WO2002059468A1 - Verbrennungsmotor mit knickpleuel und verlängerter oberer totpunkt-zeit - Google Patents

Verbrennungsmotor mit knickpleuel und verlängerter oberer totpunkt-zeit Download PDF

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WO2002059468A1
WO2002059468A1 PCT/EP2001/014505 EP0114505W WO02059468A1 WO 2002059468 A1 WO2002059468 A1 WO 2002059468A1 EP 0114505 W EP0114505 W EP 0114505W WO 02059468 A1 WO02059468 A1 WO 02059468A1
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connecting rod
dead center
piston
top dead
crankshaft
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PCT/EP2001/014505
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Helmut Obieglo
Klaus Zimmer
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Helmut Obieglo
Klaus Zimmer
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/04—Engines with prolonged expansion in main cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with crankshaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/36—Modified dwell of piston in TDC

Definitions

  • the invention relates to a heat engine, in particular an internal combustion engine with at least one cylinder and piston displaceably arranged therein, which is rotatably connected to one end of a first connecting rod, the other end of which is rotatably connected to the crank of a crankshaft via a second connecting rod, the second connecting rod can be rotated about a positionally variable axis of rotation by articulation on a rotatably mounted guide rod and the first and second connecting rods form a two-element articulated connecting rod.
  • the invention also relates to an operating method.
  • an articulated connecting rod that is to say at least two articulated rods which are rotatably connected to one another with a bolt, in order to connect the piston of an engine to the crankshaft.
  • the purpose of using an articulated connecting rod is in particular to improve the performance of the corresponding motors. Examples of corresponding machines are shown in MTZ Motortechnische Zeitschrift 49 (1988) 3 and in document WO 8808922. In these machines, the locus of the piston at top dead center (TDC) has a favorable curve characteristic, ie the piston has a certain dwell time at top dead center. There is also a more favorable torque curve than with conventional reciprocating piston units. A disadvantage is the higher mass forces.
  • An internal combustion engine according to the preamble of claim 1 is also known from document DE 7728728.
  • the orientation of the two connecting rods, which form the articulated connecting rod, and the crank of the engine is selected in the internal combustion engine presented here in such a way that a maximum torque can first be transmitted in the area of top dead center, since the first and second in the top dead center area of the piston Connecting rods have an extended state, ie the angle between these two rods is close to 180 °, the angle between the second connecting rod and the crank on the crankshaft being approximately in the region of 90 °.
  • the two sections of the articulated connecting rod act, i.e. that is, the first and second connecting rods, because of their elongated arrangement, essentially like a rigid connection, so that the acting force acts almost perpendicularly on the crank of the crankshaft and thus a maximum torque can be transmitted to the crankshaft at this instant.
  • a closer look at the torque transmission at all times of an engine cycle shows, however, that overall the torque transmission is by no means optimal for the selected version.
  • the object of the invention is in a heat engine, in particular an internal combustion engine of the type mentioned, to optimize the process sequence locally and in time in such a way that, given a number of working cycles per unit of time, especially for the ignition or ignition process and subsequent combustion of media or substances comparatively more time is made available. Furthermore, with safe, rapid and constant volume ignition of the media or substances used, an improved combustion characteristic and a more favorable torque curve should be achieved.
  • the object is achieved in that, in contrast to the previously cited prior art, an angle is traversed between the two connecting rods in an environment of the top dead center, in particular in the top dead center of the piston, which is in an environment of 90 degrees.
  • the second connecting rod can be rotated about a location-variable axis of rotation at least in a certain angular range by articulation on a rotatably mounted guide rod.
  • the second connecting rod cannot complete a full 360 degree rotation.
  • the second connecting rod will carry out a movement superimposed on two movements in accordance with the movement that has been carried out and the type of connection of the connecting rods and crank to one another. Due to the articulation of the second connecting rod on a guide rod, the articulation point forming an axis of rotation, this connecting rod can firstly perform a rotary movement about this axis and, due to the location variability of this axis of rotation, also perform a translatory pushing movement. The effective movement is a superimposition of both movements, with only one movement type being available at very discrete times.
  • the document DE 7728728 is converted to reciprocation of the piston into a corresponding translatory pushing movement of the first connecting rod, said thrust movement is transferred into a pushing movement of the second connecting rod 'which at the Crank of the crankshaft is articulated. Accordingly, the stroke movement of the piston corresponds to the thrust movement of the second connecting rod.
  • the construction causes the piston to move downwards due to the almost right-angled arrangement due to the angle in an area of 90 degrees, in particular exactly 90 degrees, between the two connecting rods (in the articulated connecting rod) in the region of the top dead center of the piston between the two connecting rods there is essentially no thrust movement of the second connecting rod, but rather a rotational movement about the axis of rotation which is formed in the articulation point between the second connecting rod and the guide rod.
  • the construction is particularly advantageous if, assuming a vertical stroke of the piston in an environment of the top dead center, the crank of the crankshaft passes through the lower turning point, in particular the angle between the crank and the second connecting rod passes through 90 °.
  • This construction ensures that in the area of the top dead center of the piston, both the angle between the first and second connecting rods and the angle between the crank and the second connecting rod either at the same time or in succession, but both times at an angle in the area of top dead center of about 90 °.
  • crankshaft continued movement essentially produces only a pushing movement of the second connecting rod due to the first 90 ° orientation between the crank and the second connecting rod, because with the movement of the crankshaft the axis of rotation about which the second connecting rod is arranged to move is also locally displaced.
  • the second (almost) 90 ° orientation between the second and the first connecting rod then causes the first connecting rod to perform only a pendulum-like movement around the articulation point on the piston, this movement however, this does not result in a stroke movement of the piston, or does so only barely.
  • the area of top dead center, in which the piston almost does not move can extend over a very large angle of rotation of the crankshaft, in particular up to 75 °.
  • the translatory piston movement is accordingly converted into the rotational movement of the crank by the fact that in the area of the top dead center of the piston, all Gearbox linkages are oriented at an angle of approximately 90 ° or pass through this angle in the dead center area so that movement of the crank is not converted into a notable translation of the piston due to the rotating flywheel masses over a very large angular range.
  • This principle of the approximately vertical arrangement of all levers at the time of reaching top dead center results in the significant extension of the time in which the piston remains in top dead center.
  • the location-variable axis of rotation about which the second connecting rod is rotatable preferably due to its articulation e.g. moved on a circular path on the engine block by means of said guide rod. It is also possible to use e.g. to set another type of movement on the engine block.
  • the articulation point on the motoblock can also be designed to be variable in location.
  • the distances between the crankshaft axis, the articulation point between the crank and the second connecting rod and the articulation point between the location-variable axis of rotation on the second connecting rod will overlap maximum or minimally additively with two discrete crankshaft orientations that are arranged at 180 ° to one another. Due to the fixed articulation of the guide rod on the second connecting rod, the guide rod and thus the location-variable axis of rotation will both reach their maximum possible deflection with these crankshaft orientations, in particular on the circular path mentioned.
  • top dead center area Due to the significant extension of the top dead center area, which extends, for example, over an angular range of up to 75 ° of the crankshaft rotation, it can be achieved that the combustion of the fuel or fuel mixture takes place within an internal combustion engine with a constant cylinder volume. For this reason, the fuel or the fuel mixture is preferably only injected into the cylinder when or after it has reached top dead center, in contrast to the prior art, where fuel is generally injected into the cylinder cavity before top dead center is reached.
  • the fuel or fuel mixture can be burned at a constant pressure in the cylinder.
  • Such constant pressure combustion is already known in the prior art, but could only be achieved in conventional engines with a short top dead center by repeatedly firing fuel after the ignition of the fuel that was injected into the cylinder before top dead center had to be injected into the cylinder in order to increase the pressure in the cylinder through the subsequent multiple ignition, or to keep it virtually constant.
  • the engine according to the invention with the considerably extended top dead center time offers the possibility of providing a quasi-continuous injection phase which is significantly extended in time, the initially injected fuel initially evaporating and igniting before the fuel, which evaporates in the cylinder at the end of the long injection interval when the pistons have theirs Downward movement begins or has started.
  • This offers more favorable thermodynamic conditions, in particular for flame-retardant fuels, since these take a long time to evaporate and ignite. Therefore, crude oil can also be used as fuel in an engine according to the invention.
  • the PV diagram of the engine according to the invention insofar as it is operated as a diesel engine, corresponds to that of a gasoline engine.
  • the change in the dwell time of the piston at top dead center can be adjusted by appropriate length ratios between the individual connecting rods and the further distances between the individual articulation points, so that favorable piston pressure forces act when, viewed geometrically, a favorable torque can be achieved on a drive shaft of a heat engine.
  • the maximum dwell time of the piston at top dead center can be set when the angle between the two connecting rods, which they make in the vicinity of the top gate point, passes through 90 degrees.
  • the dwell time of the piston at top dead center can accordingly be reduced if the angle between the connecting rods passes through values of less or more than 90 degrees.
  • a variably adjustable dead center time can essentially be achieved by tilting the piston / cylinder axis to the other engine elements, in particular the inventive lever construction.
  • a mechanism for tilting the piston / cylinder axis can be provided on an engine according to the invention, in order to e.g. to be able to make a change in the dead center time during operation. In this way, the dead center time can be adapted to the current operating conditions of the engine.
  • the preferred angular range that is traversed in the vicinity of the top dead center between the connecting rods of the articulated connecting rod is 90 degrees plus / minus 30 degrees, particularly preferably plus / minus 10 degrees. maximum Dead center time can be reached if the angle of 90 degrees is traversed in the area of top dead center.
  • an optimal operating mode is achieved in particular by a suitable type of control of the process flow.
  • the condition of optimal torque transmission is met by the formation of special active surfaces of the construction according to the invention, which, together with coupling elements, dictate the process in terms of space and time, with the extent of a possibly adjustable movement path being taken into account in addition to the shape and spatial placement.
  • Adjustability can be achieved, for example, by articulating the guide rod e.g. on the engine block not locally fixed but also locally variable. This would mean that the axis about which the second connecting rod can be rotated is not necessarily only movable on a circular path, but other path shapes can also be set.
  • a significant extension of the top dead center over an angular range of up to 75 ° of the crankshaft can be achieved with the construction according to the invention of the connecting rods connecting the piston and the crankshaft, so that, compared to the prior art, negative initial moments on the output shaft which are increased due to early ignition are eliminated and consequently the energy of the heat explosion no longer stands in the way of a piston movement.
  • Figure 1 a schematic representation of the piston of a
  • Figure 2 a position of maximum deflection of the guide rod, in which the rotational movement component of the second connecting rod is maximum.
  • Figure 3 a diagram with the locus, the speed, the
  • Figure 4 a PV diagram of the engine according to the invention with constant space combustion.
  • Figure 5 a PV diagram of the engine according to the invention with constant pressure combustion.
  • Figure 6 A comparison between the internal cylinder pressure and the amount of heat released as a function of the crankshaft angle! between a conventional engine and an engine according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention or generally a heat engine, with at least one cylinder g, in which a piston f can move up and down.
  • the piston f is connected to a crankshaft h via attached elements e, d, a, c and b.
  • the piston f is connected to a first connecting rod e movably arranged on it, which in turn is movably connected to a second connecting rod, which is composed of the parts d and c, so that the second connecting rod forms a two-armed lever.
  • the second connecting rod is in turn articulated to a guide rod a, which in turn is arranged rotatably, for example on the engine block or another fixed housing element.
  • the second lever element c of the second connecting rod is rotatably connected to the crank b of a crankshaft h.
  • the arrangement is selected such that the angle ⁇ between the first connecting rod e and the lever element d of the second connecting rod is 90 °, an angle ⁇ of 90 ° likewise prevailing between the second partial element c of the second connecting rod and the crank b of the crankshaft and the guide rod a.
  • the dwell time of the piston in the top dead center area can be influenced.
  • crankshaft h rotates in the direction of the arrow i, for example by means of flywheels set in rotation or by the movement of further pistons arranged one behind the other, a thrust movement is generated which second connecting rod consisting of the elements d and c moved in the first approximation in the direction of arrow j.
  • the arrow direction j describes a circular movement with a large radius, so that over a large angular range of the rotation of the crankshaft h the second connecting rod consisting of the elements c and d is essentially only shifted laterally and is only slightly moved in height.
  • FIG. 1 shows a snapshot in which the movement of the second connecting rod only consists of a translatory push movement, but not also of a rotary movement.
  • FIG. 2 shows a snapshot of the transmission system, in which the second connecting rod only rotates around the articulation point k, but not a translation.
  • This situation occurs when, due to the crankshaft rotation, the lengths of the crank b arranged on the crankshaft and of the section c of the second connecting rod overlap maximally or minimally.
  • Maximum additive superimposition is shown in FIG. 2, so that there is a maximum distance between the crankshaft h and the axis of rotation k. This also defines the maximum angular deflection of the guide rod a.
  • a rotation of the crankshaft h at the moment of this position causes the second connecting rod to rotate exclusively about the axis k in the direction of the arrow m.
  • FIG. 3 shows a compilation of the locus u, the speed ⁇ , the acceleration ü and the mass moments M of a piston of an internal combustion engine or a heat engine according to the invention. Due to the given geometrical relationships, as shown in FIG. 1, the right-angled arrangement of all levers relative to one another results in a very large angular range of the crankshaft especially large top dead center. This shows the curve u in FIG. 3 in the lower flattened course, this course extending over an angular range of approximately 75 ° of the crankshaft rotation.
  • the maximum of the torque curve can e.g. can already be reached after 58 ° of the crankshaft angle, while the maximum torque curve in a conventional engine is only reached after 76 ° crankshaft angle, for example. Accordingly, for a two-stroke engine, it can be estimated that the maximum torque is reached far earlier than the exhaust valve opens, so that the combustion energy can be converted into kinetic energy of the crankshaft much more efficiently. Together with the lower heating of the engine and the exhaust gases as a result of the above-described improved energy utilization, an internal combustion engine according to the invention is particularly suitable and advantageous for the design and for operation as a two-stroke engine.
  • an engine according to the invention can consume up to 50% less fuel and produce more power than a conventional comparison engine.
  • the heating of the engine and the exhaust gases can be reduced by at least 25%.
  • the exhaust gases also contain less harmful substances. Because of the shorter delay time when the fuel is ignited, the peak pressure is lower and the combustion is softer, i.e. almost a constant combustion, since the cylinder volume in the top dead center area remains almost constant during the entire combustion period.
  • the engine according to the invention can be operated with diesel oil, gas or other fuels, including inferior ones.
  • a four-stroke engine is also possible.
  • a higher compression ratio in the engine is also possible.
  • compression ratios of 1:20 can be achieved, so that self-ignition without an ignition system, for example, can also be possible with gasoline-powered gasoline engines.
  • vegetable oils, hydrogen or other fuels of inferior quality can be ignited. Ignition of heterogeneous fluids, for example with defined water components as an aerosol, is also possible.
  • the fuel-saving potential is up to 50%. This means that, of the "total losses of the perfect motor of approx. 60%", a considerable proportion thereof can be avoided by means of the active arrangement according to the invention and the thermodynamic process control chain according to the invention.
  • a DI ES EL method operated according to the invention thus has the result of a practical indicator diagram which corresponds to that of the theoretical OTTO process and thus - with the same compression ratios in each case - already has significant theoretical advantages with regard to the efficiency of internal combustion engines according to the invention.
  • This type of operating method can only be achieved with the transmission kinematics according to the invention.
  • FIG. 5 shows an indicator diagram for constant-pressure combustion, in which e.g. due to an extended injection phase of the pressure in the piston due to the successive evaporation and ignition of a fuel, the pressure in the cylinder can be kept constant despite a downward movement of the piston, which is an advantage when using flame-resistant fuels.
  • FIG. 6 shows the internal cylinder pressure and the amount of heat released as a function of the crank angle in the vicinity of the top dead center area. It is typical of conventional engines that fuel is injected into the cylinder volume and brought to ignition before top dead center is reached. Accordingly, there is a significant released thermal energy, which produces an increase in cylinder pressure, which counteracts as a force the piston striving towards top dead center.
  • FIG. 6 shows in the lower part a typical internal combustion engine according to the invention, to which the fuel mixture is only injected into the cylinder cavity after top dead center. The internal cylinder pressure therefore only increases significantly because of the combustion when the piston is at or just behind top dead center, so that the acting force can be fully converted into the output of the piston.
  • the energy utilization in an internal combustion engine according to the invention is accordingly significantly more efficient than in a comparable conventional engine.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder (g) und darin verschieblich angeordnetem Kolben (f), der drehbeweglich mit einem Ende einer ersten Pleulstange (e) verbunden ist, deren anderes Ende über eine zweite Pleuelstange (c, d) mit der Kurbel (b) einer Kurbelwelle (h) drehbeweglich verbunden ist, wobei die zweite Pleuelstange (c, d) durch Anlenkung (k) an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange (a) um eine ortsvariable Drehachse (k) drehbar ist und die erste (e) und zweite Pleuelstange (c, d) ein zweielementiges Knickpleuel (e, c, d) bilden, wobei in einer Umgebung des oberen Totpunktes, insbesondere im oberen Totpunkt des Kolbens (f) zwischen den beiden Pleuelstangen (e, d, c) ein Winkel (α) durchlaufen wird, der in einer Umgebung von 90 Grad liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors eines solchen Verbrennungsmotors, bei dem die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Zylindervolumen erfolgt.

Description

Verbrennungsmotor mit Knickpleuel und verlängerter oberer Totpunkt-Zeit
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder und darin verschieblich angeordnetem Kolben, der drehbeweglich mit einem Ende einer ersten Pleuelstange verbunden ist, deren anderes Ende über eine zweite Pleuelstange mit der Kurbel einer Kurbelwelle drehbeweglich verbunden ist, wobei die zweite Pleuelstange durch Anlenkung an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange um eine ortsvariable Drehachse drehbar ist und die erste und zweite Pleuelstange ein zweielementiges Knickpleuel bilden. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Betriebsverfahren.
Die Verwendung eines Knickpleuels, d.h. mindestens zweier Gelenkstangen, welche mit einem Bolzen drehbar miteinander in Verbindung stehen, um den Kolben eines Motors mit der Kurbelwelle zu verbinden, ist bekannt. Sinn und Zweck des Einsatzes eines Knickpleuels ist insbesondere eine Verbesserung des Leistungsbildes der entsprechenden Motoren. In MTZ Motortechnische Zeitschrift 49 (1988) 3 und in dem Dokument WO 8808922 sind Beispiele entsprechender Maschinen gezeigt. Bei diesen Maschinen weist die Ortskurve des Kolbens im oberen Totpunkt (OT) eine günstige Kurvencharakteristik auf, d.h. der Kolben hat im oberen Totpunkt eine gewisse Verweilzeit. Außerdem existiert ein günstigerer Drehmomentverlauf als bei herkömmlichen Hubkolbenaggregaten. Ein Nachteil besteht in den höheren Massenkräften. Eine Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist ebenfalls aus dem Dokument DE 7728728 bekannt. Die Orientierung der beiden Pleuelstangen, die das Knickpleuel bilden, und der Kurbel des Motors ist bei dem hier vorgestellten Verbrennungsmotor derart gewählt, dass im Bereich, des oberen Totpunktes zunächst ein maximales Drehmoment übertragen werden kann, da im oberen Totpunktbereich des Kolbens die erste und zweite Pleuelstange einen gestreckten Zustand aufweisen, d.h. der Winkel zwischen diesen beiden Stangen nahe 180° ist, wobei weiterhin der Winkel zwischen der zweiten Pleuelstange und der Kurbel an der Kurbelwelle etwa im Bereich von 90° liegt.
Kurz nach Durchlaufen des oberen Totpunktes wirken die beiden Teilstücke des Knickpleuels, d.h. also die erste und zweite Pleuelstange aufgrund ihrer gestreckten Anordnung im Wesentlichen wie eine starre Verbindung, so dass die wirkende Kraft nahezu senkrecht auf die Kurbel der Kurbelwelle wirkt und somit zu diesem momentanen Zeitpunkt ein maximales Drehmoment auf die Kurbelwelle übertragbar ist. Bei einer genaueren Betrachtung der Drehmomentübertragung zu sämtlichen Zeiten eines Motorzyklus zeigt sich jedoch, dass in der Summe betrachtet die Drehmomentübertragung bei der gewählten Ausführung keineswegs optimal ist.
Aufgabe der Erfindung ist es bei einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art den Prozessablauf örtlich und zeitlich derart zu optimieren, dass bei einer gegebenen Anzahl von Arbeitszyklen pro Zeiteinheit besonders für den Zünd- bzw. Entflammungsvorgang sowie nachfolgender Verbrennung von Medien bzw. Stoffen vergleichsweise noch mehr Zeit zur Verfügung gestellt wird. Weiterhin soll bei sicherer, zügiger und konstantvolumiger Entflammung der eingesetzten Medien bzw. Stoffe eine verbesserte Verbrennungscharakteristik und ein günstigerer Drehmomentverlauf erzielt werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Gegensatz zum vorzitierten Stand der Technik in einer Umgebung des oberen Totpunktes, insbesondere im oberen Totpunkt des Kolbens zwischen den beiden Pleuelstangen ein Winkel durchlaufen wird, der in einer Umgebung von 90 Grad liegt.
Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine (Verbrennungsmotor) ist die zweite Pleuelstange durch Anlenkung an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange um eine ortsvariable Drehachse zumindest in einem bestimmten Winkelbereich drehbar. Die zweite Pleuelstange kann jedoch keine vollständige 360-Grad-Drehung vollziehen.
Bei einem zyklischen Umlauf der an der Kurbelwelle angeordneten Kurbel wird entsprechend der vollzogenen Bewegung und der Art der Verbindung der Pleuelstangen und Kurbel untereinander die zweite Pleuelstange eine aus zwei Bewegungen überlagerte Bewegung durchführen. Aufgrund der Anlenkung der zweiten Pleuelstange an einer Führungsstange, wobei die Anlenkstelle eine Drehachse bildet, kann diese Pleuelstange zum einen eine Drehbewegung um diese Achse und aufgrund der Ortsvariabilität dieser Drehachse ebenso eine translatorische Schubbewegung durchführen. Die effektive Bewegung ist eine Überlagerung beider Bewegungen, wobei nur zu ganz diskreten Zeiten jeweils nur eine Bewegungsart vorliegt.
Durch einen kreisförmigen Umlauf der Anlenkstelle zwischen Kurbel und der zweiten Pleuelstange um die Kurbelwelle wird dementsprechend die Überlagerung zwischen Schubbewegung und Drehbewegung der zweiten Pleuelstange erreicht.
Im vorbekannten Stand der Technik, dem Dokument DE 7728728 wird die Hubbewegung des Kolbens in eine entsprechende translatorische Schubbewegung der ersten Pleuelstange umgesetzt, wobei diese Schubbewegung in eine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange' übertragen wird, welche an der Kurbel der Kurbelwelle angelenkt ist. Hier korrespondiert dementsprechend die Hubbewegung des Kolbens mit der Schubbewegung der zweiten Pleuelstange.
Demgegenüber wird beim erfindungsgemäßen Motor durch die Konstruktion bewirkt, dass durch den Winkel in einer Umgebung von 90 Grad, insbesondere von genau 90 Grad zwischen den beiden Pleuelstangen (im Knickpleuel) im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens eine Abwärtsbewegung des Kolbens aufgrund der nahezu rechtwinkligen Anordnung zwischen den beiden Pleuelstangen im Wesentlichen keine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange, sondern eine Rotationsbewegung um die Drehachse erzeugt, die in der Anlenkstelle zwischen der zweiten Pleuelstange und der Führungsstange ausgebildet ist.
Durch den ungefähren oder bevorzugt genau erreichten rechten Winkel zwischen der ersten und der zweiten Pleuelstange wird erfindungsgemäß erreicht, dass die aufgrund der Schwungmassen oder weiterer Zylinder an der Kurbelwelle fortgeführte Bewegung, insbesondere der Schubbewegung der zweiten Pleuelstange im Wesentlichen keine Hubbewegung des Kolbens erzeugt, sondern lediglich bei einer angenommenen vertikalen Anordnung des Zylinders eine seitliche pendelartige Bewegung der ersten Pleuelstange erzeugt, was effektiv über einen sehr großen Umdrehungsbereich der Kurbelwelle einen nahezu Stillstand des Kolbens im oberen Totpunktbereich bewirkt.
Die Konstruktion ist besonders vorteilhaft, wenn bei angenommenem vertikalen Hub des Kolbens in einer Umgebung des oberen Totpunktes die Kurbel der Kurbelwelle den unteren Wendepunkt durchläuft, insbesondere also der Winkel zwischen der Kurbel und der zweiten Pleuelstange 90° durchläuft. Durch diese Konstruktion wird erreicht, dass im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens sowohl der Winkel zwischen der ersten und zweiten Pleuelstange als auch der Winkel zwischen der Kurbel und der zweiten Pleuelstange entweder zeitgleich oder zeitlich nacheinander, jedoch beide Male im Bereich des oberen Totpunktes einen Winkel von etwa 90° durchläuft. Die aufgrund der Schwungmassen in der Kurbelwelle fortgesetzte Bewegung erzeugt dementsprechend aufgrund der ersten 90°-Orientierung zwischen Kurbel und zweiter Pleuelstange im Wesentlichen lediglich eine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange, weil mit der Bewegung der Kurbelwelle ebenfalls die Drehachse, um die die zweite Pleuelstange beweglich angeordnet ist, örtlich verschoben wird.
Durch die nahezu ausschließliche Schubbewegung der zweiten Pleuelstange wird sodann aufgrund der zweiten (beinahe-) 90°-Orientierung zwischen der zweiten und der ersten Pleuelstange bewirkt, dass die erste Pleuelstange wie oben beschrieben lediglich eine pendelartige Bewegung um die Anlenkstelle am Kolben vollzieht, diese Bewegung jedoch nicht oder nur kaum in einer Hubbewegung des Kolbens resultiert. So kann bei dieser Anordnung der Bereich des oberen Totpunktes, in dem sich der Kolben nahezu nicht bewegt, über einen sehr großen Drehwinkel der Kurbelwelle, insbesondere von bis zu 75° erstreckt werden.
Die Tatsache, dass bei einer Bewegung der Kurbel im Bereich des unteren Wendepunktes an der Kurbelwelle lediglich eine Schubbewegung, nicht jedoch eine Rotationsbewegung um die Drehachse der zweiten Pleuelstange erfolgt, kann im Wesentlichen dadurch bewirkt werden, dass bei einem angenommenen vertikalen Hub des Kolbens im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens sowohl die Kurbelwellenachse als auch die Lagerung der Führungsstange, die an der zweiten Pleuelstange beweglich angelenkt ist, oberhalb der zweiten Pleuelstange angeordnet sind. Würde man diese Anordnung umkehren, so dass die zweite Pleuelstange oberhalb der Kurbelwellenachse und der Führungsstange angeordnet ist, so würde sich in einer analogen Weise eine Verlängerung des unteren Totpunktes einstellen.
Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion der Wärmekraftmaschine, insbesondere des Verbrennungsmotors wird dementsprechend bei der Umsetzung der translatorischen Kolbenbewegung in die, Rotationsbewegung der Kurbel durch die Tatsache, dass im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens sämtliche Getriebegestänge in einem Winkel von etwa 90° orientiert sind, bzw. diesen Winkel im Totpunktbereich durchlaufen erreicht, dass eine Bewegung der Kurbel aufgrund der rotierenden Schwungmassen über einen sehr großen Winkelbereich nicht in eine nennenswerte Translation des Kolbens umgesetzt wird. Dieses Prinzip der etwa senkrechten Anordnung sämtlicher Hebel zum Zeitpunkt des Erreichens des oberen Totpunktes bewirkt die signifikante Verlängerung der Zeit, in der der Kolben im oberen Totpunkt verweilt.
Bei einer Drehung der Kurbel aufgrund der Schwungmassenbewegung wird im Bereich des unteren Wendepunktes wie erwähnt im Wesentlichen eine Schubbewegung der zweiten Pleuelstange erzeugt. Hierbei wird die ortsvariable Drehachse, um die die zweite Pleuelstange drehbeweglich ist, bevorzugterweise aufgrund ihrer Anlenkung z.B. am Motorblock mittels der genannten Führungsstange auf einer Kreisbahn verschoben. Es ist auch möglich, durch die Art der Anlenkung z.B. am Motorblock auch eine andere Art der Bewegung einzustellen. Beispielsweise kann die Anlenkstelle am Motoblock hierfür ebenfalls ortsvariabel ausgestaltet sein.
Im Laufe der Kurbelwellenbewegung werden sich die Strecken zwischen der Kurbelwellenachse, der Anlenkstelle zwischen Kurbel und zweiter Pleuelstange sowie der Anlenkstelle zwischen der ortsvariablen Drehachse an der zweiten Pleuelstange bei zwei diskreten Kurbelwellenorientierungen, die zu 180° zueinander angeordnet sind maximal bzw. minimal additiv überlagern. Aufgrund der festen Anlenkung der Führungsstange an der zweiten Pleuelstange wird bei diesen Kurbelwellenorientierungen die Führungsstange und damit die ortsvariable Drehachse beide Maie das Maximum ihrer Auslenkungsmöglichkeit, insbesondere auf der genannten Kreisbahn erreichen. Bei Erreichen dieser Punkte aufgrund der Schubbewegung der zweiten Pleuelstange wird die Bewegung der zweiten Pleuelstange in diesem Augenblick maximal in eine Drehbewegung um die Drehachse umgesetzt, da die Drehachse nicht mehr weiter translatiert werden kann. Sodann resultiert aus den gegebenen Winkelverhältnissen zwischen dem ersten und zweiten Pleuel eine Hubbewegung des Kolbens.
Aufgrund der signifikanten Verlängerung des oberen Totpunktbereiches, der sich beispielsweise über einen Winkelbereich von bis zu 75° der Kurbelwellendrehung erstreckt, kann erreicht werden, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches innerhalb eines Verbrennungsmotors bei konstantem Zylindervolumen erfolgt. Deshalb wird auch bevorzugt der Kraftstoff bzw. das Kraftstoffgemisch erst beim oder nach Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinder eingespritzt, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo ein Kraftstoff gern isch grundsätzlich vor Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinderhohlraum eingespritzt wird.
Es ist ebenso möglich, dass die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Druck im Zylinder erfolgt. Zwar ist eine solche Gleichdruckverbrennung auch schon im Stand der Technik bekannt, konnte jedoch bei üblichen Motoren mit kurzer oberer Totpunktzeit nur dadurch erreicht werden, dass auch noch nach der Zündung des Kraftstoffes, der vor dem oberen Totpunkt in den Zylinder eingespritzt wurde, mehrfach nacheinander Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt werden musste, um den Druck im Zylinder durch die nachträgliche mehrfache Zündung wieder zu erhöhen, bzw. quasi konstant zu halten.
Demgegenüber bietet der erfindungsgemäße Motor mit der erheblich verlängerten oberen Totpunktzeit eine Möglichkeit, eine zeitlich deutlich verlängerte quasi kontinuierliche Einspritzphase vorzusehen, wobei der anfänglich eingespritzte Kraftstoff zunächst verdampft und zündet vor dem Kraftstoff, der am Ende des langen Einspritzintervalls im Zylinder verdampf, wenn der Kolben seine Abwärtsbewegung beginnt bzw. begonnen hat. Dies bietet insbesondere für schwer entflammbare Treibstoffe günstigere thermodynamische Bedingungen, da diese eine längere Zeit zum Verdampfen und Entflammen benötigen. Daher kann in einem erfindungsgemäßen Motor auch Rohöl als Treibstoff eingesetzt werden.
Aufgrund der gegebenen Konstruktion der signifikanten Verlängerung des oberen Totpunktbereiches entspricht das PV-Diagramm des erfindungsgemäßen Motors, sofern er als Dieselmotor betrieben wird, dem eines Ottomotors.
Durch entsprechende Längenverhältnisse zwischen den einzelnen Pleuelstangen sowie den weiteren Abständen der einzelnen Anlenkstellen kann die Veränderung der Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt eingestellt werden, so dass günstige Kolbenaufdruckkräfte dann wirken, wenn geometrisch betrachtet ein günstiges Drehmoment an einer Antriebswelle einer Wärmekraftmaschine erzielt werden kann.
Die Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt kann maximal eingestellt werden, wenn der Winkel zwischen den beiden Pleuelstangen, den diese in einer Umgebung des oberen Tortpunktes zueinander einnehmen 90 Grad durchläuft. Die Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt kann dementsprechend verringert werden, wenn der Winkel zwischen den Pleuelstangen Werte von weniger oder mehr als 90 Grad durchläuft. So kann im wesentlichen durch eine Verkippung der Kolben-/Zylinderachse zu den übrigen Motorelementen, insbesondere der erfinderischen Hebelkonstruktion eine variabel einstellbare Totpunktzeit erreicht werden. An einem erfindungsgemäßen Motor kann dementsprechend eine Mechanik zur Verkippung der Kolben-/Zylinderachse vorgesehen sein, um z.B. auch im Betrieb eine Änderung der Totpunktzeit vornehmen zu können. So kann die Totpunktzeit an die aktuellen Betriebsbedingungen des Motors angepasst werden.
Der bevorzugte Winkelbereich, der in der Umgebung des oberen Totpunktes zwischen den Pleuelstangen des Knickpleuel durchlaufen wird beträgt 90 Grad plus/minus 30 Grad, besonders bevorzugt plus/minus 10 Grad. Maximale Totpunktzeit kann erreicht werden, wenn im Bereich des oberen Totpunktes der Winkel von 90 Grad durchlaufen wird.
Bei der erfindungsgemäßen Maschine wird eine optimale Betriebsart erreicht insbesondere auch durch eine passende Art der Steuerung des Prozessablaufes. Der Bedingung einer optimalen Drehmomentübertragung wird die Ausbildung von speziellen Wirkflächen der erfindungsgemäßeπ Konstruktion gerecht, welche zusammen mit Koppelelementen den Prozess räumlich und zeitlich vorgeben, wobei über die Formgebung und räumliche Plazierung hinausgehend auch das Ausmaß einer gegebenenfalls verstellbaren Bewegungsbahn berücksichtigt werden kann. Eine Versteilbarkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Anlenkung der Führungsstange z.B. am Motorblock nicht örtlich fest sondern ebenfalls örtlich variabel vorgesehen sein kann. Dies würde bedeuten, dass die Achse, um die die zweite Pleuelstange drehbar ist, nicht notwendigerweise nur auf einer Kreisbahn beweglich ist, sondern sich auch andere Bahnformen einstellen lassen.
Bei einer üblichen Betrachtungsweise des Geschehens während eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsmotor bestimmt bei Verbrennungsvorgängen eine bestimmte Reaktionszeit bzw. Trägheit die sogenannte Wärmeexplosion von Medien bzw. Stoffen und damit deren zeitliche und auch räumliche Ausdehnung. Zur Optimierung der Verbrennungsprozesse gibt es Lösungsansätze, die diesen zeitlichen Faktor insofern berücksichtigen, dass dem Kolben eine Expansionsmaschine im Bereich seiner oberen Totpunktstellung mehr Zeit für die Umkehrung seiner Bewegungsbahn gegeben wird, der Kolben also im oberen Totpunkt verweilt, wobei die Verbrennung in diesem Punkt beginnen kann. Dieser Vorgang kann dann als statisch bezeichnet werden, wenn ein wirklicher Stillstand des Kolbens im oberen Totpunkt über einen längeren Zeitraum erreicht werden kann. Eine deutliche Verlängerung des oberen Totpunktes über einen Winkelbereich von bis zu 75° der Kurbelwelle kann mit der erfindungsgemäßen Konstruktion der den Kolben und die Kurbelwelle verbindenden Pleuelstangen erreicht werden, so dass gegenüber dem Stand der Technik eventuelle durch Frühzündung erhöhte negative Anfangsmomente an der Abtriebswelle entfallen und demzufolge die Energie der Wärmeexplosion nicht mehr einer Kolbenbewegung entgegen steht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung des Kolbens eines
Verbrennungsmotors, der über ein an einer Führungsstange drehbeweglich gelagertes Knickpleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei sämtliche Hebel senkrecht zueinander angeordnet sind.
Figur 2: eine Position maximaler Auslenkung der Führungsstange, bei der die Drehbewegungskomponente der zweiten Pleuelstange maximal ist.
Figur 3: ein Diagramm mit der Ortskurve, der Geschwindigkeit, der
Beschleunigung und der Massenmomente des Kolbens gegenüber der Winkelstellung der Kurbelwelle.
Figur 4: ein PV-Diagramm des erfindungsgemäßen Motors bei Gleichraumverbrennung.
Figur 5: ein PV-Diagramm des erfindungsgemäßen Motors bei Gleichdruckverbrennung.
Figur 6: einen Vergleich zwischen Zylinderinnendruck und freigesetzter Wärmemenge in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinke! zwischen einem konventionellen Motor und einem erfindungsgemäßen Motor. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor bzw. allgemein eine Wärmekraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder g, in dem sich ein Kolben f auf und ab bewegen kann. Der Kolben f ist über angegliederte Elemente e, d, a, c und b mit einer Kurbelwelle h verbunden. Der Kolben f ist verbunden mit einer an diesem beweglich angeordneten ersten Pleuelstange e, die wiederum beweglich mit einer zweiten Pleuelstange verbunden ist, die sich aus den Teilstücken d und c zusammensetzt, so dass die zweite Pleuelstange einen zweiarmigen Hebel bildet. Die zweite Pleuelstange ist ihrerseits beweglich an einer Führungsstange a angelenkt, die wiederum drehbeweglich z.B. am Motorblock oder einem anderen festen Gehäuseelement angeordnet ist. Das zweite Hebelelement c der zweiten Pleuelstange ist drehbeweglich mit der Kurbel b einer Kurbelwelle h verbunden. Mit dieser Konstruktion kann die translatorische Auf- und Abbewegung des Kolbens f im Zylinder g umgesetzt werden in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle h. Die dargestellte Anordnung kann in einem realisierten Motor beispielsweise mehrfach hintereinander angeordnet werden, um einen Motor mit mehreren Zylindern auszubilden.
In der dargestellten Ausgangssituation der Figur 1 ist die Anordnung derart gewählt, dass der Winkel α zwischen der ersten Pleuelstange e und dem Hebelelement d der zweiten Pleuelstange 90° beträgt, wobei ein Winkel ß von 90° ebenfalls vorherrscht zwischen dem zweiten Teilelement c der zweiten Pleuelstange und der Kurbel b der Kurbelwelle sowie der Führungsstange a. Insbesondere durch die Änderung des Winkels in dieser Ausgangssituation sowie der Verkippung der Kolben-/Zylinderachse o gegenüber den übrigen Getriebeteilen in Richtung der Pfeile p kann die Verweildauer des Kolbens im oberen Totpunktbereich beeinflusst werden.
Bei einer Drehung der Kurbelwelle h in Pfeilrichtung i beispielsweise durch in Rotation versetzte Schwungmassen oder durch die Bewegung weiterer hintereinander angeordneter Kolben wird eine Schubbewegung erzeugt, die die zweite Pleuelstange bestehend aus den Elementen d und c in erster Näherung in Richtung des Pfeiles j bewegt. Die Pfeiirichtung j beschreibt eine Kreisbewegung mit großem Radius, so dass über einen großen Winkelbereich der Drehung der Kurbelwelle h die zweite Pleuelstange bestehend aus den Elementen c und d im Wesentlichen nur seitlich verschoben und nur unwesentlich in der Höhe bewegt wird.
Aufgrund dieser Tatsache und der Konstruktion, dass zwischen dem Element d der zweiten Pleuelstange und der ersten Pleuelstange e ebenfalls ein rechter Winkel vorherrscht, wird bei der Drehung der Kurbeiwelle h nur eine nichtsignifikante Hubbewegung des Koibens f im Zylinder g erzeugt. Durch die seitliche Bewegung der zweiten Pleuelstange in Richtung des Pfeiles j wird im wesentlichen lediglich die Pleuelstange e um ihren Anlenkpunkt am Kolben f verschwenkt, so dass der nach unten gerichtete Kolbenhub verschwindend ist. Bei der gezeigten Darstellung in der Figur 1 handelt es sich um die Stellung des oberen Totpunktes des Kolbens f. Für andere als die gezeigte Ausführungsformen bedarf es nicht notwendigerweise eines genauen rechten Winkels zwischen den einzelnen Hebelselemente bzw. Pleuelstangen.
Die Bewegung der zweiten Pleuelstange bestehend aus den einzelnen Teilelementen d und c ist genau genommen eine Überlagerung aus einer Schubbewegung und einer Rotationsbewegung um die Drehachse k, die arn unteren Ende der Führungsstange a ausgebildet ist. Die Figur 1 zeigt hierbei eine Momentaufnahme, bei der die Bewegung der zweiten Pleuelstange lediglich aus einer translatorischen Schubbewegung, nicht jedoch auch aus einer Drehbewegung besteht.
Demgegenüber zeigt die Figur 2 eine Momentaufnahme des Getriebesystemes, bei der die zweite Pleuelstange lediglich eine Rotationsbewegung um die Anlenkstelle k, nicht jedoch eine Translation ausführt. Diese Situation tritt ein, wenn aufgrund der Kurbelwellendrehung sich die Längen der an der Kurbelwelle angeordneten Kurbel b und des Teilstückes c der zweiten Pleuelstange maximal oder minimal additiv überlagern. Dargestellt ist in der Figur 2 maximale additive Überlagerung, so dass zwischen der Kurbelwelle h und der Drehachse k ein maximaler Abstand entsteht. Hierdurch ist gleichzeitig die maximale Winkelauslenkung der Führungsstange a definiert.
Eine Rotation der Kurbelwelle h im Moment dieser Stellung bewirkt eine ausschließliche Rotation der zweiten Pleuelstange um die Achse k in Pfeilrichtung m.
Bei der gemäß Figur 2 dargestellten Momentaufnahme erfolgt eine hervorragende Drehmomentübertragung, sofern der Kolben f aufgrund einer im oberen Totpunkt stattgefundenen Explosion des Kraftstoffes, da die wirkende Explosionskraft beinahe senkrecht über die Pleuelstange e auf das Teilstück d der zweiten Pleuelstange übertragen wird, woraufhin die zweite Pleuelstange eine Rotation um die Drehachse k vollzieht und eine maximal übertragene Kraft in Pfeilrichtung I auf die Kurbel b der Kurbelweile h wirkt. Eine ähnlich gute Stellung ergibt sich bei weiterer Drehung der Kurbelwelle um 180°, wenn sich die Längen der Kurbelwelle b und des Teilstückes c der zweiten Pleuelstange minimal überlagern und somit der Abstand zwischen der Kurbelwelle h und der Drehachse k minimal wird. Entsprechend der Anlenkung der zweiten Pleuelstange im Drehpunkt k an einer beweglich gelagerten Führungsstange a ergibt sich eine Bewegung der ortsvariablen Drehachse k auf einer Kreisbahn.
Das Diagramm in Figur 3 zeigt in einer Zusammenstellung die Ortskurve u, die Geschwindigkeit ύ, die Beschleunigung ü und die Massenmomente M eines Kolbens eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors bzw. einer Wärmekraftmaschine. Aufgrund der gegebenen geometrischen Verhältnisse, wie sie die Figur 1 zeigt, ergibt sich durch die rechtwinklige Anordnung sämtlicher Hebel zueinander über einen sehr großen Drehwinkelbereich der Kurbelwelle ein besonders großer oberer Totpunktbereich. Dies zeigt in der Figur 3 die Kurve u in dem unteren abgeflachten Verlauf, wobei dieser Verlauf einen Winkelbereich von etwa 75° der Kurbelwellendrehung überstreckt.
Neben dem ausgeweiteten oberen Totpunktbereich ergibt sich auch wie beschrieben der positive Effekt, dass bei geringer Koibenbewegung aus dem oberen Totpunkt heraus die untere zweite Pleuelstange eine solche Position erreicht, dass ein maximal mögliches Drehmoment an der Kurbelwelle erzielt wird. Diese Position entspricht in etwa der Darstellung der Figur 2. Das heißt, dass der Kolben in Einklang mit dem erfindungsgemäßen Prinzip die maximale Beschleunigung durch den Verbrennungsdruck genau dann erfährt, wenn das maximale Drehmoment an der Kurbelwelle übertragen werden kann, während der Kolben bei konventionellen Motoren schon eine relativ große Distanz zurückgelegt hat, bei dem das maximale Drehmoment auf die Kurbelwelle wirkt. Deshalb ist es bei dem erfindungsgemäßen Motor möglich, einen weitaus größeren Anteil an Energie aus dem Kraftstoff oder Kraftstoffgemisch zu gewinnen, als es bei üblichen Motoren der Fall ist.
Der Umstand, dass das maximale Drehmoment bereits nach einer relativ geringen Kolbenbewegung übertragen wird, hat einen entscheidenden Vorteil beispielsweise im Fall von Zweitakt-Motoren, in denen das Auslassventil spätestens nach 90° Kurbelwellenwinkel geöffnet ist. Es ist dementsprechend erfindungsgemäß möglich, den weitaus größten Anteil der Verbrennungsenergie in Nutzarbeit an der Kurbelwelle zu transferieren, während bei konventionellen Zweitakt-Motoren ein beachtlicher Anteil der Energie nicht profitabel genutzt werden kann und durch das Auslassventil verschwindet.
Wegen der relativ langen Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt passen die Verbrennung des Treibstoffes einerseits und der Verbrennungsablauf andererseits optimal zusammen. Die Energie der Verbrennungsabgase wirkt einer Kolbenbewegung nicht entgegen, statt dessen kann die Energie in Richtung der Kolbenbewegung wirken. Die bessere Energieausnutzung resultiert in einer geringeren Erwärmung des Motors und in einer niedrigeren Abgastemperatur. Darüber hinaus sind die Abgasbestandteile deutlich vermindert im Vergleich zu einer konventionellen Maschine, so dass unter Umständen auch auf den Einsatz eines Katalysators verzichtet werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor kann das Maximum des Drehmomentverlaufs z.B. bereits nach 58° des Kurbelwellenwinkels erreicht werden, während das Maximum des Drehmomentverlaufs bei einem herkömmlichen Motor beispielsweise erst nach 76° Kurbelwellenwinkel erreicht wird. Für einen Zweitakt-Motor kann dementsprechend abgeschätzt werden, dass das maximale Drehmoment weit früher erreicht wird als sich das Auslassventil öffnet, so dass die Verbrennungsenergie viel effizienter in Bewegungsenergie der Kurbelwelle umgesetzt werden kann. Zusammen mit der geringeren Erwärmung des Motors und der Abgase als Resultat der zuvor beschriebenen verbesserten Energieausnutzung ist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor besonders geeignet und vorteilhaft für die Konstruktion und für den Betrieb als Zweitakt-Motor.
Ein erfindungsgemäßer Motor kann dementsprechend bis zu 50% weniger Treibstoff verbrauchen und mehr Leistung erbringen als ein konventioneller Vergleichsmotor. Die Erwärmung des Motors sowie der Abgase kann um wenigstens 25% verringert werden. Aus diesem Grunde enthalten die Abgase auch weniger schädliche Stoffe. Wegen der kürzeren Verzugszeit beim Zünden des Treibstoffes resultiert ein geringerer Spitzendruck und es folgt eine weichere Verbrennung, d.h. nahezu eine Gleichraumverbrennung, da während der gesamten Verbrennungsdauer das Zylindervolumen im oberen Totpunktbereich nahezu konstant bleibt.
Der erfindungsgemäße Motor kann mit Dieselöl, Gas oder anderen, auch minderwertigen Treibstoffen betrieben werden. Eine Ausführung als Viertakt-Motor ist ebenfalls möglich. Neben dem geringeren Treibstoffverbrauch, welches ein hohes Einsparpotential an Betriebskosten bildet, ist auch ein höheres Verdichtungsverhältnis im Motor möglich. Beispielsweise können Verdichtungen von 1 :20 erreicht werden, so dass auch bei benzinbetriebenen Ottomotoren z.B. eine Selbstzündung ohne Zündanlage möglich sein kann. Es können neben den bekannten Treibstoffen Pflanzenöle, Wasserstoff oder andere Treibstoffe minderer Qualität gezündet werden. Auch ist eine Zündung von heterogenen Fluiden, beispielsweise mit definierten Wasseranteilen als Ärosol möglich.
Durch die konstant-volumige Verbrennung im oberen Totpunktbereich ergibt sich im PV-Diagramm gemäß der Figur 4 der typische Verlauf eines theoretischen Ottoprozesses, selbst wenn der erfindungsgemäße Motor als Dieselaggregat betrieben wird.
Betrachtet man das erfindungsgemäße Indikatordiagramm nach Figur 4 und zieht man Meßergenisse aus Versuchen mit Gleichraumprozessen heran, so wird ersichtlich, dass sich durch eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine (Motor) die „Verluste des wirklichen Motors" im Vergleich zu den „Verlusten des vollkommenen Motors" drastisch reduzieren lassen. Das Treibstoffmittel- Einsparungspotential beträgt erfindungsgemäß bis zu 50 %. Das bedeutet, dass , von den „gesamten Verlusten des vollkommenen Motors von ca. 60 %" ein erheblicher Anteil hiervon durch erfindungsgemäße Wirkanordnung und erfindungsgemäßer thermodynamischer Prozessführungskette vermieden werden kann.
So können beispielsweise Wandwärmeverluste in Höhe von ca. 20 %, die bei konventionellen Maschinentypen im weit geöffneten Expansionsraum auftreten, nicht mehr in Druckenergie umgesetzt werden und gehen somit dem eigentlichen Kreisprozess verloren. Dagegen resultiert aus der „vollkommenen Verbrennung" bereits im oberen Totpunkt der erfindungemäßen Verbrennungskraftmaschine eine wesentlich größere Druckenergie zur Umwandlung in mechanische Nutzleistung, da die beteiligten Wärmeübertragungsflächen sehr viel kleiner gehalten sind.
Ein erfindungsgemäß betriebenes DI ES EL- Verfahren hat somit als Ergebnis ein praktisches Indikatordiagramm, welches dem des theoretischen OTTO-Prozesses entspricht und somit - bei jeweils gleichen Verdichtungsverhältnissen - schon theoretisch über signifikante Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades erfindungsgemäßer Verbrennungskraftmaschinen verfügt. Diese Art des Betriebsverfahrens ist nur mit der erfindungsgemäßen Getriebekinematik zu erreichen.
Alternativ zu der Möglichkeit einer Gleichraumverbrennung zeigt die Figur 5 ein Indikatordiagramm für die Gleichdruckverbrennung, bei der z.B. durch eine verlängerte Einspritzphase der Druck im Kolben durch die zeitlich nacheinander erfolgende Verdampfung und Entflammung eines Kraftstoffes der Druck im Zylinder trotz einer Abwärtsbewegung des Kolben konstant gehalten werden kann, was einen Vorteil bei der Verwendung schwer entflammbarer Kraftstoffe darstellt.
Durch die bessere Energieausnutzung kann auch ein niedrigeres Drehzahlniveau angestrebt werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Motors auswirkt. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor zeigt die Figur 6 den Zylinderinnendruck und die freigesetzte Wärmemenge in Abhängigkeit vom Kurbelweflenwinkel in der Umgebung des oberen Totpunktbereiches. Typisch für konventionelle Motoren ist es, dass bereits vor Erreichen des oberen Totpunktes Kraftstoff in das Zylindervolumen eingespritzt und zur Zündung gebracht wird. Dementsprechend ergibt sich eine signifikante freigesetzte Wärmeenergie, die eine Zylinderinnendruckerhöhung erzeugt, welche als Kraft dem in Richtung oberen Totpunkt strebenden Kolben entgegenwirkt. Demgegenüber zeigt die Figur 6 im unteren Teil einen typischen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, dem erst nach Erreichen des oberen Totpunktes das Kraftstoffgemisch in den Zylinderhohlräum eingespritzt wird. Der Zylinderinnendruck steigt somit aufgrund der Verbrennung erst dann signifikant an, wenn der Kolben sich im bzw. knapp hinter dem oberen Totpunkt befindet, so dass die wirkende Kraft vollständig in den Abtrieb des Kolbens umgesetzt werden kann.
Die Energieausnutzung bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist dementsprechend deutlich effizienter als bei einem vergleichbaren konventionellen Motor. Eine besonders gute Verlängerung des oberen Totpunktes ergibt sich bei einem Längenverhältnis der Pleuelstangen e,d,c bzw. der Kurbel b und der Führungestange a für folgende Werte: e:d:c:a:b = 70:80:60:34:24. Bei dieser Wahl oder nur geringen Abweichungen kann ein Totpunktbereich von bis zu 75 Grad der Kurbeiwellendrehung erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Wärmekraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder (g) und darin verschieblich angeordnetem Kolben (f), der drehbeweglich mit einem Ende einer ersten Pleuelstange (e) verbunden ist, deren anderes Ende über eine zweite Pleuelstange (d,c) mit der Kurbel (b) einer Kurbelwelle (h) drehbeweglich verbunden ist, wobei die zweite Pleuelstange (d,c) durch Anlenkung (k) an einer drehbeweglich gelagerten Führungsstange (a) um eine ortsvariable Drehachse (k) drehbar ist und die erste (e) und zweite (d,c) Pleuelstange ein zweielementiges Knickpleuel (e,d,c) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Umgebung des oberen Totpunktes, insbesondere im oberen Totpunkt des Kolbens (f) zwischen den beiden Pleuelstangen (e,d,c) ein Winkel (α) durchlaufen wird, der in einer Umgebung von 90 Grad liegt.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß sich die Umgebung über einen Winkelbereich ( ) von 90 Grad plus/minus 30 Grad insbesondere plus/minus 10 Grad erstreckt.
3. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Umgebung des oberen Totpunktes des Kolbens (f) der Winkel ( ) zwischen den beiden Pleuelstangen (e,d,c) 90 Grad durchläuft.
4. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-/Zylinderachse bezüglich der übrigen Getriebeteile verkippbar ist, wodurch insbesondere die Verweildauer des Kolbens im oberen Totpunkt einstellbar ist.
5. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikalem Hub des Kolbens (f) in einer Umgebung des oberen Totpunktes die Kurbel (b) der Kurbelwelle (h) den unteren Wendepunkt durchläuft, insbesondere der Winkel (ß) zwischen Kurbel (b) und zweiter Pleuelstange (c) 90 Grad durchläuft.
6. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikalem Hub des Kolbens (f) im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens (f) die Kurbelwellenachse (h) und die Lagerung (n) der Führungsstange (a) oberhalb der zweiten Pleuelstange (d,c) angeordnet sind.
7. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bereich des oberen Totpunktes über einen Drehwinkel der Kurbelwelle von wenigstens 50 Grad, insbesondere 75 Grad erstreckt.
8. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsvariable Drehachse (k) auf einer Kreisbahn (j) verschieblich ist.
9. Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstange, an deren einen Ende die ortsvariable Drehachse (k) ausgebildet ist, mit ihrem anderen Ende ortsvariabel, insbesondere am Motorblock, angelenkt ist.
10.Wärmekraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegung des Kolbens (f) durch die Anlenkung der zweiten Pleuelstange (c,d) an der ortsvariablen Drehachse (k) in eine Drehbewegung (m) der zweiten Pleuelstange (c,d) um diese Achse (k) umgesetzt wird.
11.Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Zylindervolumen erfolgt.
12. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches bei konstantem Druck im Zylinder erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kraftstoff bzw. das Kraftstoff gern isch erst beim oder nach Erreichen des oberen Totpunktes in den Zylinder eingespritzt wird.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb des Motors als Dieselmotor dessen pV-Diagramm dem eines Ottomotors entspricht.
15. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Dauer des oberen Totpunktes der Winkel ( ), den die Pleuelstangen (e,d,c) beim Durchlaufen des oberen Totpunktes einnehmen, in einer Umgebung von 90 Grad variiert wird, insbesondere, dass die Kolben-/Zylinderachse gegenüber den übrigen Getriebeteilen verkippt wird.
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