EP2247855B1 - Pleuelkolbenkompressor - Google Patents
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- EP2247855B1 EP2247855B1 EP08869604A EP08869604A EP2247855B1 EP 2247855 B1 EP2247855 B1 EP 2247855B1 EP 08869604 A EP08869604 A EP 08869604A EP 08869604 A EP08869604 A EP 08869604A EP 2247855 B1 EP2247855 B1 EP 2247855B1
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Definitions
- the invention relates to a Pleuelkolbenkompressor for admitting, compressing, moving or expanding and expelling a gaseous or liquid medium consisting of a housing having a compression chamber with a constant in the stroke direction of the piston profile and a connecting rod whose piston in its stroke direction complementary to the profile the compression chamber is shaped and transversely to the stroke direction, in which the compression chamber touching area is kugelsegment- or cylinder segment-shaped and the connecting rod fixed to the piston is pivotally connected to a crankshaft and at least one intake passage and at least one exhaust passage, both in the compression chamber are arranged and both are opened and closed by the piston of the connecting rod in the course of its movement and the profile of the compression chamber contains at least one plane which is aligned perpendicular to the direction of rotation of the crankshaft and all the intake channels and all exhaust channels.
- Another weakness is the joint between the connecting rod and the piston, which increases the number of parts to be manufactured and assembled and, like all moving parts, is subject to continuous wear.
- the joint increases the oscillating mass of the piston and thereby increases the load on the crankshaft bearings and deteriorates the concentricity of the engine or the compressor.
- the object of the invention is to develop a connecting-rod piston compressor whose sealing concept is noticeably simplified in comparison to the reciprocating piston engine.
- the invention presents that the piston is divided along its longitudinal axis and between the two parts a resilient layer is introduced.
- An advantage of the connecting rod piston principle is that the piston part of the connecting rod piston in the region in which the compression chamber is in the manner of a cylinder segment, thereby always resting on the cylinder wall such that the cylinder wall forms a tangent to the cylinder segment of the piston.
- an absolutely inelastic piston and an absolutely inelastic cylinder wall only touch one another, which in practice, however, widens into a surface due to the ever-present elasticity of the material.
- the key feature of the mark is that, to enhance the sealing effect, the piston is split longitudinally and a spring-elastic layer is introduced between the two parts. This layer presses the parts of the piston against the wall of the compression chamber and can thus also compensate for thermally induced changes in the piston dimensions relative to the cross section of the compression chamber.
- the invention does not describe how the necessary for operation as a two-stroke engine or for operation as a compressor outlets and inlets could be sealed with such a spherical segment-shaped piston.
- the invention has set itself the task of developing a piston-rod compressor, which has a simple as possible compression space in which a likewise simple as possible designed connecting rod moves to the cylinder wall and towards the outlet and inlet openings out as large as possible Contact surface has.
- the profile of the compression chamber contains at least one plane which is oriented perpendicular to the direction of rotation of the crankshaft and which contains all the intake ports and all the exhaust ports.
- the cylinder of the invention has a plane in which all intake ports and all exhaust ports are arranged and which is swept by a flat surface of the piston and thus reliably sealed.
- the key advantage of the relatively large surfaces between the piston and cylinder is that in the area of the intake and exhaust ducts of the piston overlaps these openings over a large area, so z. B. also occurs in the thermally highly loaded exhaust duct of a two-stroke engine wear only at the edge of the exhaust duct to the cylinder, but not on a thin, running around the piston seal.
- the piston part of the connecting rod rests on the cylinder wall in the other regions in which it is designed transversely to the stroke direction in the region in contact with the compression chamber, so that the cylinder wall forms a tangent to the cylinder segment of the piston.
- an absolutely inelastic piston and an absolutely inelastic cylinder wall only touch one another, which in practice, however, widens into a surface due to the ever-present elasticity of the material.
- this increased sealing effect is further enhanced by the fact that collect in the two crescent-shaped gaps between the cylinder segment-shaped piston and the flat cylinder wall by capillary action, a lubricant and / or combustion residues and / or particles of the medium to be conveyed or by capillary action be held so that the actual sealing effect in practice is even higher than theoretically expected.
- the piston outside the flat surface which sweeps over the intake and exhaust ducts, designed spherical segment.
- This is not only a segment of a single ball to understand, but - depending on the profile of the compression chamber also a plurality of spherical segments adjacent to each other perpendicular to the crankshaft planes.
- the profile of the piston thus consists of a single straight line, which connects with its two ends to an arbitrarily curved line.
- intake and exhaust ducts are arranged in a common plane and the profile of the piston is exactly complementary to the profile of the compression chamber, so that a sufficient seal is always ensured.
- the profile of the piston consists of two opposing planes that are parallel to each other. The edges of these two planes are then connected to each other by two surfaces, which in principle can be freely curved.
- intake duct and exhaust duct are arranged on respectively opposite surfaces, which improves the gas exchange during engine operation.
- the profile of the piston is a rectangle.
- the compression chamber of the contacting area of the piston is no longer spherical segment-shaped, ie, for example, barrel-shaped or spherical, designed, but shaped as a cylindrical segment. This form is particularly easy to manufacture and bring with much less effort in the required for a sufficient sealing effect narrow tolerance limit.
- a further advantage is that, as an additional variant, a seal can be introduced between the piston and the compression chamber and / or, as a further variant, the two surfaces oriented perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft can also be equipped with an additional seal.
- These gaskets can be applied not only as a plate-shaped material but also as a coating.
- the piston itself can be equipped with seals that are common in the prior art for reciprocating engines. These include one or more sealing strips, which are oriented transversely to the direction of movement.
- the piston is split in the longitudinal direction to enhance the sealing effect, and a spring-elastic layer is introduced between the two parts.
- This layer presses the parts of the piston against the wall of the compression chamber and can thus also compensate for thermally induced changes in the piston dimensions relative to the cross section of the compression chamber.
- the interior of a connecting rod piston compressor according to the invention consists of the compression chamber and the adjacent thereto Crankcase.
- the production of this shape is particularly simple when the housing around a connecting rod piston consists of two housing parts whose contact surface is oriented perpendicular to the axis of rotation of the crankshaft. Then the mold for a casting and the post-processing of these castings in a single clamping z. B. done on a three-axis CNC processing machine.
- both housing halves are identical, so can be created with only one change from a common mold or worked out of identical blanks.
- the housing of a connecting rod piston compressor When used as a compressor also creates heat loss, as when used as a combustion engine.
- the housing of a connecting rod piston compressor according to the invention can either have cooling fins for air cooling and / or channels for water cooling.
- intake passage and the exhaust passage can be extended by appropriate continuations in the piston, which are activated when the piston reaches the respective channel.
- the intake passage in the passage flange is then extended through the piston intake passage in the connecting rod piston and the exhaust passage in the side flange through the piston exhaust passage in the connecting rod piston.
- Another channel which can be introduced as an additional option in the piston, when used as a two-stroke engine with an overflow channel and an adjoining inlet channel in the housing of the engine as a connection between the crank chamber and the compression chamber, a so-called piston inlet passage in the connecting rod, the - at Activation is opposite the inlet duct.
- connecting-rod pistons can be combined to form a multi-piston unit.
- Each connecting rod each has its own compression chamber and a separate crankcase and is connected to the crank pin of a common crankshaft.
- crankshaft with its numerous, compared to the axis of rotation cranked crank pin by a straight main shaft replaced, are arranged on the gears, each meshing with another gear, which is integrated in a separate crankshaft for each connecting rod. It makes sense to integrate at least one crank arm of this small crankshaft, which is provided separately for each individual connecting rod piston, into a toothed wheel.
- the advantage of this arrangement is that the elaborate production of the connecting rod is eliminated. They are replaced by gears.
- connecting rod piston compressor As already mentioned several times, a very interesting use of the connecting rod piston compressor according to the invention is the operation as a two-stroke engine.
- a typical feature of any two-stroke operation is that the aspiration of fresh gas in the crankcase occurs simultaneously with the compression of pre-compressed and pre-compressed gas in the compression chamber.
- a so-called overflow channel is required for forwarding the pre-compressed fresh gas from the crank chamber into the compression chamber.
- This overflow can z. B. be realized by a bore in a housing part, which is closed by a plug to the outside again. At one end of the overflow then another hole is introduced, which establishes the connection to the compression chamber as Flanscheinlasskanal. In the vicinity of the sealing plug, at least one further bore connects to the overflow channel, which connects the overflow channel with the crank chamber as a connecting channel. Through these two additional holes - the Flanscheinlasskanal and the connecting channel - the overflow is extended to a U-shaped cavity, which connects the crank chamber with the compression chamber.
- a connecting rod piston compressor according to the invention is in principle ready for use as a two-stroke engine: A fuel-air mixture is introduced via the intake passage and precompressed in the crankcase. It flows into the compression chamber via the connection channels, the overflow channel and the flange outlet channel, where it is further compressed during the upward movement of the piston and ignited approximately at the top dead center of the piston. With the downward movement of the piston, the remaining exhaust gas is expelled.
- operation in the four-stroke process is also possible. And that is when a single piston connecting rod via a gear on its own crankshaft meshes with another gear to output the torque. If a disc is arranged on this further toothed wheel, within which runs a channel which is connected at the moment of the intake of fuel-air mixture with the intake passage within the passage flange, then the intake passage sucks a fuel-air passage only every second revolution. Mixture. In the intervening revolutions of the oscillating piston sucks no fuel-air mixture but pure fresh air.
- the medium When such a previously described engine operates on the Otto principle, the medium must be ignited by a spark plug. When operating as an engine according to the diesel principle, the medium ignites itself from reaching a minimum compression itself.
- an inventive motor is suitable because the profile of its compression space, in contrast to many other oscillating piston engines over the stroke is constant , Then the motor may be e.g. work in partial-load operation with auto-ignition over the entire volume and thus more efficient combustion. Only at very low and extremely high load, the compression is reduced and ignited the mixture through a spark plug.
- multi-cylinder engines When designed as an internal combustion engine multi-cylinder engines can be constructed, which can be configured as a series engine, V-engine, boxer engine, radial engine, W-motor or H-motor. It is a particular, principal advantage of the invention that each compression chamber in the longitudinal direction of the crankshaft relatively narrow and transverse to the crankshaft can be made relatively wide, so that a Center for the crankshaft can be made relatively wide, so that a Center for the crankshaft can be made relatively wide, so that a Centerless crankshaft, or H-motor. It is a particular, principal advantage of the invention that each compression chamber in the longitudinal direction of the crankshaft relatively narrow and transverse to the crankshaft can be made relatively wide, so that a Lazylindriger engine builds much shorter than is possible for the usual, circular piston , As a result, a significant gain in uniformity and harmonic freedom of the torque output is achieved.
- the two-stroke diesel engine is the engine principle with the highest efficiency at relatively low speeds and relatively large engine capacities.
- efficiencies of up to 55% are achieved in this configuration, outclassing fast-running four-stroke turbodiesel with an efficiency of at best approximately 40%.
- the connecting rod piston compressor according to the invention is the operation as a steam engine or compressed air motor.
- the admitted medium is a pressurized gas.
- the piston opens the intake passage and closes the exhaust passage, maintaining this configuration as it approaches the crankshaft until just before reaching bottom dead center.
- the penetrating gas drives the piston down.
- the piston closes the intake passage and opens the exhaust passage, maintaining this configuration as it moves back to top dead center.
- the piston closes the intake passage and opens the exhaust passage, maintaining this configuration as it moves back to top dead center.
- FIGS. 1 to 6 is shown as an embodiment of an open rod piston engine whose housing 9 consists of two parts whose contact surface is perpendicular to the crankshaft 11. The one housing part is removed and gives the view of the contact surface of the remaining housing part, the side flange 16 free. In the side flange 16 of the crank chamber 18 and the adjoining compression chamber 19 are embedded. Because their side walls perpendicular to the in the Figures 1-6 are visible, arranged approximately keyhole-shaped base, they are in the Figures 1-6 only visible as a line.
- FIGS. 1 to 6 Dashed is in the FIGS. 1 to 6
- the piston exhaust duct 4 located, which is embedded in the non-visible surface of the connecting rod 8.
- the exhaust passage 5 in the side flange 16 dashed is the exhaust passage 5 in the side flange 16, because it is covered by the connecting rod 8 - and thereby also closed, with the exception of in FIG. 2 shown position of the connecting rod 8 in the piston exhaust passage 4th is connected to the exhaust passage 5, so that the exhaust gases can escape from the compression chamber 19.
- the - in its side view about pear-shaped - connecting rod 8 is pivotally connected with its connecting rod with the crank pin 10 of the crankshaft 11, which is mounted in the center of the circular crank chamber 18.
- crank pin 10 is the only element in the FIGS. 1 to 6 drafts cut and therefore hatched.
- the short pin 10 connects the connecting rod 8 with the other - not visible in this section plane - part of the crankshaft eleventh
- the geomembranes 12 and 13 are located on the - in the Figures 1-6 invisible - face of the piston slides. Also on the lateral plane of the piston additional seals 17 are located. In the simplest variant of a connecting rod compressor, however, the sealing sheets 12 and 13 and the seal 17 are not required.
- FIG. 7 shows a section across the contact surface of the two parts of the housing 9, with the Figures 1-6 corresponds. With these FIGS. 1 to 6 Various, characteristic positions of the connecting rod 8 will be explained.
- FIG. 1 the connecting rod 8 is shown in its position at top dead center. Good to see that the compression chamber 19 has shrunk to its minimum volume between the connecting rod 8 and the motor housing 9.
- the connecting rod piston at top dead center ignited to its maximum value in the combustion chamber 19 ignitable mixture - the diesel process by self-ignition at very high compression, the Otto process by a - not shown here - spark plug.
- FIG. 1 is very nicely illustrated that the connecting rod piston in this position with its side surface the exhaust passage 5 and the intake passage 7 closes. So it neither enters new mixture, nor is something lost from the compressed mixture.
- the exhaust passage 5 in the side flange 16 is covered by the connecting rod 8 and thereby shut off. Since it is arranged in an invisible plane, it is shown in dashed lines.
- the intake channel 7, which is arranged in the - actually drafts dismantled - channel flange 15 and thus also is arranged in a plane which in FIG. 1 is not visible.
- FIG. 2 has expanded the fuel-air mixture after its ignition and pushed the connecting rod 8 so far down that he has opened the exhaust passage 5 via the piston exhaust passage 4 in the connecting rod 8 and extended into the compression chamber 19 into it.
- the piston exhaust passage 4 located in the connecting rod 8 extends parallel to the plane of the drawing, the exhaust passage 5 perpendicular to it in the side flange 16, a part of the housing 9, into it.
- the engine principle according to the invention thus provides, in contrast to hitherto known two-stroke engines with slot control, a significantly better separation of fresh gas and exhaust gases, as a result of which a serious disadvantage is virtually eliminated.
- FIG. 3 has the crankshaft 11 opposite FIG. 2 rotated a little further, so that the connecting rod 8 connects between the crank chamber 18 and the combustion chamber 19 produces.
- This connection is made via two connection channels 2, which are in FIG. 3 from the crank chamber 18 out approximately perpendicular to the viewer to run into the overflow 14, which runs parallel to the image plane in - graphically removed - channel flange 15, which is why these elements are shown in dashed lines.
- the already pre-compressed air-fuel mixture in the crank chamber 18 flows into the combustion chamber 19 at the upper end of the overflow channel 14 through the inlet channel 1 and the piston inlet channel 3 in the connecting-rod piston.
- the inlet channel 1 is just like the connecting channels 2 aligned perpendicular to the viewer and therefore in the Figures 1-6 only recognizable as a dashed circle.
- FIG. 3 shown part of the two-stroke process "fill combustion chamber with air fuel mixture” has already begun earlier.
- a characteristic feature of a two-stroke engine is that always two processes from “intake - compression - ignition - ejection” take place in the engine, which fundamentally differs from the four-stroke process.
- FIG. 4 has faced the connecting rod FIG. 3 moved so far that the exhaust passage 5 and the intake passage 7 is closed as well as the connection between the overflow channel 14, the inlet channel 1 connected thereto and the connected thereto Kolbenanlasskanal 3 to the combustion chamber 19th
- FIG. 4 So shows a position of the connecting rod 8, in which he closes all channels.
- FIG. 5 this has happened in the piston position FIG. 3 already precompressed and discharged via the overflow 14 in the compression space air fuel mixture for the most part removed from the crank chamber 18.
- the connecting rod 8 via its Kolbenansaugkanal 6 connects to the intake passage 7 ago.
- the intake duct 7 extends in the drawing - dismantled - channel flange 15 perpendicular to the viewer and in the plane parallel to the plane extending Kolbenansaugkanal 6 inside. About these two channels, the crank chamber 18 is filled with fresh air fuel mixture.
- FIG. 6 shows as well as the FIG. 4 a position of the connecting rod 8, in which it shuts off all switching openings.
- FIG. 7 corresponds to the Figures 1-6 with different positions of the connecting rod 8 in the same engine and shows the section through the motor housing in the two different sectional planes AA parallel to the crankshaft 11 and AB through the crankshaft eleventh
- the housing 9 consists of two parts, the channel flange 15 on the left side and the side flange 16 on the right side.
- the side flange 16 includes the exhaust passage 5 and the channel flange 15, the intake passage 7.
- As a further channel connection of the overflow channel 14 is installed in the channel flange 15. It is connected by two connecting channels 2 with the crank chamber 18 and through the inlet channel 1 with the compression chamber 19th
- the sectional area AA of the left half of the picture and the sectional plane AB are in FIG. 1 entered.
- the sectional area AA runs in the lower part through the overflow 14 through and kinks in the upper part and is then identical to the sectional plane AB of the right half of FIG. 1 ,
- the sectional plane AB extends on the axis of symmetry of the compression chamber 19 and the crank chamber 18 through the crankshaft 11.
- the kinked cut surface AA of the left half of the picture cuts the connecting rod 8, the crank chamber 18 and the disk-shaped parts of the crankshaft 11 on a different cutting line than in the right half of the picture, which explains the difference between the two halves of the picture: in the right half of FIG. 7 the cutting plane passes through the center of the disc, which connects the crankshaft 11 with the pin 10. Therefore, the section through this disc is a much larger rectangle than in the left half of the picture in section AA, which only cuts the same size, second disc on the crankshaft 11 outside its center.
- FIG. 8 In FIG. 8 are two connecting rods 8 each shown without cylinders in their basic arrangement as a V-engine. The axes of rotation of their own, small crankshaft 11 point to the viewer. Two connecting rod 8 or two rows of connecting rod 8 are arranged at an angle V to each other.
- a first gearwheel 23 is arranged for each connecting-rod piston 8, each with a second gearwheel 22 on the main shaft 21 meshes.
- the main shaft 21 collects the torques generated in the individual connecting rod 8 and performs them together. A through the entire engine through going, expensive community crankshaft is spared. Instead, numerous gears are used.
- FIG. 8 is a gear ratio between the small gears 23 on the respective own crankshaft 11 of each connecting rod 8 and the large gears 22 on the main shaft 21 of 1: 2 located.
- - in FIG. 8 not shown - channels in the large gear 22 only at every other revolution with a corresponding opening in the crank chamber of each connecting rod 8 in connection. This can be achieved, for example, that only every second revolution of the crankshafts 11 ignitable fuel-air mixture reaches each connecting rod 8.
- Such a work rhythm corresponds to a four-stroke engine. It is advantageous after ejecting the exhaust, the good flushing of each compression chamber with fresh air. As a result, considerable advantages are achieved in the exhaust gas purification.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Pleuelkolbenkompressor zum Einlassen, Verdichten, Bewegen oder Expandieren und Ausstoßen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Kompressionskammer mit einem in Hubrichtung des Kolbens konstantem Profil und einem Pleuelkolben, dessen Kolben in seiner Hubrichtung komplementär zum Profil der Kompressionskammer geformt ist und quer zur Hubrichtung, in dem die Kompressionskammer berührenden Bereich kugelsegment- oder zylindersegmentförmig ist und der fest mit dem Kolben verbundene Pleuel gelenkig mit einer Kurbelwelle verbunden ist und wenigstens je einem Ansaugkanal und wenigstens je einem Auspuffkanal, die beide in der Kompressionskammer angeordnet sind und beide durch den Kolben des Pleuelkolbens im Laufe seiner Bewegung geöffnet und geschlossen werden und das Profil der Kompressionskammer wenigstens eine Ebene enthält, die senkrecht zur Drehrichtung der Kurbelwelle ausgerichtet ist und die alle Ansaugkanäle und alle Auspuffkanäle enthält.
- Linear bewegte und kontinuierlich reversierende Kolben, die über einen Pleuel mit dem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle verbunden sind, sind seit der Einführung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert eine weithin bekannte Anordnung im Maschinenbau. Auf aktuellem Stand der Technik werden sie in Kompressoren, Pumpen und Verbrennungsmotoren millionenfach eingesetzt. Dabei ist in fast allen Fällen der Kolben mit dem Pleuel gelenkig verbunden und nur durch den ihn umhüllenden Zylinder geführt, dessen Längsachse senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist.
- Ein Nachteil dieser Anordnung sind die erheblichen, auf die Zylinderwände wirkenden Querkräfte, die für erhöhten Verschleiß des Kolbens, seiner Dichtung und/oder des Zylinders sorgen.
- Ein weiterer Schwachpunkt ist das Gelenk zwischen dem Pleuel und dem Kolben, das die Anzahl der zu fertigenden und zu montierenden Teile erhöht und - wie alle bewegten Teile - einem kontinuierlichen Verschleiß unterliegt. Das Gelenk erhöht die oszillierende Masse des Kolbens und erhöht dadurch die Belastung der Kurbelwellenlager und verschlechtert die Rundlaufgüte des Motors bzw. des Kompressors.
- Auf aktuellem Stand der Technik ist es bekannt, anstelle einer gelenkigen Verbindung Kolben und Pleuel zu einem starren Element zusammenzufassen. Diese Konfiguration wird zumeist als Pendelkolben bezeichnet, da der Kolben sich nicht nur linear auf der Längsachse des Zylinders bewegt, sondern zusätzlich auch noch gegenüber dieser Längsachse Pendelbewegungen ausführt. Eine noch treffendere Bezeichnung ist Pleuelkolben, da dieser Begriff die Verbindung von Pleuel und Kolben wiedergibt.
- Damit wird das Gelenk im Kolben erfolgreich eliminiert, und als neue Aufgabe eingehandelt, dass die für Hubkolbenmotoren üblichen Dichtungen nicht mehr in gleicher Form verwendbar sind, da sich in den nichtebenen Bereichen des Pendelkolbens der Abstand eines bestimmten Punktes auf der Oberfläche des Pleuelkolbens vom Hubraum in horizontaler Richtung laufend ändert.
- Auf aktuellem Stand der Technik beschreibt das Patent
US 4 610 606, Preston C. Hazard einen Kompressor mit Pleuelkolben, der in einer Ebene, die senkrecht zur Drehrichtung der Kurbelwelle ausgerichtet ist, alle Ansaugkanäle und alle Auspuffkanäle enthält. Als Dichtung außerhalb des ebenen Bereiches ist ein balkenförmiges Dichtungselement in einen Schlitz eingeschoben, der in den Mittelpunkt des zylindrischen Bereiches des Pleuelkolbens weist. - Auf aktuellem Stand der Technik sind derartige Dichtungen für Hubkolbenmotoren der übliche Stand der Technik. Die Dichtung kann sich gegenüber dem Kolben innerhalb des Schlitzes in radialer Richtung bewegen, wodurch thermisch oder durch Verschleiß bedingte Abweichungen von der geometrisch idealen Form ausgeglichen werden. Eine Bewegung in dieser Richtung ist jedoch nur unregelmäßig und dann auch nur mit meist geringem Hub erforderlich.
- Bei einem Pendelkolbenmotor müssen sich jedoch Dichtleisten nach diesem Prinzip grundsätzlich bei jedem Hub in ihrem Schlitz hin und her bewegen und das auch mit einem erheblich größeren Hub. Die Belastung der Dichtung ist also prinzipbedingt erheblich größer, so dass bei einem Kompressor oder einem Motor gemäß
US 4 610 606 ein deutlich höherer Verschleiß der Dichtungen zu erwarten ist. - Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit eines Pendelkolbenkompressors nach dem Prinzip der
US 4 610 606 im Vergleich zu einem Hubkolbenkompressor sogar insgesamt in Frage gestellt, da bei Hubkolbenkompressoren auf aktuellem Stand der Technik Kolben und Pleuel im Normalfall durchaus befriedigende Lebensdauern erreichen. - Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Pleuelkolbenkompressor zu entwickeln, dessen Dichtungskonzept gegenĂĽber dem Hubkolbenmotor spĂĽrbar vereinfacht ist.
- Als Lösung präsentiert die Erfindung, dass der Kolben entlang seiner Längsachse geteilt ist und zwischen die beiden Teile eine federelastische Schicht eingebracht ist.
- Ein Vorteil des Pleuelkolbenprinzips ist, dass der Kolbenteil des Pleuelkolbens in dem die Kompressionskammer berührende Bereich zylindersegmentförmig gestaltet ist, und dadurch stets so auf der Zylinderwandung aufliegt, dass die Zylinderwand eine Tangente zum Zylindersegment des Kolbens bildet. Zwar berühren sich in der Theorie ein absolut unelastischer Kolben und eine absolut unelastische Zylinderwand nur auf einer Linie, die sich jedoch in der Praxis durch die stets vorhandene Elastizität des Materials zu einer Fläche erweitert.
- In der Praxis wird dadurch eine Dichtungswirkung erreicht. Sie wird noch dadurch verstärkt, dass sich in den beiden sichelförmigen Spalten zwischen dem Zylindersegmentförmigen Kolben und der ebenen Zylinderwand durch Kapillarwirkung ein Schmiermittel und/oder Verbrennungsrückstände und/oder Partikel des zu fördernden oder des zu komprimierenden Mediums sammeln und durch Kapillarwirkung gehalten werden, sodass die tatsächliche Dichtungswirkung in der Praxis noch höher ist, als dies theoretisch zu erwarten wäre.
- Das entscheidende Merkmal des Kennzeichens ist, dass zur Verstärkung der Dichtungswirkung der Kolben in Längsrichtung geteilt wird und zwischen beide Teile eine Federelastische Schicht eingebracht wird. Diese Schicht presst die Teile des Kolbens an die Wandung der Kompressionskammer und kann damit auch thermisch bedingte Änderungen der Kolbenabmessungen gegenüber dem Querschnitt der Kompressionskammer kompensieren.
- Die Erfindung beschreibt jedoch nicht, wie die für den Betrieb als Zweitaktmotor oder für den Betrieb als Kompressor erforderlichen Aus- und Einlässe mit einem solchen, kugelsegmentförmigen Kolben abgedichtet werden könnten.
- Die Offenlegungsschrift
DE 2 211 848, Willy Salzmann, Priorität 11.03.1971 , beschreibt einen Zylinder mit einer gekrümmten Innenfläche, bei dem ein ebenes Teil des Kolbens die Steuerung der Aus- und Einlässe für den Betrieb als Zweitaktmotor übernimmt. Der wesentliche Nachteil ist die komplexe Form des Zylinders, die "der Hüllfläche der Pendelbewegung des Kolbenrandes" zu entsprechen hat. - Ein weiterer Nachteil ist, dass sich der Kolben nur mit einer einzigen, dünnen, umlaufenden Dichtung auf der Innenfläche des Zylinders abstützt. Deshalb ist auch bei dieser Konstruktion die Dichtung insbesondere im Bereich des Auslasses der heißen Motorabgase im Verbrennungstrieb sehr stark belastet.
- Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Pleuelkolbenkompressor zu entwickeln, der einen möglichst einfach geformten Kompressionsraum aufweist, in dem sich ein ebenfalls möglichst einfach gestalteter Pleuelkolben bewegt, der zur Zylinderwand hin sowie zu den Auslass- und Einlassöffnungen hin eine möglichst große Kontaktfläche aufweist.
- Als Lösung präsentiert die Erfindung, dass das Profil der Kompressionskammer wenigstens eine Ebene enthält, die senkrecht zur Drehrichtung der Kurbelwelle ausgerichtet ist und die alle Ansaugkanäle und alle Auspuffkanäle enthält.
- Im Gegensatz zu dem nächstliegenden Stand der Technik, dem Patent
FR 1 133 388 - Der entscheidende Vorteil der relativ großen Flächen zwischen Kolben und Zylinder ist, dass im Bereich der Ansaug- und Auspuffkanäle der Kolben diese Öffnungen großflächig überlappt, sodass z. B. auch bei dem thermisch hoch belasteten Auspuffkanal eines Zweitaktmotors ein Verschleiß nur an der Kante vom Auspuffkanal zum Zylinder auftritt, nicht aber an einer dünnen, um den Kolben herum laufenden Dichtung.
- Ebenso vorteilhaft ist, dass der Kolbenteil des Pleuelkolbens in den übrigen Bereichen, in denen er quer zur Hubrichtung in dem die Kompressionskammer berührenden Bereich, zylindersegmentförmig gestaltet ist, so auf der Zylinderwandung aufliegt, dass die Zylinderwand eine Tangente zum Zylindersegment des Kolbens bildet. Zwar berühren sich in der Theorie ein absolut unelastischer Kolben und eine absolut unelastische Zylinderwand nur auf einer Linie, die sich jedoch in der Praxis durch die stets vorhandene Elastizität des Materials zu einer Fläche erweitert.
- In der Praxis wird diese erhöhte Dichtungswirkung noch dadurch verstärkt, dass sich in den beiden sichelförmigen Spalten zwischen dem Zylindersegmentförmigen Kolben und der ebenen Zylinderwand durch Kapillarwirkung ein Schmiermittel und/oder Verbrennungsrückstände und/oder Partikel des zu fördernden oder des zu komprimierenden Mediums sammeln und durch Kapillarwirkung gehalten werden, sodass die tatsächliche Dichtungswirkung in der Praxis noch höher ist, als dies theoretisch zu erwarten wäre.
- Im allgemeinsten Fall ist der Kolben außerhalb der ebenen Fläche, die die Ansaug- und Auspuffkanäle überstreicht, kugelsegmentförmig gestaltet. Darunter ist nicht nur ein Segment einer einzigen Kugel zu verstehen, sondern - je nach dem Profil der Kompressionskammerauch mehrere Kugelsegmente, die auf senkrecht zur Kurbelwelle verlaufenden Ebenen aneinander grenzen. In diesem, allgemeinsten Fall besteht das Profil des Kolbens also aus einer einzigen Geraden, die sich mit ihren beiden Enden an eine beliebig gekrümmte Linie anschließt.
- In jedem Fall sind Ansaug- und Auspuffkanäle in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und das Profil des Kolbens verläuft exakt komplementär zum Profil der Kompressionskammer, so dass stets eine ausreichende Dichtung gewährleistet ist.
- In einer Ausführungsvariante besteht das Profil des Kolbens aus zwei einander gegenüberliegenden Ebenen, die parallel zueinander sind. Die Kanten dieser beiden Ebenen sind dann durch jeweils zwei Flächen miteinander verbunden, die im Prinzip frei gekrümmt sein können. Der Vorteil dieser Variante ist, dass Ansaugkanal und Auspuffkanal auf jeweils einander gegenüberliegenden Flächen angeordnet sind, was bei einem Motorbetrieb den Gaswechsel verbessert.
- In einer noch weiter eingegrenzten Ausführungsvariante ist das Profil des Kolbens ein Rechteck. Dann ist der die Kompressionskammer berührende Bereich des Kolbens nicht mehr kugelsegmentförmig, also z.B. tonnensegmentförmig oder ballig, gestaltet, sondern als Zylindersegment geformt. Diese Form ist besonders einfach zu fertigen und mit sehr viel geringerem Aufwand in die für eine ausreichende Dichtwirkung erforderliche enge Toleranzgrenze zu bringen.
- Ein weiterer Vorteil ist, dass als zusätzliche Variante, zwischen Kolben und Kompressionskammer eine Dichtung eingebracht werden kann und/oder -als weitere Variante - auch die beiden senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle ausgerichteten Flächen mit einer zusätzlichen Dichtung bestückt werden können. Diese Dichtungen können nicht nur als ein plattenförmiges Material sondern auch als eine Beschichtung aufgetragen werden.
- Als weitere, alternative Ausführungsform kann der Kolben selbst mit Dichtungen ausgestattet werden, die gemäß dem bisherigen Stand der Technik für Hubkolbenmotoren üblich sind. Dazu zählen auch eine oder mehrere Dichtleisten, die quer zur Bewegungsrichtung orientiert sind.
- Wenn diese Dichtungselemente lösbar befestigt sind - so wie von bisher üblichen Verbrennungsmotoren bekannt - kann die Dichtung mit begrenztem Aufwand ausgewechselt werden.
- Erfindungsgemäß ist zur Verstärkung der Dichtungswirkung, der Kolben in Längsrichtung geteilt, und ist zwischen beide Teile eine Federelastische Schicht eingebracht. Diese Schicht presst die Teile des Kolbens an die Wandung der Kompressionskammer und kann damit auch thermisch bedingte Änderungen der Kolbenabmessungen gegenüber dem Querschnitt der Kompressionskammer kompensieren.
- Der Innenraum eines erfindungsgemäßen Pleuelkolbenkompressors besteht aus der Kompressionskammer und dem daran angrenzenden Kurbelraum. Die Herstellung dieser Form ist besonders dann sehr einfach, wenn das Gehäuse um einen Pleuelkolben herum aus zwei Gehäuseteilen besteht, deren Berührungsfläche senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist. Dann kann die Form für ein Gussteil und die Nachbearbeitung dieser Gussteile in einer einzigen Aufspannung z. B. auf einer dreiachsigen CNC-Bearbeitungsmaschine erfolgen.
- Diese beiden Gehäuseteile können in Bezug auf die Kompressionskammer, den Kurbelraum, das Lager der Kurbeiwelle und die Verbindung der beiden Hälften untereinander sogar identisch ausgeführt werden. Ein prinzipieller Unterschied zwischen den beiden Gehäusehälften ist jedoch stets der Auspuffkanal und der Ansaugkanal, da deren Positionierung auf der Ebene durch die Forderung nach Öffnen und Schließen bei bestimmten Winkelstellungen der Kurbelwelle vorgegeben sind.
- In einer besonders vorteilhaften Variante enthält das eine Gehäuseteil - Seitenflansch genannt - den Auspuffkanal und das andere Gehäuseteil - Kanalflansch genannt - den Ansaugkanal enthält. Ansonsten sind beide Gehäusehälften identisch, können also mit nur einer Änderung aus einer gemeinsamen Gussform erstellt oder aus identischen Rohlingen herausgearbeitet werden.
- Bei der Nutzung als Kompressor entsteht ebenso Verlustwärme, wie bei der Nutzung als Verbrennungsmotor. Zur Abführung dieser thermischen Energie kann das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Pleuelkolbenkompressors entweder Kühlrippen für eine Luftkühlung und/oder Kanäle für eine Wasserkühlung aufweisen.
- In einer weiteren Variante können der Ansaugkanal und der Auspuffkanal noch durch entsprechende Fortführungen im Kolben verlängert werden, die dann aktiviert werden, wenn der Kolben den jeweiligen Kanal erreicht. Der Ansaugkanal im Kanalflansch wird dann durch den Kolbenansaugkanal im Pleuelkolben verlängert und der Auspuffkanal im Seitenflansch durch den Kolbenauspuffkanal im Pleuelkolben. Diese zusätzlichen Kanalführungen im Kolben haben den Vorteil, dass bei der Nutzung als Verbrennungsmotor die Gasströme gezielt in den Kompressionsraum hinein gerichtet oder gezielt aus bestimmten Bereichen des Kompressionsraumes vorrangig abgeführt werden können.
- Ein weiterer Kanal, der als zusätzliche Option in den Kolben eingebracht werden kann, ist bei der Nutzung als Zweitaktmotor mit einem Überströmkanal und einem daran anschließenden Einlasskanal im Gehäuse des Motors als Verbindung zwischen Kurbelraum und Kompressionskammer, ein so genannter Kolbeneinlasskanal im Pleuelkolben, der - bei Aktivierung -gegenüber dem Einlasskanal steht.
- Sowohl für die Nutzung als Motor wie auch für die Nutzung als Kompressor können mehrere Pleuelkolben zu einer Mehrkolbeneinheit kombiniert werden. In Analogie zu bisher bekannten Kompressoren und Verbrennungsmotoren weist z.B. jeder Pleuelkolben jeweils eine eigene Kompressionskammer und einen eigenen Kurbelraum auf und ist mit den Kurbelzapfen einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden.
- In einer anderen Variante wird die aufwändig und teuer zu fertigende Kurbelwelle mit ihren zahlreichen, gegenüber der Drehachse verkröpften Kurbelzapfen durch eine gerade durchgehende Hauptwelle ersetzt, auf der Zahnräder angeordnet sind, die jeweils mit einem anderen Zahnrad kämmen, das in eine für jeden Pleuelkolben eigene Kurbelwelle integriert ist. Sinnvollerweise wird wenigstens ein Kurbelarm dieser kleinen, für jeden einzelnen Pleuelkolben separat vorgesehenen Kurbelwelle in ein Zahnrad integriert. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die aufwändige Fertigung der Pleuel entfällt. Sie werden durch Zahnräder ersetzt.
- Wie bereits mehrfach erwähnt, ist eine sehr interessante Nutzung des erfindungsgemäßen Pleuelkolbenkompressors der Betrieb als Zweitaktmotor. Ein typisches Merkmal jedes Zweitaktbetriebes ist, dass das Ansaugen von Frischgas im Kurbelraum gleichzeitig mit dem Verdichten vom im Takt zuvor angesaugtem und Vorverdichtetem Gas in der Kompressionskammer abläuft.
- Zur Weiterleitung des vorverdichteten Frischgases aus dem Kurbelraum in die Kompressionskammer ist ein sogenannter Überströmkanal erforderlich. Dieser Überströmkanal kann z. B. durch eine Bohrung in einem Gehäuseteil realisiert werden, die durch einen Stopfen nach außen hin wieder verschlossen wird. Am einen Ende des Überströmkanals wird dann eine weitere Bohrung eingebracht, die als Flanscheinlasskanal die Verbindung zur Kompressionskammer herstellt. In der Nähe des Verschlussstopfens schließt sich an den Überströmkanal wenigstens eine weitere Bohrung an, die als Verbindungskanal den Überströmkanal mit dem Kurbelraum verbindet. Durch diese beiden zusätzlichen Bohrungen - den Flanscheinlasskanal und den Verbindungskanal - wird der Überströmkanal zu einem U-förmigen Hohlraum erweitert, der den Kurbelraum mit der Kompressionskammer verbindet.
- Wenn ein solcher, U-förmiger Verbindung vorhanden ist, ist ein erfindungsgemäßer Pleuelkolbenkompressor prinzipiell zur Nutzung als Zweitaktmotor bereit: Ein Brennstoff-Luft-Gemisch wird über den Ansaugkanal eingelassen und im Kurbelraum vorverdichtet. Über die Verbindungskanäle, den Überströmkanal und den Flanscheinlasskanal strömt es in die Kompressionskammer, wird dort während der Aufwärtsbewegung des Kolbens weiter verdichtet und etwa im oberen Totpunkt des Kolbens entzündet. Mit der Abwärtsbewegung des Kolbens wird das zurückgebliebene Abgas ausgestoßen.
- In einer interessanten, alternativen Ausführungsform ist auch ein Betrieb im Viertaktprozess möglich. Und zwar dann, wenn ein einzelner Kolbenpleuel über ein Zahnrad auf seiner eigenen Kurbelwelle mit einem weiteren Zahnrad zum Abtrieb des Drehmomentes kämmt. Wenn auf diesem weiteren Zahnrad eine Scheibe angeordnet ist, innerhalb derer ein Kanal verläuft, der im Moment des Ansaugens von Kraftstoff-Luft-Gemisch mit dem Ansaugkanal innerhalb des Kanalflansches verbunden ist, dann saugt der Ansaugkanal nur bei jeder zweiten Umdrehung ein Kraftstoff-Luft-Gemisch ein. Bei den dazwischen liegenden Umdrehungen saugt der Pendelkolben kein Kraftstoff-Luftgemisch sondern reine Frischluft an.
- Ein wichtiger Vorteil ist, dass dadurch beim Ausstoßen des verbrannten Gases im Unterschied zum Zweitakt-Prinzip kein frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Kompressionsraum einströmt, sondern Frischluft, so dass der Kompressionsraum perfekt gespült wird und der Schadstoff-Ausstoß gegenüber dem reinen Zweitakt-Prinzip deutlich verringert wird.
- Wenn ein solcher zuvor beschriebener Motor nach dem Ottoprinzip arbeitet, muss das Medium durch eine ZĂĽndkerze gezĂĽndet werden. Beim Betrieb als Motor nach dem Dieselprinzip entzĂĽndet sich das Medium ab dem Erreichen einer Mindestkompression selbst.
- Auch für den Betrieb mit wechselnder Verdichtung nach dem Diesotto-Prinzip, also mit einer gegenüber dem Gehäuse in Richtung des Kolbenhubs verschiebbaren Drehachse der Kurbelwelle ist ein erfindungsgemäßer Motor geeignet, da das Profil seines Kompressionsraumes im Gegensatz zu vielen anderen Pendelkolbenmotoren über den Hub hinweg konstant ist. Dann kann der Motor z.B. im TeillastBetrieb mit Selbstzündung über das gesamte Volumen und damit effizienterer Verbrennung arbeiten. Nur bei sehr geringer und bei extrem hoher Belastung wird die Verdichtung reduziert und das Gemisch über eine Zündkerze gezündet.
- Bei der Ausführung als Verbrennungsmotor können mehrzylindrige Motoren aufgebaut werden, die als Reihenmotor, V-Motor, Boxermotor, Sternmotor, W-Motor oder H-Motor konfiguriert werden können. Dabei ist es ein besonderer, prinzipieller Vorteil der Erfindung, dass jeder Kompressionsraum in Längsrichtung der Kurbelwelle relativ schmal und quer zur Kurbelwelle relativ breit gestaltet werden kann, sodass ein mehrzylindriger Motor sehr viel kürzer baut, als es für die bisher üblichen, kreisförmigen Kolben möglich ist. Dadurch wird ein erheblicher Gewinn an Gleichmäßigkeit und Oberwellenfreiheit der Drehmomentabgabe erzielt.
- Im Vergleich zu bisherigen Viertakt-Ottomotoren wird die Peripherie des Motors erheblich vereinfacht. Bei der Herstellung entfallen die zum Teil dramatischen Kosten fĂĽr mehrere Nockenwellen, zahlreiche Ventile und deren Antriebe.
- Insbesondere interessant ist das Prinzip eines Zweitaktdieselmotors, das z. B. dem Lastkraftwagen Krupp Titan in den 50er Jahren zu einem sehr standfesten und verbrauchsgünstigen Antrieb verholfen hat. Dessen Nachteil der erhöhten Produktionskosten für den Motor im Vergleich zu einem Viertaktdiesel kann durch das erfindungsgemäße Prinzip zu einem guten Teil kompensiert werden, da die Ansteuerung erheblich vereinfacht und der Motorblock sehr viel kompakter werden kann.
- Bekanntlich ist der Zweitaktdieselmotor bei relativ niedrigen Drehzahlen und relativ großen Hubräumen das Motorprinzip mit dem höchsten Wirkungsgrad. Bei Schiffsdieseln werden in dieser Konfiguration Wirkungsgrade bis zu 55 % erzielt, die schnell laufende Viertaktturbodiesel mit einem Wirkungsgrad von bestenfalls angenähert 40 % deklassieren.
- Eine weitere, sehr interessante Anwendung des erfindungsgemäßen Pleuelkolbenkompressors ist der Betrieb als Dampfmotor oder Pressluftmotor. Das hereingelassene Medium ist ein unter Druck stehendes Gas. Im oder kurz nach seinem oberen Totpunkt öffnet der Kolben den Ansaugkanal und schließt den Auspuffkanal und behält diese Konfiguration während seiner Annäherung an die Kurbelwelle bis kurz vorher reichendes unteren Totpunktes bei. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens, also der Annäherung an die Kurbelwelle treibt das eindringende Gas den Kolben nach unten.
- Im oder kurz nach dem unteren Totpunkt schließt der Kolben den Ansaugkanal und öffnet den Auspuffkanal und behält diese Konfiguration während seiner Bewegung zurück zum oberen Totpunkt bei. Während der Aufwärtsbewegung oder der Entfernung des Kolbens von der Kurbelwelle wird also das eingedrungene gasförmige Medium wieder aus dem Kompressionsraum herausgedrückt.
- Der besondere Reiz dieses Prinzips liegt darin, dass keine weiteren Ventile erforderlich sind, sondern der erfindungsgemäße Pleuelkolben selbsttätig für die korrekte Ansteuerung sorgt. Durch die geringe Anzahl der Teile und durch die robuste, flächige Dichtung sind geringe Herstellkosten und lange Lebensdauer zu erwarten.
- Im Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:
- Figur 1
- Geöffnetes Motorgehäuse mit Kurbelwelle und Pleuelkolben im oberen Totpunkt
- Figur 2
- wie
Figur 1 , jedoch in Stellung Auspuffung - Figur 3
- wie
Figur 1 , jedoch in Stellung Brennraum fĂĽllen - Figur 4
- wie
Figur 1 , jedoch in Stellung Brennraum verdichten - Figur 5
- wie
Figur 1 . jedoch in Stellung Ansaugen - Figur 6
- wie
Figur 1 jedoch Kolben im unteren Totpunkt - Figur 7
- Schnitt durch einen Motor wie
Figur 1 bis Figur 6 , parallel zur Kurbelwelle - Figur 8
- Prinzip eines Mehrkolbenmotors mit Zahnradverbindung
- Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- In den
Figuren 1 bis Figur 6 ist als Ausführungsbeispiel ein geöffneter Pleuelkolbenmotor gezeigt, dessen Gehäuse 9 aus zwei Teilen besteht, deren Berührungsfläche senkrecht zur Kurbelwelle 11 verläuft. Das eine Gehäuseteil ist abgenommen und gibt den Blick auf die Berührungsfläche des verbleibenden Gehäuseteils, den Seitenflansch 16 frei. In den Seitenflansch 16 sind der Kurbelraum 18 und die daran anschließende Kompressionskammer 19 eingelassen. Weil deren Seitenwände senkrecht auf der in denFiguren 1-6 sichtbaren, etwa schlüssellochförmigen Grundfläche angeordnet sind, sind sie in denFiguren 1-6 nur als Linie sichtbar. - Innerhalb der Kompressionskammer 19 und dem Kurbelraum 18 ist der Pleuelkolben 8 in den
Figuren 1 bis 6 in jeweils wechselnden Positionen sichtbar. Da die Kompressionskammer 19 in diesem Ausführungsbeispiel in Hubrichtung des Kolbens ein rechteckiges Profil aufweist, hat auch der Pleuelkolben 8 einen rechteckigen Querschnitt. In seine, dem Betrachter zugewandte Fläche sind der Kolbeneinlasskanal 3 und der Kolbenansaugkanal 6 eingelassen. - Diese Vertiefungen sind direkt sichtbar und deshalb mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Gestrichelt dargestellt sind Linien, die nach der Demontage des Kanalflansches nicht direkt sichtbar sind, weil sie in einer anderen Ebene liegen.
- Gestrichelt ist in den
Figuren 1 bis 6 z.B. der Kolbenauspuffkanal 4 eingezeichnet, der in die nicht sichtbare Fläche des Pleuelkolbens 8 eingelassen ist. Ebenfalls gestrichelt ist der Auspuffkanal 5 im Seitenflansch 16, weil er von dem Pleuelkolben 8 verdeckt wird - und dadurch auch verschlossen wird, mit Ausnahme der inFigur 2 gezeigten Position des Pleuelkolbens 8 in der der Kolbenauspuffkanal 4 mit dem Auspuffkanal 5 verbunden ist, so dass die Abgase aus der Kompressionskammer 19 austreten können. - Der - in seiner Seitenansicht etwa birnenförmige - Pleuelkolben 8 ist mit seinem Pleuelteil gelenkig mit dem Kurbelzapfen 10 der Kurbelwelle 11 verbunden, die in der Mitte des kreisförmigen Kurbelraumes 18 gelagert ist.
- Der Kurbelzapfen 10 ist als einziges Element in den
Figuren 1 bis 6 zeichnerisch geschnitten und deshalb schraffiert. Der Kurzelzapfen 10 verbindet den Pleuelkolben 8 mit dem anderen - in dieser Schnittebene nicht sichtbaren - Teil der Kurbelwelle 11 - Auf beiden Seiten der Kompressionskammer 19 sind die Dichtungsbahnen 12 und 13 eingezeichnet, auf der die - in den
Figuren 1 - 6 nicht sichtbare - Stirnfläche des Kolbens gleitet. Auch auf der seitlichen Ebene des Kolbens sind zusätzliche Dichtungen 17 eingezeichnet. In der einfachsten Variante eines Pleuelkolbenkompressors sind die Dichtungsbahnen 12 und 13 sowie die Dichtung 17 jedoch nicht erforderlich. - Die
Figur 7 zeigt einen Schnitt quer zur Berührungsfläche der beiden Teile des Gehäuses 9, der mit denFiguren 1-6 korrespondiert. Mit diesenFiguren 1 bis 6 werden verschiedene, charakteristische Positionen des Pleuelkolbens 8 erläutert. - In
Figur 1 ist der Pleuelkolben 8 in seiner Position im oberen Totpunkt dargestellt. Gut zu erkennen ist, dass die Kompressionskammer 19 auf ihr minimales Volumen zwischen Pleuelkolben 8 und dem Motorgehäuse 9 geschrumpft ist. - In der dargestellten Ausführung als Verbrennungsmotor wird in der gezeigten Position des Pleuelkolbens im oberen Totpunkt das auf seinen maximalen Wert in der Verbrennungskammer 19 komprimierte zündfähige Gemisch gezündet - beim Dieselprozess durch Eigenzündung bei sehr hoher Verdichtung, beim Ottoprozess durch eine - hier nicht eingezeichnete - Zündkerze.
- In
Figur 1 wird sehr schön verdeutlicht, dass der Pleuelkolben in dieser Position mit seiner Seitenfläche den Auspuffkanal 5 und den Ansaugkanal 7 schließt. Es tritt also weder neues Gemisch ein, noch geht vom dem komprimierten Gemisch etwas verloren. - Der Auspuffkanal 5 im Seitenflansch 16 ist vom Pleuelkolben 8 verdeckt und dadurch abgesperrt. Da er in einer eigentlich nicht sichtbaren Ebene angeordnet ist, ist er gestrichelt eingezeichnet.
- Ebenfalls gestrichelt eingezeichnet ist der Ansaugkanal 7, der in dem - eigentlich zeichnerisch demontierten - Kanalflansch 15 angeordnet ist und damit ebenfall in einer Ebene angeordnet ist, die in
Figur 1 nicht sichtbar ist. - In
Figur 2 hat das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach seiner Zündung expandiert und den Pleuelkolben 8 so weit nach unten gedrückt, dass er den Auspuffkanal 5 über den Kolbenauspuffkanal 4 im Pleuelkolben 8 geöffnet und bis in die Kompressionskammer 19 hinein verlängert hat. Der im Pleuelkolben 8 befindliche Kolbenauspuffkanal 4 verläuft parallel zur Zeichenebene, der Auspuffkanal 5 senkrecht dazu in den Seitenflansch 16, einen Teil des Gehäuses 9, hinein. - Durch die Ausrichtung des Kolbenauspuffkanals 4 wird vorrangig der in
Figur 2 rechts gezeigte Bereich der Verbrennungskammer 19, in dem sich noch keine vorkomprimierten Frischgase befinden, von seinen Auspuffgasen befreit. - Das erfindungsgemäß3 Motorprinzip sorgt also im Gegensatz zu bisher bekannten Zweitaktmotoren mit Schlitzsteuerung für eine erheblich bessere Trennung von Frischgas und Auspuffgasen, wodurch ein gravierender Nachteil nahezu eliminiert ist.
- In
Figur 3 hat sich die Kurbelwelle 11 gegenüberFigur 2 etwas weiter gedreht, sodass der Pleuelkolben 8 eine Verbindung zwischen dem Kurbelraum 18 und der Verbrennungskammer 19 herstellt. Diese Verbindung erfolgt über zwei Verbindungskanäle 2, die inFigur 3 aus dem Kurbelraum 18 heraus etwa senkrecht auf den Betrachter zu in den Überströmkanal 14 hinein laufen, der parallel zur Bildebene im - zeichnerisch abgenommenen - Kanalflansch 15 verläuft, weshalb diese Elemente gestrichelt dargestellt sind. - Das im Kurbelraum 18 bereits Vorverdichtete Luftkraftstoffgemisch strömt am oberen Ende des Überströmkanals 14 durch den Einlasskanal 1 und den Kolbeneinlasskanal 3 im Pleuelkolben in die Verbrennungskammer 19 hinein. Der Einlasskanal 1 ist ebenso wie die Verbindungskanäle 2 senkrecht zum Betrachter ausgerichtet und deshalb in den
Figuren 1-6 nur als gestrichelter Kreis erkennbar. - Der in
Figur 3 dargestellte Teil des Zweitaktprozesses "Brennraum mit Luftkraftstoffgemisch fĂĽllen" hat bereits zu einem frĂĽheren Zeitpunkt begonnen. Bekanntlich ist es ein charakteristisches Merkmal eines Zweitaktmotors, dass stets zwei Prozesse aus "Ansaugen - Verdichten - ZĂĽnden - AusstoĂźen" im Motor ablaufen, wodurch er sich grundlegend vom Viertaktprozess unterscheidet. - In
Figur 4 hat sich der Pleuelkolben gegenüberFigur 3 so weit bewegt, dass der Auspuffkanal 5 und der Ansaugkanal 7 ebenso verschlossen ist wie die Verbindung zwischen dem Überströmkanal 14, dem daran angeschlossenen Einlasskanal 1 und dem daran angeschlossenen Kolbenanlasskanal 3 zum Verbrennungskammer 19. -
Figur 4 zeigt also eine Position des Pleuelkolbens 8, in der er alle Kanäle verschließt. - Bei einer weiteren Aufwärtsbewegen des Pleuelkolbens 8 aus der in
Figur 4 gezeigten Stellung heraus, wird das freie Volumen der Verbrennungskammer 19 reduziert und dadurch das darin befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet. Wenn der Pleuelkolben 8 in seinem oberen Totpunkt angelangt ist, wird das maximal komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch gezĂĽndet, so wie es inFigur 1 gezeichnet ist. - In
Figur 5 hat sich das in der Kolbenstellung gemäßFigur 3 bereits vorverdichtete und über den Überströmkanal 14 in den Kompressionsraum entlassene Luftkraftstoffgemisch zum größten Teil aus dem Kurbelraum 18 entfernt. In der inFigur 5 gezeigten Wickelstellung der Kurbelwelle 11 stellt der Pleuelkolben 8 über seinen Kolbenansaugkanal 6 eine Verbindung zum Ansaugkanal 7 her. Der Ansaugkanal 7 verläuft im - zeichnerisch demontierten - Kanalflansch 15 senkrecht zum Betrachter und in den parallel zur Zeichenebene verlaufende Kolbenansaugkanal 6 hinein. Über diese beiden Kanäle wird der Kurbelraum 18 mit frischem Luftkraftstoffgemisch gefüllt. - In
Figur 6 ist die Stellung des Pleuelkolbens 8 im unteren Totpunkt gezeigt. Gut nachvollziehbar ist, dass alle Steueröffnungen durch den Pleuelkolben 8 verschlossen werden: - Der Ansaugkanal 7 ist von seinem Fortsetzungsstück, dem Kolbenansaugkanal 6, entfernt und durch den Pleuelkolben 8 verschlossen.
- Der Auspuffkanal 5 ĂĽberdeckt sich nicht mit seinem GegenstĂĽck im Pleuelkolben. dem Kolbenauspuffkanal 4.
- Der Einlasskanal 1 ist ebenfalls zu seinem GegenstĂĽck, dem Kolbeneinlasskanal 3 am Pleuelkolben 8, beabstandet.
- Die
Figur 6 zeigt also ebenso wie dieFigur 4 eine Stellung des Pleuelkolbens 8, in der er sämtliche Schaltöffnungen absperrt. - Die
Figur 7 korrespondiert zu denFiguren 1 - 6 mit verschiedenen Stellungen des Pleuelkolbens 8 in demselben Motor und zeigt den Schnitt durch das Motorgehäuse in den zwei verschiedenen Schnittebenen A-A parallel zur Kurbelwelle 11 und A-B durch die Kurbelwelle 11. - Schnell zu erkennen ist, dass das Gehäuse 9 aus zwei Teilen besteht, dem Kanalflansch 15 auf der linken Seite und dem Seitenflansch 16 auf der rechten Seite.
- Der Seitenflansch 16 enthält den Auspuffkanal 5 und der Kanalflansch 15 den Ansaugkanal 7. Als weitere Kanalverbindung ist im Kanalflansch 15 der Überströmkanal 14 eingebaut. Er ist durch zwei Verbindungskanäle 2 mit dem Kurbelraum 18 verbunden und durch den Einlasskanal 1 mit der Kompressionskammer 19.
- Die in den
Figuren 1-6 gezeigten 7 Schrauben zur Verbindung der beiden Gehäuseteile Kanalflansch 15 und Seitenflansch 16 sind inFigur 7 der Übersichtlichkeit halber weg gelassen. - Um den Überströmkanal 14 und seine Funktion als Verbindung zwischen dem Kurbelraum 18 und der Kompressionskammer 19 zu zeigen, ist in
Figur 7 der Schnitt durch den Motor in zwei verschiedenen Schnittflächen gezeichnet: - Die Schnittfläche A-A der linken Bildhälfte und die Schnittebene A-B sind in
Figur 1 eingetragen. Die Schnittfläche A-A verläuft im unteren Teil durch den Überströmkanal 14 hindurch und knickt im oberen Teil ab und ist dann identisch mit der Schnittebene A-B der rechten Bildhälfte vonFigur 1 . Die Schnittebene A-B verläuft auf der Symmetrieachse von Kompressionskammer 19 und Kurbelraum 18 durch die Kurbelwelle 11 hindurch. - Die geknickte Schnittfläche A-A der linken Bildhälfte schneidet den Pleuelkolben 8, den Kurbelraum 18 und die scheibenförmigen Teile der Kurbelwelle 11 also auf einer anderen Schnittlinie als in der rechten Bildhälfte, was die Unterschied zwischen den beiden Bildhälften erklärt: In der rechten Bildhälfte von
Figur 7 verläuft die Schnittebene durch den Mittelpunkt der Scheibe, die die Kurbelwelle 11 mit dem Zapfen 10 verbindet. Deshalb ist der Schnitt durch diese Scheibe ein viel größeres Rechteck als in der linken Bildhälfte im Schnitt A-A, welcher die gleichgroße, zweite Scheibe auf der Kurbelwelle 11 außerhalb ihres Mittelpunktes nur anschneidet. - In
Figur 8 sind zwei Pleuelkolben 8 jeweils ohne Zylinder in ihrer prinzipiellen Anordnung als V-Motor gezeigt. Die Drehachsen ihrer eigenen, kleinen Kurbelwellen 11 weisen auf den Betrachter zu. Zwei Pleuelkolben 8 oder zwei Reihen von Pleuelkolben 8 sind im Winkel V zueinander angeordnet. - Auf jeder einzelnen Kurbelwelle ist für jeden Pleuelkolben 8 ein erstes Zahnrad 23 angeordnet, das jeweils mit einem zweiten Zahnrad 22 auf der Hauptwelle 21 kämmt. Die Hauptwelle 21 sammelt die in den einzelnen Pleuelkolben 8 generierten Drehmomente und führt sie gemeinsam ab. Eine durch den gesamten Motor hindurch gehende, teure Gemeinschafts-Kurbelwelle wird damit erspart. Stattdessen werden zahlreiche Zahnräder eingesetzt.
- In
Figur 8 ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen den kleinen Zahnrädern 23 auf den jeweils eigenen Kurbelwellen 11 jedes Pleuelkolbens 8 und den großen Zahnrädern 22 auf der Hauptwelle 21 von 1:2 eingezeichnet. Für dieses Übersetzungsverhäitnis ist nachvollziehbar, dass - inFigur 8 nicht eingezeichnete - Kanäle im großen Zahnrad 22 nur bei jeder zweiten Umdrehung mit einer korrespondierenden Öffnung im Kurbelraum jedes Pleuelkolbens 8 in Verbindung treten. Dadurch kann z.B. erreicht werden, dass nur bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwellen 11 zündfähiges Kraftstoffluftgemisch zu jedem Pleuelkolben 8 gelangt. Ein solcher Arbeitsrhythmus entspricht einem Viertaktmotor. Vorteilhaft ist nach dem Ausstoßen des Abgases die gute Spülung jeder Kompressionskammer mit Frischluft. Dadurch werden erhebliche Vorteile bei der Abgasreinigung erzielt. -
- 1
- Einlasskanal im Kanalflansch 15
- 2
- Verbindungskanal zum Kurbelgehäuse 18 im Kanalflansch 15
- 3
- Kolbeneinlasskanal am Pleuelkolben 8
- 4
- Kolbenauspuffkanal am Pleuelkolben 8
- 5
- Auspuffkanal im Seitenflansch 16
- 6
- Kolbenansaugkanal am Pleuelkolben 8
- 7
- Ansaugkanal im Kanalflansch 15
- 8
- Pleuelkolben, Kolben mit integriertem Pleuel, Kolben in Kompressionskammer 19 bewegbar, Pleuel gelenkig mit Kurbelzapfen 10 verbunden
- 9
- Gehäuse, bestehend aus Kanalflansch 15 und Seitenflansch 16
- 10
- Kurbelzapfen der Kurbelwelle 11
- 11
- Kurbelwelle, gelenkig verbunden mit wenigstens einem Pleuelkolben 8
- 12
- Dichtungsbahn in Kompressionskammer 19, Gleitfläche für Pleuelkolben
- 13
- Dichtungsbahn in Kompressionskammer 19, komplementär zu Dichtungsbahn 12
- 14
- Überströmkanal, verbindet den Flanscheinlasskanal 1 mit dem Verbindungskanal 2
- 15
- Kanalflansch, Gehäuseteil mit Überströmkanal 14 und Ansaugkanal 7
- 16
- Seitenflansch, Gehäuseteil mit Auspuffkanal 5
- 17
- Dichtungen am Pleuelkolben 8
- 18
- Kurbelraum, Teil des Gehäuses 9, umschlossen von Kanalflansch 15 und Seitenflansch 16
- 19
- Kompressionskammer, umschlossen von Kanalflansch 15 und Seitenflansch 16
- 20
- Nicht benutzt
- 21
- Hauptwelle, verbindet mehrere Pleuelkolbenkompressoren über Zahnräder 22 und 23
- 22
- Zweites Zahnrad auf Hauptwelle 21
- 23
- Erstes Zahnrad auf Kurbelwelle 11
- V
- Winkel zwischen zwei Pleuelkolben in einem Mehrkolbenmotor
Claims (20)
- Pleuelkolbenkompressor zum Einlassen, Verdichten, Bewegen oder Expandieren und Ausstoßen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, bestehend aus- einem Gehäuse (9) mit- einer Kompressionskammer (19) mit einem in Hubrichtung des Kolbens konstantem Profil und- einem Pleuelkolben (8), dessen Kolben- in seiner Hubrichtung, komplementär zum Profil der Kompressionskammer (19) geformt ist und- quer zur Hubrichtung, in dem die Kompressionskammer (19) berührenden Bereich kugelsegment- oder zylindersegmentförmig ist und- der fest mit dem Kolben verbundene Pleuel gelenkig mit einer Kurbelwelle (11) verbunden ist und- wenigstens je einem Ansaugkanal (7) und- wenigstens je einem Auspuffkanal (5),
die beide in der Kompressionskammer (19) angeordnet sind und beide durch den Kolben des Pleuelkolbens (8) im Laufe seiner Bewegung geöffnet und geschlossen werden und
das Profil der Kompressionskammer (19) wenigstens eine Ebene enthält,- die senkrecht zur Drehrichtung der Kurbelwelle ausgerichtet ist und- die alle Ansaugkanäle (7) und alle Auspuffkanäle (5) enthält.dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben entlang seiner Längsachse geteilt ist und
zwischen die beiden Teile eine federelastische Schicht eingebracht ist. - Pleuelkolbenkompressor nach dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Kompressionskammer (19) und des Kolbens ein Rechteck ist.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine flächige Dichtung das Profil der Kompressionskammer (19) und das Profil des Kolbens gegeneinander abdichtet.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den vier Seitenwänden der Kompressionskammer (19) die beiden parallel zur Drehachse der Kurbelwelle (11) ausgerichteten mit je einer Dichtungsbahn (12,13) belegt sind.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Drehachse der Kurbelwelle (11) ausgerichteten Seitenflächen des Kolbens mit Dichtungen (17) bestückt sind.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsbahnen (12, 13) und/oder die Dichtungen (17) lösbar befestigt sind.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) aus zwei Gehäuseteilen besteht, deren Berührungsfläche senkrecht zur Drehachse der Kurbelwelle (11) ausgerichtet ist.
- Pleuelkolbenkompressor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gehäuseteile in Bezug auf die Kompressionskammer (19), den Kurbelraum (18), das Lager der Kurbelwelle (11) und die Verbindung der beiden Hälften untereinander identisch sind.
- Pleuelkolbenkompressor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Gehäuseteil - der Seitenflansch (16) - den Auspuffkanal (5) enthält und das andere Gehäuseteil - der Kanalflansch (15) - den Ansaugkanal (7) enthält.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) Kühlrippen für eine Luftkühlung und/oder Kanäle für eine Wasserkühlung aufweist.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass- der Ansaugkanal (7) durch den Kolbenansaugkanal (6) im Pleuelkolben (8) und/oder- der Auspuffkanal (5) durch den Kolbenauspuffkanal (4) im Pleuelkolben (8) und/oder- der Einlasskanal (1) durch den Kolbeneinlasskanal (3) im Pleuelkolben (8)verlängert wird.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden AnsprĂĽche, dadurch gekennzeichnet, dass- mehrere Pleuelkolben (8) jeweils mit einer eigenen Kompressionskammer (19) und- einem eigenen Kurbelraum (18)- mit den Kurbelzapfen (10) einer gemeinsamen Kurbelwelle (11) verbunden sind.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass- mehrere Pleuelkolben (8) jeweils mit einer eigenen Kompressionskammer (19) und- einem eigenen Kurbelraum (18) und- einer eigenen Kurbelwelle (11)- jeweils ein erstes Zahnrad (23) auf ihrer Kurbelwelle (11) aufweisen und- alle ersten Zahnräder (23) mit jeweils einem zweiten Zahnrad (22) auf einer Hauptwelle (21) kämmen.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden AnsprĂĽche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Kompressionskammer (19) und des Kolbens ein Oval ist.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb als Zweitaktmotor- der Kurbelraum (18) über den Verbindungskanal (2) den Überströmkanal (14) und den Flanscheinlasskanal (1) bei bestimmten Winkelstellungen des Pleuelkolbens (8) mit der Kompressionskammer (19) verbunden ist und- das durch Ansaugen hereingelassene Medium ein Brennstoff-Luft-- Gemisch ist,- das im Kurbelraum (18) vorverdichtet wird und,- über den Verbindungskanal (2), den Überströmkanal (14) und den Flanscheinlasskanal (1) in die Kompressionskammer (19) geleitet wird und,- dort während der Aufwärtsbewegung des Kolbens weiter verdichtet wird und- etwa im oberen Totpunkt des Kolbens entzündet wird und- mit der Abwärtsbewegung des Kolbens ausgestoßen wird.
- Pleuelkolbenkompressor nach den vorhergehenden Ansprüchen 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zahnrad (22) doppelt so viele Zähne wie das erste Zahnrad (23) aufweist und
der Ansaugkanal (7) innerhalb des Kanalflansches (15) zu einem weiteren Kanal in einer Scheibe auf dem zweiten Zahnrad (23) gefĂĽhrt ist, wobei dieser weitere Kanal bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle (11) eine Verbindung mit dem Ansaugkanal (7) hat, der in diesem Moment auch mit dem Kolbenansaugkanal (6) verbunden ist. - Pleuelkolbenkompressor nach dem vorhergehenden Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb als Motor nach dem Otto-Prozess das Medium durch eine ZĂĽndkerze gezĂĽndet wird.
- Pleuelkolbenkompressor nach dem vorhergehenden Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb als Motor nach dem Diesel-Prozess das Medium durch eine Mindestkompression gezĂĽndet wird.
- Pleuelkolbenkompressor nach wenigstens einem der vorhergehenden AnsprĂĽche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pleuelkolben (8) als- Reihenmotor oder- V-Motor oder- Boxer-Motor oder- Stern-Motor oder- W-Motor oder- H-Motorangeordnet sind.
- Pleuelkolbenkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass- für den Betrieb als Dampfmotor oder Pressluftmotor das herein gelassene Medium ein unter Druck stehendes Gas ist und- der Kolben im oder kurz nach dem oberen Totpunkt den Ansaugkanal (7) öffnet und den Auspuffkanal (5) schließt und diese Konfiguration während der Annäherung des Kolbens an die Kurbelwelle (11) bis kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes beibehalten wird und- im oder kurz nach dem unteren Totpunkt den Ansaugkanal (7) schließt und den Auspuffkanal (5) öffnet und diese Konfiguration während der Bewegung des Kolbens zurück zum oberen Totpunkt beibehalten wird.
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