegt. Ein bedeutend engerer Leckpfad 66 ermöglicht es
dem Zylinder dann, sich langsam zurück in Richtung auf die Teillastposition, d.h.
einen höheren
Kompressionswert, zu bewegen. Dies bedeutet, dass sich bei Geben
von Vollgas am Motor 1 der Zylinder 55 sofort
weg vom Kolben 10 in die Vollgasstellung bewegt, wobei Öl durch
das Rückschlagventil 64 gezogen
wird; bei Teillast kehrt der Zylinder 55 jedoch nur allmählich in
die näher
gelegene Teillaststellung zurück
und drückt
dabei Öl durch
den engen Leckpfad 66.
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Bei
einer stellgliedgesteuerten Ausführung von
Motor 1 könnte
jede herkömmliche
Stellgliedmethode verwendet werden, um den Zylinder 55 relativ zum
Kolben 10 zu bewegen, z.B. Schrittmotor und Leitspindel,
Hydraulikantrieb und Nocke usw.
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Einer
der wichtigsten Faktoren für
den Wirkungsgrad eines Drehzylinderventil-Motors ist sein Kompressionsverhältnis. Allgemein
gilt: Je höher
das Kompressionsverhältnis,
umso schneller breitet sich die Flammenfront durch die Zylinderladung
aus, umso effizienter ist die Verbrennungsreaktion und umso höher ist
der mechanische Wirkungsgrad des Motors. Bei einem zu hohen Kompressionsverhältnis steigen
jedoch auch die Spitzendrücke
im Zylinder auf einen sehr hohen Wert an, was zu mechanischer Beanspruchung
und einem unrunden Motorlauf führt. Hohe
Drücke
im Zylinder können
auch dazu führen, dass
die Zylinderladung statt zu verbrennen explodiert; dies wird als
Klopfen bezeichnet. Bei Motoren mit festem Kompressionsverhältnis wird
daher das höchstmögliche Kompressionsverhältnis gewählt, bei dem
bei Vollgas keine mechanische Beschädigung und kein Klopfen entsteht.
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Bei
Teillastbetrieb liegt der anfängliche
Druck der in den Zylinder angesaugten Ladung weit unter 1 Bar, normalerweise
zwischen 0,3 und 0,6 Bar. Entsprechend niedriger sind die Spitzendrücke im Zylinder,
und das effektive Kompressionsverhältnis liegt weit unter dem
optimalen Wert. Der Motor läuft
daher bei Teillastbetrieb mit erheblich reduzierter Effizienz.
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Ein
Drehzylinderventil(RCV)-Motor mit variabler Kompression erhöht die Kraftstoffeffizienz
im Teillastbereich, indem er über
den gesamten Lastbereich hinweg für das jeweils effektivste Kompressionsverhältnis sorgt.
Dies geschieht, indem der RCV-Zylinder wie oben beschrieben zum
Kolben hin- bzw. von ihm wegbewegt wird. Durch dieses Verfahren
wird der Kraftstoffverbrauch bei Teillast um schätzungsweise 10 % bis 30 % verbessert.
Bei vielen Anwendungen arbeiten Motoren ei nen Großteil ihrer Betriebszeit
mit Teillast; dies könnte
also signifikante Auswirkungen auf die allgemeine Kraftstoffeffizienz haben.
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Eine
variable Kompression lässt
sich beim RCV-Design relativ einfach erzielen, da es sich bei dem
Zylinder um eine einfache Anordnung mit einem geschlossenen Ende
handelt, die bewegt werden kann, ohne dass die restlichen Motorteile
davon beeinflusst werden. Bei herkömmlichen Motoren lässt sich
eine variable Kompression aufgrund der komplexen zusammenhängenden
Konstruktion von Zylinderblock, Zylinderkopf und Ventilmechanismus
nur sehr schwer erzielen.
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Im
Folgenden wird auf 1 Bezug genommen. Motor 1 umfasst
einen Kurbeltrieb 70 mit einer Kurbelwelle 72,
einem ersten Antriebszahnrad 74, einer L-förmigen Ausgleichswelle 76 und
einem zweiten Antriebszahnrad 78 gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden
Erfindung. Die Ausgleichswelle 76 wird über das zweite Antriebszahnrad 78 von
dem Kegelzahnrad 16 angetrieben. Die Ausgleichswelle 76 und
das zweite Antriebszahnrad 78 sind an dem der Kurbelwelle 72 gegenüber liegenden
Ende des Kegelzahnrads 16 angeordnet. Im Betrieb drehen sich
die Kurbelwelle 72, das erste Antriebszahnrad 74,
die L-förmige
Ausgleichswelle 76 und das zweite Antriebszahnrad 78 um
die gemeinsame horizontale Achse 80. Die Ausgleichswelle 76 dreht
sich in entgegengesetzter Richtung zur Kurbelwelle 72 um
die Achse 80.
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Ein
Teil 82 der L-förmigen
Ausgleichswelle 76, der sich entlang der horizontalen Achse 80 erstreckt,
ist in einem Rundlager 84 gelagert. Entlang des Teils 82 befindet
sich das zweite Antriebszahnrad 78. Am distalen Ende von
Teil 82 be findet sich ein Gewindeteil 86, auf
den eine Haltemutter 88 aufgeschraubt ist.
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Im
Folgenden wird auf 5a Bezug genommen. Die Skizze
zeigt einen Schnitt durch eine Kolben- und Drehzylinderanordnung.
Die Anordnung illustriert einen herkömmlichen Drehzylinderventil-Motor
mit einem Kolbenring 90 am oberen Ende des Kolbens 10. 5b zeigt
eine Skizze einer Kolben- und Drehzylinderanordnung; sie illustriert
einen Drehzylinderventil-Motor, bei dem sich der Kolbenring 92 am
unteren Ende des Kolbens 10 befindet. Wenn der Kolben 10 seinen
oberen Totpunkt erreicht, befindet sich der Kolbenring an der untersten
Kante 94 der Zylindereinlassöffnung 95. Die Einlassöffnung 95 hat
eine größere vertikale
Querschnittsfläche
als die Einlassöffnung 29.
Durch diese größere Querschnittsfläche wird
die Entlüftung
des Motors verbessert und damit seine maximale Leistungsabgabe erhöht. Die
Breite der Zylinderöffnung
(d.h. das Maß entlang
des Umfangs) wird durch den Außendurchmesser
des Zylinders und den Zündzeitpunkt
des Motors begrenzt; die Öffnungsfläche kann
daher nur durch Verlängerung
in der Höhe
(d.h. des Maßes
parallel zum Kolbenhub) vergrößert werden.
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Im
Folgenden wird auf 6 Bezug genommen. Hierin ist
der Drehzylinderventil-Motor mit einem Kolben 10 dargestellt;
der Kolben ist in einem drehbaren Zylinder angeordnet, an dessen
einem Ende sich ein Kegelzahnrad 16 befindet. Das Kegelzahnrad 16 steht
im Eingriff mit einem Antriebszahnrad (nicht dargestellt) und einem
Kurbeltrieb 70 mit einer Kurbelwelle 72, die um
eine erste Achse 100 drehbar ist und von einer zylindrischen
Büchse 102 gehalten
wird, deren Mittelachse 104 gegenüber der ersten Achse 100 um
die Entfernung 106 versetzt ist. Durch diese Anordnung
kann der Abstand zwischen dem Kegelzahnrad 16 und dem Antriebszahnrad
im Betrieb eingestellt werden, indem die zylindrische Büchse 102 um
die Mittelachse 104 gedreht wird. Die Entfernung 106 beträgt typischerweise
ca. 1 mm.