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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Viertaktzyklus-Verbrennungsmotor,
der ein Paar versetzte Kolben aufweist, wobei ein Kolben des Paars
für den
Ansaughub und den Kompressionshub und ein anderer Kolben des Paars
für den
Arbeitshub und den Auspuffhub verwendet wird und wobei jeder Viertaktzyklus
in einer Umdrehung der Kurbelwelle abgeschlossen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Verbrennungsmotoren
sind alle Vorrichtungen, die zu der Gruppe zählen, bei der die Reaktionspartner
der Verbrennung, z. B. das Oxidationsmittel und der Kraftstoff,
und die Produkte der Verbrennung als die Arbeitsmedien des Motors
dienen. Die grundlegenden Komponenten eines Verbrennungsmotors sind
beim Stand der Technik gut bekannt und umfassen den Motorblock,
den Zylinderkopf, Zylinder, Kolben, Ventile, Kurbelwelle und Nockenwelle.
Die Zylinderköpfe,
Zylinder und Kolbenböden
bilden typischerweise Verbrennungskammern, in die Kraftstoff und
ein Oxidationsmittel (z. B. Luft) eingeführt wird und wo die Verbrennung
stattfindet. Ein derartiger Motor gewinnt seine Energie aus der
Hitze, die bei der Verbrennung der nicht-reagierten Arbeitsmedien, z.
B. der Mischung aus Oxidationsmittel und Kraftstoff, freigesetzt
wird. Dieser Prozess tritt im Inneren des Motors auf und ist Bestandteil
des thermodynamischen Zyklusprozesses der Vorrichtung. In allen Verbrennungsmotoren
wird die Nutzarbeit aus den heißen,
gasförmigen
Produkten der Verbrennung gewonnen, die direkt auf sich bewegende
Oberflächen des
Motors einwirken, beispielsweise auf den Boden oder den Kopf des
Kolbens. Im Allgemeinen wird die hin- und hergehende Bewegung der
Kolben über
Verbindungsstangen in die Rotationsbewegung einer Kurbelwelle umgewandelt.
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Verbrennungsmotoren
(IC-Motoren – Internal
Combustion) können
in die Kategorien Funkenzündung
(Spark Ignition – SI)
und Kompressionszündung
(Compression Ignition – CI)
eingeteilt werden. Bei SI-Motoren, d. h. typischen Benzinmotoren,
wird ein Funke verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden, während bei
CI- Motoren, d. h.
bei typischen Dieselmotoren, die Kompressionshitze das Luft-Kraftstoff-Gemisch
zündet.
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Der
am meisten verbreitete Verbrennungsmotor ist der Viertaktmotor,
ein Konzept, dessen grundlegende Konstruktion sich seit mehr als
100 Jahren nicht geändert
hat. Dies liegt an seiner herausragenden Leistungsfähigkeit
als Antriebsmaschine auf dem Gebiet des Bodentransports. Bei einem Viertaktmotor
wird die Leistung aus dem Verbrennungsprozess in vier getrennten
Kolbenbewegungen (Takten bzw. Hüben)
eines einzelnen Kolbens gewonnen. Für die hier vorgesehenen Zwecke
wird ein Takt bzw. Hub als eine vollständige Bewegung eines Kolbens
von einer oberen Totpunktposition in eine untere Totpunktposition
oder umgekehrt definiert. Demgemäß ist ein
Viertaktmotor hier als ein Motor definiert, der vier vollständige Takte
bzw. Hübe
von einem oder mehreren Kolben für
jeden Arbeitshub benötigt,
d. h. für
jeden Hub, der Leistung an eine Kurbelwelle liefert.
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Unter
Bezug auf 1–4 ist eine
exemplarische Ausführungsform
eines Viertaktmotors nach dem Stand der Technik mit 10 dargestellt.
Zu Vergleichszwecken beschreiben die folgenden vier Abbildungen 1–4 das,
was als "Standardmotor" 10 nach
dem Stand der Technik bezeichnet wird. Wie im Anschluss detailliert
erklärt
wird, ist dieser Standardmotor 10 ein SI-Motor mit einem
Kolben mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm) einem Hub von
4 Zoll (101,6 mm) und einem Kompressionsverhältnis von 8 zu 1. Das Kompressionsverhältnis ist hier
als das Maximalvolumen einer vorgegebenen Masse eines Luft-Kraftstoff-Gemischs
vor einem Kompressionshub, dividiert durch das Volumen dieser Masse
des Luft-Kraftstoff-Gemischs
am Zündpunkt,
definiert. Für
den Standardmotor entspricht das Kompressionsverhältnis im
Wesentlichen dem Verhältnis
des Volumens im Zylinder 14, wenn sich der Kolben 16 am
unteren Totpunkt befindet, zum Volumen im Zylinder 14,
wenn sich der Kolben 16 am oberen Totpunkt befindet.
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Der
Motor 10 umfasst einen Motorblock 12, durch den
der Zylinder 14 verläuft.
Der Zylinder 14 hat eine solche Größe, dass darin der hin- und
hergehende Kolben 16 aufgenommen wird. An der Oberseite
des Zylinders 14 ist der Zylinderkopf 18 befestigt,
der ein Einlassventil 20 und ein Auslassventil 22 enthält. Der
Zylinderkopf 18, der Zylinder 14 und der Boden
(oder Kopf 24) des Kolbens 16 bilden eine Verbrennungskammer 26.
Beim Ansaughub (1) wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch durch
einen Ansaugdurchgang 28 und das Einlassventil 20 in
die Verbrennungskammer 26 eingeführt, wobei die Mischung durch
die Zündkerze 30 gezündet wird.
Die Produkte der Verbrennung werden später durch das Auslassventil 22 und
den Auslassdurchgang 32 beim Auspuffhub (4)
ausgestoßen.
Eine Verbindungsstange 34 ist an ihrem oberen distalen
Ende 36 schwenkbar an dem Kolben 16 befestigt.
Eine Kurbelwelle 38 enthält einen mechanischen Versatzabschnitt,
der als die Kurbelwellenkröpfung 40 bezeichnet
wird, der schwenkbar am unteren distalen Ende 42 der Verbindungsstange 34 befestigt
ist. Die mechanische Verbindung der Verbindungsstange 34 mit dem
Kolben 16 und der Kurbelwellenkröpfung 40 dient dazu,
die hin- und hergehende Bewegung (angezeigt durch den Pfeil 44)
des Kolbens 16 in die Rotationsbewegung (angezeigt durch
den Pfeil 46) der Kurbelwelle 38 umzuwandeln.
Die Kurbelwelle 38 ist mechanisch (nicht dargestellt) mit
einer Einlassnockenwelle 48 und einer Auslassnockenwelle 50 verbunden,
welche das Öffnen
und Schließen
des Einlassventils 20 bzw. des Auslassventils 22 präzise steuern.
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Der
Zylinder 14 weist eine Mittellinie (Kolben-Zylinder-Achse) 52 auf,
die auch die Mittellinie der Hin- und Herbewegung des Kolbens 16 ist.
Die Kurbelwelle 38 weist ein Rotationszentrum (Kurbelwellenachse) 54 auf.
Für die
Zwecke dieser Beschreibung handelt es sich bei der Rotationsrichtung 46 der
Kurbelwelle 38 um die Richtung im Uhrzeigersinn aus der
Blickrichtung des Betrachters auf die Ebene des Papiers. Die Mittellinie 52 des
Zylinders 14 verläuft
direkt durch das Rotationszentrum 54 der Kurbelwelle 38.
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Unter
Bezug auf 1 senkt sich der Kolben 16 zunächst im
Ansaughub bei geöffnetem
Einlassventil 20 ab (durch die Richtung des Pfeils 44 angezeigt).
Eine vorgegebene Masse einer explosiven Mischung aus Kraftstoff
(Benzindampf) und Luft wird durch das dabei entstehende partielle
Vakuum in die Verbrennungskammer 26 eingezogen. Der Kolben senkt
sich weiter ab, bis er seinen unteren Totpunkt (Bottom Dead Center – BDC) erreicht,
also den Punkt, an dem sich der Kolben am weitesten vom Zylinderkopf 18 entfernt
befindet.
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Unter
Bezug auf 2 wird die Mischung im Kompressionshub
bei geschlossenen Einlass- 20 und Auslassventilen 22 komprimiert,
wenn der Kolben 16 aufsteigt (durch die Richtung des Pfeils 44 angezeigt).
Wenn beim Ende des Hubs eine Annäherung an
den oberen Totpunkt (Top Dead Center – TDC) erfolgt, d. h. an den
Punkt, an dem sich der Kolben 16 am nächsten zum Zylinderkopf 18 befindet,
ist das Volumen der Mischung auf ein Achtel seines Anfangsvolumens
komprimiert (aufgrund eines Kompressionsverhältnisses von 8 zu 1). Die Mischung wird
dann durch einen elektrischen Funken von der Zündkerze 30 gezündet.
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Unter
Bezug auf 3 folgt der Arbeitshub, während die
beiden Ventile 20 und 22 weiterhin geschlossen
sind. Der Kolben 16 wird aufgrund der Ausdehnung des verbrannten
Gases, das auf den Kopf 24 des Kolbens 16 drückt, nach
unten in Richtung des unteren Totpunkts (BDC) getrieben (angezeigt
durch den Pfeil 44). Da die Zündkerze 30 gezündet wird,
wenn sich der Kolben 16 am oder nahe am TDC befindet, d.
h. in seiner Zündposition,
hat der durch das gezündete
Gas auf den Kolben 16 ausgeübte Verbrennungsdruck (angezeigt
durch den Pfeil 56) an diesem Punkt sein Maximum. Dieser
Druck 56 wird über
die Verbindungsstange 34 übertragen und resultiert in
einer Tangentialkraft oder einem Drehmoment (angezeigt durch den
Pfeil 58) auf die Kurbelwelle 38.
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Wenn
sich der Kolben 16 in seiner Zündposition befindet, gibt es
einen signifikanten Freiabstand 60 zwischen der Oberseite
des Zylinders 14 und dem Kopf 24 des Kolbens 16.
Dieser Freiabstand beträgt typischerweise
0,5 bis 0,6 Zoll (12,7 bis 15,24 mm). Für den dargestellten Standardmotor 10 beträgt der Freiabstand
im Wesentlichen 0,571 Zoll (14,50 mm). Wenn sich der Kolben 16 in
seiner Zündposition
befindet, sind die Bedingungen für
die Zündung
optimal, d. h. es liegen optimale Zündbedingungen vor. Zu Vergleichszwecken
sind die Zündbedingungen
des Motors 10 in dieser exemplarischen Ausführungsform:
1) ein Kolben mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm, 2) ein
Totraum von 7,181 Kubikzoll (117,70 mm3),
3) ein Druck vor der Zündung
von ungefähr
270 psia (pounds per square inch absolute (18,616 Bar)), 4) ein
maximaler Verbrennungsdruck nach der Zündung von ungefähr 1200
psia (82,74 Bar) und 5) ein Betrieb bei 1400 Umdrehungen pro Minute.
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Dieser
Freiabstand 60 korrespondiert typischerweise mit dem Kompressionsverhältnis von
8 zu 1. Typischerweise arbeiten SI-Motoren optimal mit einem festen
Kompressionsverhältnis
in einem Bereich von etwa 6,0 bis 8,5, während die Kompressionsverhältnisse
von CI-Motoren typischerweise im Bereich von etwas 10 bis 16 liegen.
Die Zündposition des
Kolbens 16 liegt allgemein am oder nahe am TDC und repräsentiert
das optimale Volumen und den optimalen Druck zur Zündung des
Kraftstoff-Luft-Gemischs. Würde
der Freiabstand 60 geringer ausgelegt, würde sich
der Druck rapide erhöhen.
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Unter
Bezug auf 4 drückt der aufsteigende Kolben 16 während des
Auspuffhubs die verbrauchten Verbrennungsprodukte durch das offene Auslassventil
(oder Auspuffventil) 22. Der Zyklus wiederholt sich dann.
Für diesen
Viertaktmotor 10 nach dem Stand der Technik sind vier Hübe von jedem
Kolben 16, d. h. Ansaug-, Kompressions-, Arbeits- und Auspuffhub,
und zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 38 erforderlich, um
einen Zyklus abzuschließen,
d. h. um einen Arbeitshub zu liefern.
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Problematischerweise
beträgt
der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad des standardmäßigen Viertaktmotors 10 nur
ungefähr
ein Drittel (1/3). Das heißt,
dass 1/3 der Arbeit an die Kurbelwelle geliefert wird, 1/3 durch
Abwärme
verloren geht und 1/3 durch den Auspuff verloren geht.
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Wie
in 3 und 5 dargestellt ist, besteht einer
der Primärgründe für diesen
niedrigen Wirkungsgrad in der Tatsache, dass Spitzendrehmoment und
Spitzenverbrennungsdruck von Natur aus phasenverschoben fixiert
sind. 3 zeigt die Position des Kolbens 16 am
Beginn eines Arbeitshubs, wenn sich der Kolben 16 in seiner
Zündposition
am oder nahe am TDC befindet. Wenn die Zündkerze 30 zündet, übt der gezündete Kraftstoff
den maximalen Verbrennungsdruck 56 auf den Kolben 16 aus,
der über
die Verbindungsstange 34 auf die Kurbelwellenkröpfung 40 der
Kurbelwelle 38 übertragen
wird. Allerdings sind die Verbindungsstange 34 und die
Kurbelwellenkröpfung 40 in
dieser Position beide fast an der Mittellinie 52 des Zylinders 14 ausgerichtet.
Deshalb ist das Drehmoment 58 fast senkrecht zur Kraftrichtung 56 und
hat seinen minimalen Wert. Die Kurbelwelle 38 muss sich
auf den Schwung verlassen, der durch ein befestigtes Schwungrad
(nicht dargestellt) erzeugt wird, um über diese Position hinaus zu rotieren.
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Unter
Bezug auf 5 senkt sich der Kolben 16 ab,
wenn sich das gezündete
Gas in der Verbrennungskammer 26 ausdehnt, und der Verbrennungsdruck 56 sinkt.
Wenn jedoch die Kurbelwellenkröpfung 40 über die
Mittellinie 52 und den TDC hinaus rotiert, beginnt die
resultierende Tangentialkraft bzw. das Drehmoment 58 zu
wachsen. Das Drehmoment 58 erreicht einen Maximalwert,
wenn die Kurbelwellenkröpfung 40 um
ungefähr
30 Grad über
die Mittellinie 52 hinaus rotiert. Die Rotation über diesen
Punkt hinaus bewirkt einen derartig starken Abfall des Drucks 56,
dass das Drehmoment 58 beginnt, wieder zu sinken, bis sowohl
der Druck 56 als auch das Drehmoment 58 ein Minimum
am BDC erreichen. Daher sind der Punkt des maximalen Drehmoments 58 und
der Punkt des maximalen Verbrennungsdrucks 56 von Natur
aus um etwa 30 Grad phasenverschoben fixiert.
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Unter
Bezug auf 6 kann dieses Konzept weiter
erläutert
werden. Hier ist mit 62 ein Kurvenverlauf der Tangentialkraft
oder des Drehmoments im Verhältnis
zu den Rotationsgraden vom TDC zum BDC für den Standardmotor 10 nach
dem Stand der Technik dargestellt. Zusätzlich ist mit 64 ein
Kurvenverlauf des Verbrennungsdrucks im Verhältnis zu den Rotationsgraden
vom TDC zum BDC für
den Motor 10 dargestellt. Die Berechnungen für die Kurvenverläufe 62 und 64 basierten
auf dem Standardmotor 10 nach dem Stand der Technik mit
einem Hub von vier Zoll (101,6 mm), einem Kolben mit einem Durchmesser
von vier Zoll (101,6 mm) und einem maximalen Verbrennungsdruck bei
der Zündung
von etwa 1200 PSIA (82,74 Bar). Wie aus den Kurvenverläufen ersichtlich
wird, tritt der Punkt des maximalen Verbrennungsdrucks 66 bei
ungefähr
0 Grad vom TDC auf, und der Punkt des maximalen Drehmoments 68 tritt ungefähr 30 Grad
später
auf, wenn sich der Druck 64 bereits erheblich verringert
hat. Beide Kurvenverläufe 62 und 64 nähern sich
ihren Minimalwerten am BDC oder im Wesentlichen 180 Rotationsgrade
nach dem TDC an.
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Eine
alternative Möglichkeit
zur Erhöhung des
thermodynamischen Wirkungsgrads eines Viertaktmotors besteht in
der Erhöhung
des Kompressionsverhältnisses
des Motors. Allerdings haben Fahrzeughersteller festgestellt, dass
SI-Motoren typischerweise optimal mit einem Kompressionsverhältnis in
einem Bereich von etwa 6,0 bis 8,5 arbeiten, während CI-Motoren typischerweise
optimal in einem Kompressionsverhältnisbereich von etwa 10 bis
16 arbeiten. Das liegt daran, dass bei einer Erhöhung der Kompressionsverhältnisse
für SI-
oder CI-Motoren über
die Durchschnittsbereiche hinaus verschiedene andere Probleme auftreten,
welche die gewonnenen Vorteile wieder zunichte machen. Beispielsweise
muss der Motor schwerer und massiver gebaut werden, um die auftretenden
größeren Drücke handhaben
zu können.
Außerdem
beginnen Probleme vorzeitiger Zündung
aufzutreten, was besonders bei SI-Motoren der Fall ist.
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Viele
ziemlich exotische frühe
Motorkonstruktionen wurden patentiert. Allerdings war keine von
diesen in der Lage, größere Wirkungsgrade
oder andere deutliche Vorteile zu erzielen und damit den oben exemplarisch
erläuterten
Standardmotor
10 zu ersetzen. Einige dieser frühen Patente
waren: Die
US-Patente Nr. 848,029 ;
939,376 ;
1,111,841 ;
1,248,250 ;
1,301,141 ;
1,392,359 ;
1,856,048 ;
1,969,815 ;
2,091,410 ;
2,091,411 ;
2,091,412 ;
2,091,413 ;
2,269,948 ;
3,895,614 ; das
britische Patent Nr. 299,602 ; das
britische Patent Nr. 721,025 und
das
italienische Patent Nr. 505,576 .
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Insbesondere
das
US-Patent Nr. 1,111,841 an
Koenig offenbarte eine geteilte Kolben-/Zylinderkonstruktion nach
dem Stand der Technik, bei der ein Ansaug- und Kompressionshub in
einer Kombination aus Kompressionskolben
12 und -zylinder
11 bewerkstelligt
wurden, und ein Arbeits- und ein Auspuffhub in einer Kombination
aus Motorkolben
7 und -zylinder
8 bewerkstelligt
wurden. Jeder Kolben
7 und
12 bewegt sich entlang
einer Kolben-Zylinder-Achse hin und her, die sich mit der einzelnen
Kurbelwelle
5 schnitt (siehe
3 ebenda).
Eine thermische Kammer
24 verbindet die Köpfe der
Kompressions- und Motorzylinder, wobei ein Ende zum Motorzylinder
hin offen ist und das andere Ende eine ventilgesteuerte Ausströmöffnung
19 aufweist,
die mit dem Kompressorzylinder kommuniziert. Ein wassergekühlter Wärmeaustauscher
15 ist
an der Oberseite des Kompressorzylinders
11 angeordnet,
um die Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei der Komprimierung
zu kühlen.
Eine Gruppe von im Abstand zueinander angeordneten thermischen Platten
25 ist
im Inneren der thermischen Kammer
24 angeordnet, um das
zuvor gekühlte
komprimierte Gas bei dessen Passage wieder zu erhitzen.
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Es
wurde gedacht, dass der Motor an Wirkungsgrad gewinnen würde, indem
die Komprimierung des Gases durch dessen Kühlung erleichtert wird. Anschließend wurde
das Gas in der thermischen Kammer erneut erwärmt, um dessen Druck bis zu
einem Punkt zu erhöhen,
an dem eine effiziente Zündung
erfolgen könnte.
Beim Auspuffhub wurden die heißen
Abgase durch die thermische Kammer zurückgeleitet und aus einer Auspufföffnung 26 ausgeleitet,
um die thermische Kammer wieder zu erwärmen.
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Leider
erforderte die Gasübertragung
bei allen Motoren mit einer geteilten Kolbenkonstruktion nach dem
Stand der Technik immer Arbeit, was den Wirkungsgrad verringert.
Außerdem
führte
die zusätzliche
Ausdehnung der thermischen Kammer auf den Motorzylinder gemäß Koenig
auch zu einer Senkung des Kompressionsverhältnisses. Der Standardmotor 10 benötigt keinen
solchen Übertragungsprozess
und die damit verbundene zusätzliche
Arbeit. Darüber
hinaus bot die Kühlung
und erneute Erwärmung
des Gases in beide Richtungen durch die thermische Kammer hindurch
keinen ausreichend großen
Vorteil, um die Verluste wettzumachen, die während des Gasübertragungsprozesses
auftraten. Deshalb führte
das Koenig-Patent
zu einem Verlust an Wirkungsgrad und Kompressionsverhältnis im
Verhältnis
zum Standardmotor 10.
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Für die hier
vorgesehenen Zwecke ist eine Kurbelwellenachse als versetzt gegenüber der
Kolben-Zylinder-Achse definiert, wenn sich die Kurbelwellenachse
und die Kolben-Zylinder-Achse nicht schneiden. Der Abstand zwischen
der verlängerten Kurbelwellenachse
und der verlängerten
Kolben-Zylinder-Achse, der entlang einer Linie gemessen wird, die
senkrecht zur Kolben-Zylinder-Achse gezogen wird, ist als der Versatz
definiert. Typischerweise sind versetzte Kolben durch gut bekannte
Verbindungsstangen und Kurbelwelienkröpfungen mit der Kurbelwelle
verbunden. Allerdings würde
ein Fachmann auf dem Gebiet der Technik anerkennen, dass versetzte Kolben
durch verschiedene andere mechanische Verbindungsmittel operativ
mit einer Kurbelwelle verbunden sein können. Beispielsweise kann ein
erster Kolben mit einer ersten Kurbelwelle verbunden sein, und ein
zweiter Kolben kann mit einer zweiten Kurbelwelle verbunden sein,
und die beiden Kurbelwellen können
durch ein Getriebesystem operativ miteinander verbunden sein. Alternativ
können schwenkbare
Hebelarme oder andere mechanische Verbindungsmittel in Verbindung
mit den oder anstatt der Verbindungsstangen und Kurbelwellenkröpfungen
verwendet werden, um die versetzten Kolben operativ mit der Kurbelwelle
zu verbinden.
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Eine
bestimmte Technologie im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren mit
hin- und hergehenden
Kolben, bei denen die Kurbelwellenachse gegenüber den Kolben-Zylinder-Achsen versetzt
ist, d. h. diese nicht schneidet, ist in den
US-Patenten Nr. 810,347 ;
2,957,455 ;
2,974,541 ;
4,628,876 ;
4,945,866 und
5,146,884 ; im
japanischen Patentdokument 60-256,642 ;
im
sowjetischen Patentdokument
1551-880-A und in den Tagungsprotokollen der Japanese Society
of Automotive Engineers (JSAE) von 1996, Ausgabe 966, Seiten 129–132 beschrieben.
Gemäß den in
diesen Veröffentlichungen
enthaltenen Beschreibungen sind die verschiedenen Motor geometrien
durch verschiedene Überlegungen motiviert,
wozu Leistungs- und Drehmomentverbesserungen sowie Reibungs- und
Schwingungsreduzierungen zählen.
Außerdem
kamen in Rennmotoren des frühen
zwanzigsten Jahrhunderts so genannte Inline- oder Reihenmotoren
zum Einsatz, bei denen die Kurbelwellenachse gegenüber den
Kolbenachsen versetzt waren.
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Allerdings
ergaben sich sämtliche
erzielte Verbesserungen aus der Erhöhung der Drehmomentwinkel ausschließlich im
Arbeitshub. Leider, und wie das weiter unten noch detailliert erläutert wird, galt:
je größer der
Vorteil eines Versatzes für
den Arbeitshub war, desto größer war
auch der Nachteil, der damit für
den Kompressionshub verbunden war. Deshalb wird der Grad des Versatzes
schnell selbstbegrenzend, indem die Vorteile in Bezug auf Drehmoment,
Leistung, Reibung und Schwingung für den Arbeitshub nicht die
Nachteile in Bezug auf dieselben Funktionen für den Kompressionshub wettmachen können. Außerdem wurden
keine Vorteile in Bezug auf Versätze
zur Optimierung des Kompressionshubs gelehrt oder diskutiert.
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Als
Beispiel wurde kürzlich
beim Stand der Technik ein Versuch zur Erhöhung des Wirkungsgrads bei
einer Konstruktion vom Typ des Standardmotors
10 durch
die Verwendung eines Versatzes im
US-Patent
Nr. 6,058,901 an Lee offenbart. Lee glaubt, dass sich ein
verbesserter Wirkungsgrad ergibt, indem die Reibungskräfte der
Kolbenringe an den Seitenwänden über die
volle Dauer von zwei Umdrehungen eines Viertaktzyklus reduziert
werden (siehe Lee, Spalte 4, Zeilen 10–16). Lee versucht dies zu
erreichen, indem ein versetzter Zylinder bereitgestellt wird, wobei
das Timing der Verbrennung in jedem Zylinder so gesteuert wird,
dass das Auftreten eines maximalen Verbrennungsdrucks bewirkt wird,
wenn eine imaginäre
Ebene, welche sowohl eine jeweilige Verbindungsachse einer jeweiligen Verbindungsstange
zum jeweiligen Kolben als auch eine jeweilige Verbindungsachse der
Verbindungsstange zu einer jeweiligen Kröpfung der Kurbelwelle enthält, im Wesentlichen
mit der jeweiligen Zylinderachse übereinstimmt, entlang der sich
der Kolben hin- und herbewegt.
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Allerdings
ist der Versatz zwar während
des Arbeitshubs ein Vorteil, er wird jedoch während des Kompressionshubs
zu einem Nachteil. Das heißt, wenn
sich der Kolben während
des Kompressionshubs vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt,
dann erzeugt die versetzte Kolben-Zylinder-Achse einen Winkel zwischen
der Kurbelwellenkröpfung
und der Verbindungsstange, welcher eine Reduzierung des Drehmoments
bewirkt, das auf den Kolben einwirkt. Außerdem führen die Seitenkräfte, die
sich aus den schlechten Drehmomentwinkeln beim Kompressionshub ergeben,
tatsächlich
zu einer verstärkten
Abnutzung der Kolbenringe. Dementsprechend muss ein größerer Betrag
an Leistung verbraucht werden, um das Gas zum Abschluss des Kompressionshubs
zu komprimieren, wenn sich der Versatz erhöht. Deshalb ist der Betrag
an Versatz erheblich durch seine eigenen Nachteile auf der Kompressionsseite
begrenzt. Dementsprechend wurden beim bisherigen Stand der Technik
keine großen
Versätze,
d. h. Versätze,
bei denen die Kurbelwelle um mindestens 20 Grad über einen oberen Totpunkt der Kolben
hinaus rotieren musste, bevor der Kolben eine Zündposition erreichen kann,
nicht eingesetzt, offenbart oder gelehrt. Als ein Ergebnis dessen
können
die relativ großen
Versätze,
die zu einer substantiellen Ausrichtung des Spitzendrehmoments am Spitzenverbrennungsdruck
erforderlich sind, mit der Erfindung von Lee nicht erzielt werden.
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Motoren
mit variablem Kompressionsverhältnis
(Variable Compression Ratio – VCR)
sind eine Klasse der CI-Motoren nach dem Stand der Technik, die
konstruiert wurden, um das variierende Kompressionsverhältnis eines
Motors auszunutzen, um dessen Wirkungsgrad zu erhöhen. Ein
solches typisches Beispiel ist im
US-Patent
Nr. 4,955,328 an Sobotowski offenbart. Sobotowski beschreibt
einen Motor, bei dem das Kompressionsverhältnis variiert wird, indem
die Phasenbeziehung zwischen zwei Kolben verändert wird, die in Zylindern
arbeiten, welche durch einen Übertragungsanschluss
miteinander verbunden sind, der einen Gasfluss in beide Richtungen zulässt.
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Allerdings
bringt die Änderung
der Phasenbeziehung zum Variieren der Kompressionsverhältnisse
Konstruktionsanforderungen an den Motor mit sich, die dessen Komplexität enorm
erhöhen
und dessen Nutzbarkeit verringern. Beispielsweise muss sich jeder
Kolben des Kolbenpaars über
alle vier Hübe
eines kompletten Viertaktzyklus hinweg hin- und herbewegen und muss
durch ein Paar Kurbelwellen angetrieben werden, die pro Viertaktzyklus
um zwei volle Umdrehungen rotieren. Außerdem werden die Verbindungsmittel
zwischen dem Kurbelwellenpaar sehr komplex und schwer. Auch ist
der Motor von der Konstruktion her aufgrund der auftretenden höheren Kompressionsverhältnisse
auf CI-Motoren beschränkt.
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In
relativ jüngster
Zeit wurden auch verschiedene andere spezialisierte Motoren nach
dem Stand der Technik konstruiert, um den Motorwirkungsgrad zu erhöhen. Ein
derartiger Motor ist im
US-Patent
Nr. 5,546,897 an Brackett mit dem Titel "Internal Combustion
Engine with Stroke Specialized Cylinders" beschrieben. Bei Brackett ist der Motor
in einen Arbeitsabschnitt und einen Kompressorabschnitt unterteilt.
Der Kompressorabschnitt liefert verdichtete Luft an den Arbeitsabschnitt,
welcher eine Kreuzschleifen- bzw. eine konjugierte Antriebsbewegungsübersetzungskonstruktion
verwendet, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Der spezialisierte Motor
kann als ein Boxermotor beschrieben werden, bei dem ein Paar sich
gegenüberliegender
Kolben sich innerhalb eines Zylinderblocks in entgegengesetzten
Richtungen hin- und herbewegen.
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Allerdings
ist der Kompressor im Wesentlichen als ein Superverdichter konstruiert,
der überverdichtetes
Gas an den Arbeitsabschnitt liefert. Jeder Kolben in dem Arbeitsabschnitt
muss sich über
alle vier Hübe,
also Ansaug-, Kompressions-, Arbeits- und Auspuffhub, hinweg hin-
und herbewegen, da jede beteiligte Kurbelwelle pro Viertaktzyklus
zwei vollständige
Umdrehungen durchführen
muss. Außerdem
ist diese Konstruktion komplex, teuer und auf sehr spezialisiere
CI-Motoren beschränkt.
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Eine
andere spezialisierte Konstruktion nach dem Stand der Technik ist
im
US-Patent Nr. 5,623,894 an Clarke
mit dem Titel "Dual
Compression and Dual Expansion Engine" beschrieben. Clarke offenbart im Wesentlichen
einen spezialisierten Zweitaktmotor, bei dem gegenüberliegende
Kolben in einem einzelnen Zylinder angeordnet sind, um einen Arbeitshub
und einen Kompressionshub durchzuführen. Der einzelne Zylinder
und die Köpfe
der gegenüberliegenden
Kolben definieren eine Verbrennungskammer, die sich in einem sich
hin- und herbewegenden inneren Gehäuse befindet. Das Ansaugen
und Abführen
des Gases in die und aus der Verbrennungskammer wird durch spezielle
konische Kolben und das sich hin- und herbewegende innere Gehäuse durchgeführt.
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Allerdings
ist der Motor ein hoch spezialisiertes Zweitaktsystem, bei dem die
gegenüberliegenden
Kolben jeweils einen Kompressionshub und einen Arbeitshub in demselben
Zylinder durchführen. Außerdem ist
diese Konstruktion sehr komplex und erfordert doppelte Kurbelwellen,
vier Kolben und ein sich hin- und herbewegendes inneres Gehäuse, um den
Zweitaktzyklus mit einer Umdrehung durchzuführen. Außerdem ist der Motor auf große CI-Motoranwendungen
beschränkt.
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WO 01/16470 offenbart einen
Verbrennungsmotor mit Regenerator und Heißluftzündung.
US 3,623,463 offenbart einen nach
dem Viertakt-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotor.
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Dementsprechend
gibt es einen Bedarf für einen
verbesserten Viertaktverbrennungsmotor, der einen besseren Wirkungsgrad
erzielt, indem die Drehmoment- und Kraftkurven enger aneinander ausgerichtet
werden, die während
eines Arbeitshubs erzeugt werden, ohne dass dabei die Kompressionsverhältnisse
wesentlich über
die normalerweise akzeptierten Konstruktionsgrenzen erhöht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Motors
bereit, umfassend:
das Bereitstellen eines Motors, der umfasst:
eine Kurbelwelle (108), die um eine Kurbelwellenachse (110)
des Motors (100) rotiert; einen Arbeitskolben (114),
der verschiebbar innerhalb eines ersten Zylinders (104)
aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108)
verbunden ist, so dass sich der Arbeitskolben während einer einzigen Umdrehung
der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und einen Auspuffhub eines Viertaktzyklus
hin und her bewegt; einen Kompressionskolben (116), der
verschiebbar innerhalb eines zweiten Zylinders (106) aufgenommen
ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so
dass sich der Kompressionskolben während derselben Umdrehung der
Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub desselben Viertaktzyklus
hin und her bewegt;
und das Bereitstellen eines Gasdurchgangs
(144), der die ersten und zweiten Zylinder (104, 106)
miteinander verbindet, wobei der Gasdurchgang ein Einlassventil
(146) und ein Auslassventil (150) enthält, die
zwischen sich eine Druckkammer (148) definieren, wobei
das Einlassventil (146) und das Auslassventil (150)
des Gasdurchgangs während
des gesamten Viertaktzyklus im Wesentlichen mindestens einen vorgegebenen
Zündbedingungsgasdruck
in der Druckkammer aufrechterhalten; und
das Rotieren der Kurbelwelle
(108) um mindestens 20 Grad über eine Position hinaus, in
der sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet,
um die Zündposition
des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
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In
einer Ausführungsform
rotiert die Kurbelwelle (108) um 40 Grad über eine
Position hinaus, in welcher sich der Arbeitskolben (114)
in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition
des Arbeitskolbens (114) zu erreichen. [Anmerkung des Übersetzers:
In der Ursprungsfassung des englischen Originals sind irrtümlich Formulierungen
aus Patentanspruch 2 in diesen Satz eingeflossen. Diese wurden durch
den Übersetzer
korrigiert.]
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren des Weiteren das Zünden des Arbeitskolbens.
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Die
vorliegende Erfindung stellt des Weiteren einen Motor bereit, umfassend:
eine
Kurbelwelle (108), die um eine Kurbelwellenachse (110)
des Motors (100) rotieren kann;
einen Arbeitskolben
(114), der verschiebbar innerhalb eines ersten Zylinders
(104) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle
(108) verbunden ist, so dass sich der Arbeitskolben während einer
einzigen Umdrehung der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und einen
Auspuffhub eines Viertaktzyklus hin und her bewegen kann;
einen
Kompressionskolben (116), der verschiebbar innerhalb eines
zweiten Zylinders (106) aufgenommen ist und operativ mit
der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Kompressionskolben während derselben
Umdrehung der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub
desselben Viertaktzyklus hin und her bewegen kann;
dadurch
gekennzeichnet, dass ein Gasdurchgang (144) bereitgestellt
ist, der die ersten und zweiten Zylinder (104, 106)
miteinander verbindet, wobei der Gasdurchgang ein Einlassventil
(146) und ein Auslassventil (150) enthält, die
zwischen sich eine Druckkammer (148) definieren, wobei
das Einlassventil (146) und das Auslassventil (150)
des Gasdurchgangs so gesteuert werden können, dass sie während des
gesamten Viertaktzyklus im Wesentlichen mindestens einen vorgegebenen
Zündbedingungsgasdruck
in der Druckkammer aufrechterhalten;
wobei der Motor so konfiguriert
ist, dass die Kurbelwelle (108) um mindestens 20 Grad über eine
Position hinaus rotiert, in der sich der Arbeitskolben (114) in
seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition
des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
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In
einer Ausführungsform
geht der Arbeitskolben dem Kompressionskolben um einen Phasenverschiebungswinkel
von im Wesentlichen größer als null
voraus.
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In
einer Ausführungsform
beträgt
der Phasenverschiebungswinkel ungefähr zwischen 30 Grand und 60
Grad.
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In
einer Ausführungsform
beträgt
der Phasenverschiebungswinkel 40 Grad.
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In
einer Ausführungsform
beträgt
der Phasenverschiebungswinkel im Wesentlichen 50 Grad.
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In
einer Ausführungsform
rotiert beim Betrieb die Kurbelwelle (108) um 40 Grad über die
Position hinaus, in welcher sich der Arbeitskolben (114)
in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition
des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
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In
einer Ausführungsform
bewegt sich der Arbeitskolben (114) innerhalb des ersten
Zylinders (104) hin und her, und zwar entlang einer ersten
Kolben-Zylinder-Achse (113), und die erste Kolben-Zylinder-Achse
(113) weist gegenüber
der Kurbelwellenachse (110) einen solchen Versatz auf,
dass die erste Kolben-Zylinder-Achse (113) sich nicht mit
der Kurbelwellenachse (110) schneidet.
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In
einer Ausführungsform
bewegt sich der Kompressionskolben (116) innerhalb des
zweiten Zylinders (106) hin und her, und zwar entlang einer zweiten
Kolben-Zylinder-Achse
(115), und die zweite Kolben-Zylinder-Achse (115)
weist gegenüber
der Kurbelwellenachse (110) einen solchen Versatz auf, dass
die zweite Kolben-Zylinder-Achse
(115) sich nicht mit der Kurbelwellenachse (110)
schneidet und auf einer gegenüberliegenden
Seite der Kurbelwellenachse relativ zur ersten Kolben-Zylinder-Achse (113)
passiert.
-
In
einer Ausführungsform
weist die Kurbelwelle (108) eine erste Kröpfung und
eine zweite Kröpfung
(130, 132) auf;
der Motor (100)
umfasst eine erste Verbindungsstange (122), die schwenkbar
sowohl mit dem Arbeitskolben (114) als auch mit der ersten
Kröpfung
(130) der Kurbelwelle (108) verbunden ist, und
umfasst
eine zweite Verbindungsstange (124), die schwenkbar sowohl
mit dem Kompressionskolben (116) als auch mit der zweiten
Kröpfung
(132) der Kurbelwelle (108) verbunden ist.
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In
einer Ausführungsform
weist jede der ersten und zweiten Verbindungsstangen (122, 124)
eine winkelförmige
Biegung in einem solchen Ausmaß auf,
dass die Verbindungsstange beim Betrieb das untere Ende des zugehörigen ersten
bzw. zweiten Zylinders (104, 106) freigibt.
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In
einer Ausführungsform
weisen die Kröpfungen
(130, 132) wesentlich unterschiedliche Längen auf.
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In
einer Ausführungsform
weisen die Arbeits- und Kompressionskolben (114, 116)
Durchmesser (202, 204) auf, die wesentlich unterschiedlich
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines repräsentativen Viertaktmotors nach
dem Stand der Technik während
des Ansaughubs;
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2 ist
eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik
aus 1 während
des Kompressionshubs;
-
3 ist
eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik
aus 1 während
des Arbeitshubs;
-
4 ist
eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik
aus 1 während
des Auspuffhubs;
-
5 ist
eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik
aus 1, wenn sich der Kolben in der Position des maximalen
Drehmoments befindet;
-
6 ist
eine Diagrammdarstellung von Drehmoment und Verbrennungsdruck beim
Motor nach dem Stand der Technik aus 1;
-
7 ist
eine schematische Darstellung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung
während
der Ansaug- und Auspuffhübe;
-
8 ist
eine schematische Darstellung des Motors aus 7, wenn
der erste Kolben am Beginn eines Arbeitshubs gerade den oberen Totpunkt
(Top Dead Center – TDC)
erreicht hat;
-
9 ist
eine schematische Darstellung des Motors aus 7, wenn
der erste Kolben seine Zündposition
erreicht hat;
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10 ist
eine Diagrammdarstellung von Drehmoment und Verbrennungsdruck beim
Motor aus 7; und
-
11 ist
eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
eines Motors gemäß der vorliegenden
Erfindung, der ungleiche Kröpfungen
und Kolbendurchmesser aufweist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezug auf 7 ist eine exemplarische Ausführungsform
eines Viertaktverbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung
allgemein mit 100 dargestellt. Der Motor 100 umfasst
einen Motorblock 102 mit einem ersten Zylinder 104 und
einem durch diesen verlaufenden zweiten Zylinder 106. Eine
Kurbelwelle 108 ist drehbar gelagert, um die Rotation um
einen Kurbelwelienachse 110 (senkrecht zur Papierebene
verlaufend) zu ermöglichen.
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Der
Motorblock 102 ist das Hauptkonstruktionselement des Motors 100 und
verläuft
von der Kurbelwelle 108 aus nach oben zur Verbindungsstelle mit
dem Zylinderkopf 112. Der Motorblock 102 dient als
struktureller Rahmen des Motors 100 und trägt typischerweise
die Montagefläche,
mit welcher der Motor im Fahrgestell (nicht dargestellt) befestigt
ist. Der Motorblock 102 ist im Allgemeinen ein Gussstück mit entsprechend
bearbeiteten Oberflächen
und Gewindelöchern
zur Befestigung des Zylinderkopfs 112 und anderer Einheiten
des Motors 100.
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Die
Zylinder 104 und 106 sind Öffnungen, typischerweise mit
einem allgemein kreisförmigen Querschnitt,
die durch den oberen Abschnitt des Motorblocks 102 verlaufen.
Zylinder sind hier als die Kammern definiert, in denen sich die
Kolben eines Motors hin- und herbewegen, und müssen nicht unbedingt einen
allgemein kreisförmigen
Querschnitt aufweisen, z. B. können
sie eine allgemein elliptische oder Halbmondform aufweisen.
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Die
Innenwände
der Zylinder 104 und 106 sind aufgebohrt und poliert,
um glatte, präzise
Laufflächen
zu bilden, die eine Größe aufweisen,
um einen ersten Arbeitskolben 114 bzw. einen zweiten Kompressionskolben 116 aufzunehmen.
Der Arbeitskolben 114 bewegt sich entlang einer ersten
Kolben-Zylinder-Achse 113 hin und her, und der Kompressionskolben 116 bewegt
sich entlang einer zweiten Kolben-Zylinder-Achse 115 hin
und her. Die ersten und zweiten Zylinder 104 und 106 sind
so in dem Motor 100 angeordnet, dass die ersten und zweiten Kolben-Zylinder-Achsen 113 und 115 auf
gegenüberliegenden
Seiten der Kurbelwellenachse 110 passieren, ohne die Kurbelwellenachse 110 zu
schneiden.
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Die
Kolben 114 und 116 sind typischerweise becherförmige zylindrische
Gussstücke
aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Die oberen geschlossenen
Enden, d. h. die Böden
der Arbeits- und Kompressionskolben 114 und 116,
sind der erste Kopf 118 bzw. der zweite Kopf 120.
Die Außenflächen der
Kolben 114, 116 sind allgemein so bearbeitet,
dass sie dicht in die Zylinderbohrung passen und weisen typischerweise
Nute zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf, welche
den Zwischenraum zwischen den Kolben und den Zylinderwänden abdichten.
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Erste
und zweite Verbindungsstangen 122 und 124 weisen
jeweils eine Winkelbiegung 121 bzw. 123 auf. Die
Verbindungsstangen 122 und 124 sind an ihren oberen
distalen Enden 126 und 128 schwenkbar an den Arbeits-
und Kompressionskolben 114 bzw. 116 befestigt.
Die Kurbelwelle 108 weist ein Paar mechanisch versetzte
Abschnitte auf, die als die ersten und zweiten Kröpfungen 130 und 132 bezeichnet
werden, welche schwenkbar an den unteren gegenüberliegenden distalen Enden 134 und 136 der ersten
und zweiten Verbindungsstangen 122 bzw. 124 befestigt
sind. Die mechanischen Verbindungsmittel der Verbindungsstangen 122 und 124 mit
den Kolben 114, 116 und den Kurbelwellenkröpfungen 130, 132 dienen
dazu, die hin- und hergehende Bewegung der Kolben (angezeigt durch
den Richtungspfeil 138 für den Arbeitskolben 114 und
den Richtungspfeil 140 für den Kompressionskolben 116)
in die Rotationsbewegung (angezeigt durch den Richtungspfeil 142)
der Kurbelwelle 108 umzuwandeln. Die erste Kolben-Zylinder-Achse 113 ist
so versetzt, dass sie in der imaginären Halbebene verläuft, durch welche
die erste Kurbelwellenkröpfung 130 von
ihrer oberen Totpunktposition zu ihrer unteren Totpunktposition
rotiert. Die zweite Kolben-Zylinder-Achse 115 ist in der
gegenüberliegenden
imaginären
Halbebene versetzt.
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Obwohl
diese Ausführungsform
die ersten und zweiten Kolben 114 und 116 in direkter
Verbindung mit der Kurbelwelle 108 durch die Verbindungsstangen 122 bzw. 124 zeigt,
liegt es im Umfang dieser Erfindung, auch andere Mittel einzusetzen,
um die Kolben 114 und 116 operativ mit der Kurbelwelle 108 zu
verbinden. Zum Beispiel kann eine zweite Kurbelwelle verwendet werden,
um die Kolben 114 und 116 mechanisch mit der ersten
Kurbelwelle 108 zu verbinden.
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Der
Zylinderkopf 112 umfasst einen Gasdurchgang 144,
der die ersten und zweiten Zylinder 104 und 106 miteinander
verbindet. Der Gasdurchgang enthält
ein Einlassrückschlagventil 146,
das in einem distalen Ende des Gasdurchgangs 144 in der Nähe der Oberseite
des zweiten Zylinders 106 angeordnet ist. Ein Auslasstellerventil 150 ist
auch in einem gegenüberliegenden
distalen Ende des Gasdurchgangs 144 in der Nähe der Oberseite
des ersten Zylinders 104 angeordnet. Das Einlassrückschlagventil 146 und
das Auslasstellerventil 150 definieren zwischen sich eine
Druckkammer 148. Das Einlassventil 146 ermöglicht den
Fluss von komprimiertem Gas in einer Richtung aus dem zweiten Zylinder 106 in
die Druckkammer 148. Das Auslassventil 150 ermöglicht den
Fluss von komprimiertem Gas in einer Richtung aus der Druckkammer 148 in
den ersten Zylinder 104. Obwohl hier Rückschlag- und Tellerventile
als die Einlass- und Auslassventile 146 bzw. 150 beschrieben
sind, kann stattdessen jede für die
Anwendung geeignete Ventilkonstruktion verwendet werden, z. B. kann
das Einlassventil 146 ebenfalls ein Tellerventil sein.
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Der
Zylinderkopf 112 umfasst auch ein Ansaugventil 152 in
Form eines Tellerventils, das über der
Oberseite des zweiten Zylinders 106 angeordnet ist, sowie
ein Auspuffventil 154 in Form eines Tellerventils, das über der
Oberseite des ersten Zylinders 104 angeordnet ist. Die
Tellerventile 150, 152 und 154 haben
typischerweise eine Metallwelle 156, an deren einem Ende
eine Scheibe 158 befestigt ist, um die Ventilöffnung zu
blockieren. Das andere Ende der Weilen 156 der Tellerventile 150, 152 und 154 sind mechanisch
mit den Nockenwellen 160, 162 bzw. 164 verbunden.
Die Nockenwellen 160, 162 und 164 sind
typischerweise ein Rundstab mit allgemein oval geformten Nocken,
die sich im Inneren des Motorblocks 102 oder im Zylinderkopf 112 befinden.
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Die
Nockenwellen 160, 162 und 164 sind mechanisch
mit der Kurbelwelle 108 verbunden, typischerweise durch
ein Zahnrad, einen Riemen oder Kettenglieder (nicht dargestellt).
Wenn die Kurbelwelle 108 die Nockenwellen 160, 162 und 164 zur
Drehung zwingt, bewirken die Nocken auf den Nockenwellen 160, 162 und 164,
dass sich die Ventile 150, 152 und 154 zu
den präzisen
Momenten innerhalb des Motorzyklus öffnen und schließen.
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Der
Kopf 120 des Kompressionszylinders 116, die Wände des
zweiten Zylinders 106 und der Zylinderkopf 112 bilden
eine Kompressionskammer 166 für den zweiten Zylinder 106.
Der Kopf 118 des Arbeitszylinders 114, die Wände des
ersten Zylinders 104 und der Zylinderkopf 112 bilden
eine separate Verbrennungskammer 168 für den ersten Zylinder 104.
Eine Zündkerze 170 ist
in dem Zylinderkopf 112 über dem ersten Zylinder 104 angeordnet
und wird durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) gesteuert,
die für
ein präzises
Timing der Zündung
des komprimierten Luft-Gas-Gemischs in der Verbrennungskammer 168 sorgt.
Obwohl diese Ausführungsform
einen Motor mit Funkenzündung
(Spark Ignition bzw. SI-Motor) zeigt, würde ein Fachmann auf dem Gebiet
der Technik anerkennen, dass auch Motoren mit Kompressionszündung (Compression Ignition
bzw. CI-Motoren) innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.
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Während des
Betriebs geht der Arbeitskolben 114 dem Kompressionskolben 116 um
einen Phasenverschiebungswinkel 172 voraus, der durch die
Rotationsgrade definiert ist, welche die Kurbelwelle 108 rotieren
muss, nachdem der Arbeitskolben 114 seine obere Totpunktposition
erreicht hat, damit der Kompressionskolben 116 seine jeweilige
obere Totpunktposition erreicht. Vorzugsweise beträgt diese
Phasenverschiebung zwischen 30 und 60 Grad. Für diese konkrete bevorzugte
Ausführungsform
ist die Phasenverschiebung im Wesentlichen auf 50 Grad festgelegt.
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7 zeigt
den Arbeitskolben 114, wenn er seine untere BDC-Position
(Bottom Dead Center – unterer
Totpunkt) erreicht und gerade damit begonnen hat, in seinen Auspuffhub
aufzusteigen (angezeigt durch den Pfeil 138). Der Kompressionskolben 116 folgt
dem Arbeitskolben 114 um 50 Grad nach und senkt sich während seines
Ansaughubs ab (Pfeil 140). Das Einlassventil 156 ist
geöffnet,
um zu ermöglichen,
dass ein explosives Gemisch aus Kraftstoff und Luft in die Kompressionskammer 166 gezogen
wird. Das Auspuffventil 154 ist auch geöffnet und ermöglicht dem
Kolben 144, die verbrauchten Verbrennungsprodukte aus der
Verbrennungskammer 168 herauszudrücken.
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Das
Rückschlagventil 146 und
das Tellerventil 150 des Gasdurchgangs 144 sind
geschlossen, um die Übertragung
entzündbaren
Kraftstoffs und verbrauchter Verbrennungsprodukte zwischen den beiden
Kammern 166 und 168 zu verhindern. Zusätzlich dichten
das Einlassrückschlagventil 146 und
das Auslasstellerventil 150 während des Auspuffhubs und während des
Ansaughubs die Druckkammer 148 ab, um den Druck der darin
aus den vorherigen Kompressions- und Arbeitshüben eingeschlossenen Gase im
Wesentlichen aufrechtzuerhalten.
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Unter
Bezug auf 8 hat der Arbeitskolben 114 seine
TDC-Position (Top Dead Center – oberer Totpunkt)
erreicht und ist dabei, sich in seinen Arbeitshub abzusenken (angezeigt
durch den Pfeil 138), während
der Kompressionskolben 116 während seines Kompressionshubs
aufsteigt (angezeigt durch den Pfeil 140). An dieser Stelle
sind das Einlassrückschlagventil 146,
das Auslassventil 150, das Ansaugventil 152 und
das Auspuffventil 154 alle geschlossen.
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Am
TDC weist der Kolben 114 einen Freiabstand 178 zwischen
dem Kopf 118 des Kolbens 114 und der Oberseite
des Zylinders 104 auf. Dieser Freiabstand 178 ist
im Vergleich zum Freiabstand 60 des Standardmotors 10 (am
besten aus 3 ersichtlich) sehr klein. Das
liegt daran, dass der Arbeitshub im Motor 100 einem Niedrigdruckauspuffhub
folgt, während
der Arbeitshub im Standardmotor 10 einem Hochdruckkompressionshub
folgt. Deshalb gibt es im deutlichen Gegensatz zum Standardmotor 10 beim Motor 100 kaum
einen Nachteil durch die Reduzierung des Freiabstands 178,
weil es hier kein Hochdruckgas gibt, das zwischen dem Kopf 118 und
der Oberseite des Zylinders eingeschlossen ist. Außerdem wird
durch die Reduzierung des Freiabstands 178 eine gründlichere
Ausspülung
fast aller Auspuffprodukte erzielt.
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Um
den Punkt des maximalen Drehmoments im Wesentlichen am maximalen
Verbrennungsdruck auszurichten, muss die Kurbelwelle 108 etwa
40 Grad über
ihre obere Totpunktposition hinaus rotiert werden, wenn sich der
Arbeitskolben 114 in seiner optimalen Zündposition befindet. Außerdem gelten ähnliche Überlegungen
auch für
den Kompressionskolben 116, um den Betrag des Drehmoments
und die durch die Kurbelwelle 108 während eines Kompressionshubs
verbrauchte Leistung zu reduzieren. Diese beiden Überlegungen
erfordern, dass die Versätze
an den Kolben-Zylinder-Achsen viel größer sein müssen als alle Versätze beim
bisherigen Stand der Technik, d. h. es müssen Versätze sein, bei denen die Kurbelwelle
um mindestens 20 Grad über
der oberen Totpunktposition eines Kolbens hinaus rotieren muss,
bevor der Kolben eine Zündposition
erreichen kann. Diese Versätze
sind in der Tat so groß, dass
eine gerade Verbindungsstange, welche die Kolben 114 und 116 verbindet,
während
eines Hubs in Konflikt mit dem unteren distalen Ende der Zylinder 104 und 106 kommen
würde.
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Demgemäß muss die
Biegung 121 in der Verbindungsstange 122 zwischen
ihren distalen Enden angeordnet sein und ein solches Ausmaß haben, dass
die Verbindungsstange 122 das untere distale Ende 174 des
Zylinders 104 freigibt, während sich der Arbeitskolben 114 durch
einen gesamten Hub hin- und herbewegt. Außerdem muss die Biegung 123 in
der Verbindungsstange 124 zwischen ihren distalen Enden
angeordnet sein und ein solches Ausmaß haben, dass die Verbindungsstange 124 das
untere distale Ende 176 des Zylinders 106 freigibt,
während
sich der Kompressionskolben 116 durch einen gesamten Hub
hin- und herbewegt.
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Unter
Bezug auf 9 ist die Kurbelwelle 108 um
weitere 40 Grad (angezeigt durch den Pfeil 180) über die
TDC-Position des Arbeitskolbens 114 hinaus rotiert, um
seine Zündposition
zu erreichen, und der Kompressionskolben 116 schließt gerade seinen
Kompressionshub ab. Während
dieser 40 Rotationsgrade erreicht das komprimierte Gas in dem zweiten
Zylinder 116 einen Schwellwertdruck, der das Rückschlagventil 146 zur Öffnung zwingt,
während
der Nocken 162 so zeitgesteuert ist, dass auch das Auslassventil 150 geöffnet wird.
Deshalb wird, wenn der Arbeitskolben 114 sich absenkt und
der Kompressionskolben 116 aufsteigt, eine im Wesentlichen
gleiche Masse an komprimiertem Gas aus der Kompressionskammer 166 des
zweiten Zylinders 106 in die Verbrennungskammer 168 des
ersten Zylinders 104 übertragen.
Wenn der Arbeitskolben 114 seine Zündposition erreicht, schließen das
Rückschlagventil 146 und
das Auslassventil 150, um jegliche weitere Gasübertragung
durch die Druckkammer 148 zu verhindern. Dementsprechend
bleiben die Masse und der Druck des Gases innerhalb der Druckkammer 148 relativ
konstant, bevor die Gasübertragung
erfolgt und auch danach. Anders ausgedrückt: Der Gasdruck innerhalb
der Druckkammer 148 wird für den gesamten Viertaktzyklus
mindestens auf (genau auf oder über)
einem vorbestimmten Zündbedingungsdruck
gehalten, z. B. auf ungefähr 270
psia (18,61 Bar).
-
Bis
zu dem Zeitpunkt, wo sich der Arbeitskolben 114 vom TDC
in seine Zündposition
abgesenkt hat, ist der Freiabstand 178 angewachsen und
gleicht im Wesentlichen dem Freiabstand 60 des Standardmotors 10 (am
besten aus 3 ersichtlich), z. B. 0,571
Zoll (14,50 mm). Außerdem
sind die Zündbedingungen
im Wesentlichen dieselben wie die Zündbedingungen des Standardmotors 10,
die im Allgemeinen sind: 1) ein Kolben mit einem Durchmesser von
4 Zoll (101,6 mm), 2) ein Totraum von 7,181 Kubikzoll (117,70 mm3), 3) ein Druck vor der Zündung von
ungefähr
270 psia (pounds per square inch absolute (18,616 Bar)) und 4) ein
maximaler Verbrennungsdruck nach der Zündung von ungefähr 1200 psia
(82,74 Bar). Darüber
hinaus liegt der Winkel der ersten Kröpfung 130 der Kurbelwelle 108 in
der Position ihres maximalen Drehmoments, z. B. ungefähr 40 Grad
nach dem TDC. Deshalb erfolgt das Timing der Zündkerze 170 in einer
Weise, dass sie so zündet,
dass der maximale Verbrennungsdruck auftritt, wenn der Arbeitskolben 114 im
Wesentlichen seine Position des maximalen Drehmoments erreicht.
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Während der
nächsten
10 Rotationsgrade 142 der Kurbelwelle 108 durchläuft der
Kompressionskolben 116 seine TDC-Position und startet danach
einen weiteren Ansaughub, um den Zyklus von vorne zu beginnen. Der
Kompressionskolben 116 hat ebenfalls einen sehr kleinen
Freiabstand 182 im Vergleich zum Standardmotor 10.
Dies ist möglich,
weil das Rückschlagventil 146 zum Öffnen gezwungen wird,
wenn der Gasdruck in der Kompressionskammer 166 des zweiten
Zylinders 106 den Druck in der Druckkammer 148 erreicht,
um den Durchfluss des Gases zu ermöglichen. Deshalb ist nur sehr
wenig Hochdruckgas am Boden des Arbeitskolbens 116 eingeschlossen,
wenn dieser seine TDC-Position erreicht.
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Das
Kompressionsverhältnis
des Motors 100 kann irgendwo innerhalb des möglichen
Bereichs für SI-
oder CI-Motoren liegen, für
diese exemplarische Ausführungsform
liegt es jedoch im Wesentlichen im Bereich von 6 bis 8,5. Wie oben
definiert wurde, ist das Kompressionsverhältnis das Maximalvolumen einer
vorgegebenen Masse eines Luft-Kraftstoff-Gemischs vor einem Kompressionshub,
dividiert durch das Volumen dieser Masse des Luft-Kraftstoff-Gemischs
am Zündpunkt.
Für den
Motor 100 entspricht das Kompressionsverhältnis im
Wesentlichen dem Verhältnis
des Verdrängungsvolumens
im zweiten Zylinder 106, wenn sich der Kompressionskolben 116 vom
BDC zum TDC bewegt, zum Volumen in dem ersten Zylinder 104,
wenn sich der Arbeitskolben 114 in seiner Zündposition
befindet.
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In
deutlichem Gegensatz zum Standardmotor 10, bei dem der
Kompressionshub und der Arbeitshub immer nacheinander durch denselben
Kolben ausgeführt
werden, wird der Arbeitshub ausschließlich durch den Arbeitskolben 114 ausgeführt, und
der Kompressionshub wird ausschließlich durch den Kompressionskolben 116 ausgeführt. Deshalb kann
der Arbeitskolben 116 so versetzt sein, dass der maximale
Verbrennungsdruck am maximalen Drehmoment ausgerichtet ist, das
auf die Kurbelwelle 108 einwirkt, ohne dass es zu Nachteilen
wegen der Nichtausrichtung beim Kompressionshub kommt. Und umgekehrt
kann der Kompressionskolben 114 so versetzt sein, dass
der maximale Kompressionsdruckdruck am maximalen Drehmoment ausgerichtet ist,
das auf die Kurbelwelle 108 einwirkt, ohne dass es zu Nachteilen
wegen der Nichtausrichtung beim Arbeitshub kommt.
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Unter
Bezug auf 10 kann dieses Konzept weiter
erläutert
werden. Hier ist mit 184 ein Kurvenverlauf der Tangentialkraft
oder des Drehmoments im Verhältnis
zu den Rotationsgraden vom TDC für
den Arbeitskolben 114 für
den Motor 100 dargestellt. Zusätzlich ist mit 186 ein
Kurvenverlauf des Verbrennungsdrucks im Verhältnis zu den Rotationsgraden
vom TDC für
den Arbeitskolben 114 für den
Motor 100 dargestellt. Die Berechnungen für die Kurvenverläufe 184 und 186 basierten
auf dem Motor 100 mit Zündbedingungen,
die im Wesentlichen denen eines Standardmotors glichen. Diese sind:
1) ein Kolben mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm), 2) ein
Totraum von 7,181 Kubikzoll (117,70 mm3),
3) ein Druck vor der Zündung
von ungefähr 270
psia (pounds per square inch absolute (18,616 Bar)), 4) ein maximaler
Verbrennungsdruck nach der Zündung
von ungefähr
1200 psia (82,74 Bar) und 5) eine im Wesentlichen gleiche Drehzahl
der Kurbelwellen 108 und 38 in Umdrehungen pro
Minute. Im deutlichen Gegensatz zu den Kurvenverläufen aus 6 für den Standardmotor 10 nach
dem Stand der Technik ist hier der Punkt des maximalen Verbrennungsdrucks 188 im
Wesentlichen am Punkt des maximalen Drehmoments 190 ausgerichtet.
Diese Ausrichtung des Verbrennungsdrucks 186 am Drehmoment 184 führt zu einem
deutlichen Anstieg des Wirkungsgrads.
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Darüber hinaus
kann auch der Versatz des Kompressionskolbens 116 optimiert
werden, um das maximale Drehmoment, das von der Kurbelwelle 108 an
den Kompressionskolben 116 abgegeben wird, im Wesentlichen
am maximalen Kompressionsdruck des Gases auszurichten. Der Versatz
des Kompressionskolbens 116 reduziert die Menge an Kraft,
die aufgewendet wird, um einen Kompressionshub durchzuführen und
erhöht
weiter den Gesamtwirkungsgrad des Motors 100 im Vergleich
zum Standardmotor 10. Mit den kombinierten Versätzen der Arbeits-
und Kompressionskolben 114 und 116 kann der theoretische
Gesamtwirkungsgrad des Motors 100 um ungefähr 20 bis
40 Prozent gegenüber
dem Standardmotor erhöht
werden.
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Unter
Bezug auf 11 ist eine alternative Ausführungsform
eines geteilten Viertaktmotors mit ungleichen Kröpfungen und ungleichen Kolbendurchmessern
allgemein mit 200 dargestellt. Weil die Kompressions- und
Arbeitshübe
durch separate Kolben 114, 116 ausgeführt werden,
können
verschiedene Verbesserungen vorgenommen werden, um den Wirkungsgrad
jedes Hubs zu optimieren, ohne dass die Nachteile auftreten, die
damit verbunden sind, wenn die Hübe
durch einen einzelnen Kolben ausgeführt werden. Beispielsweise
kann der Kompressionskolbendurchmesser 204 größer gewählt werden als
der Arbeitskolbendurchmesser 202, um den Wirkungsgrad der
Kompression weiter zu erhöhen.
Außerdem
kann der Radius 206 der erste Kröpfung 130 für den Arbeitskolben 114 größer gewählt werden
als der Radius 208 der zweiten Kröpfung 132 für den Kompressionskolben 116,
um das auf die Kurbelwelle 108 einwirkende Gesamtdrehmoment
weiter zu erhöhen.
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Während hier
bevorzugte Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen
und Ersetzungen vorgenommen werden, ohne dabei vom Gedanken und vom
Umfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollte es verständlich sein,
dass die vorliegende Erfindung anhand von Erläuterungen beschrieben wurde,
die nicht als Eingrenzung zu verstehen sind.