WO2008012006A2 - Reciprocating-piston internal combustion engines - Google Patents

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WO2008012006A2
WO2008012006A2 PCT/EP2007/006313 EP2007006313W WO2008012006A2 WO 2008012006 A2 WO2008012006 A2 WO 2008012006A2 EP 2007006313 W EP2007006313 W EP 2007006313W WO 2008012006 A2 WO2008012006 A2 WO 2008012006A2
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Definitions

  • Brake energy intermediate storage in the form of compressed air has been proposed (for example DE 35 18 031, DE 199 46 711). These are very expensive, z.T. External compressors and a second drive unit are used to bring back the stored compressed air energy when accelerating the vehicle back to the drive.
  • the two working pistons 1 of a 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine are interconnected to form a common unit 2 and have on their back another piston, which runs in a cylinder 3, in which only air is compressed and which is not fired.
  • an actuating unit 6 is provided on the pneumatic cylinder 3, with which the compression of this cylinder and thus the height of the resulting final pressure can be adjusted according to the speed of the engine. Furthermore, the engine has two laterally arranged next to the engine block crossheads 4 and a crank mechanism 5, which is located above the cylinder head.
  • the crossheads By the crossheads is achieved that the piston assembly 2 moves only linear. As a result, the high side forces and the associated friction losses, which occur in conventional engines on the piston skirt, shifted into the crossheads and can be better reduced there due to the oil pressure lubrication. Furthermore, the crossheads allow an extremely long-stroke design of the cylinder. This has the advantage that due to the favorable surface / volume ratio in the ignition point, when pressure and temperature and thus also the wall heat losses are greatest, the heat losses decrease significantly and a better thermal efficiency results. This is also improved by the fact that the working gas can remain due to the compression on the opposite side to the lower reversal point in the cylinder and not as in conventional engines already 40 ° before UT must be omitted.
  • the interconnection of the three pistons to a unit 2 also causes the largest part of the gas exchange work in the working cylinders and the compression work in the compressed air cylinder 3 drivetrain subtracted from the expansion work and only the difference is effective only on the crank mechanism. This also reduces the frictional losses, because these are proportional to the amount of the attacking forces.
  • the "overhead" arrangement has some advantages: - Extension of the residence time of the working piston 1 in the Zündumledgeddling and thus isochoric combustion and increasing the speed, especially in diesel mode possible.
  • the connecting rods are loaded mainly on train and hardly on pressure and can be designed accordingly lighter.
  • compressed air can be released back into this cylinder via the valve 7 and thus support the drive.
  • the stored compressed air can also be used to start the engine and to realize start / stop driving.
  • the valve 7 is electromagnetically controlled. Since only air is switched at moderate pressures and temperatures, it can be small and light. If the compressed air accumulator 8 receives compressed air (braking operation), it opens as soon as pressure equality exists between compressed air cylinder 3 and compressed air accumulator 8. The actuator 6 is set to maximum compression.
  • the compressed air accumulator 8 delivers compressed air (start-up operation), it opens in or shortly after TDC and can remain open in the event of a great need for acceleration until shortly before UT, before the venting valve 10 opens. When starting the engine, this makes sense in any case, so that the engine quickly comes to idle speed and the starting emissions remain low.
  • the actuator 6 is set to minimum compression in these two cases.
  • the vent valve 10 on the compressed air cylinder 3, performed in Figure 6 as a mere lock in the cylinder wall, on the one hand has the function to admit new air of atmospheric pressure (or pre-compressed from a turbocharger) in this cylinder when compressed air for the purpose of
  • the compressed air accumulator 8 Since the compressed air transferred into the compressed air accumulator 8 is compressed and accordingly heated (by far over 200 ° C.), the compressed air accumulator 8 is thermally insulated against its environment to the outside. Furthermore, the heat losses from the compressed air reservoir 8 out can be kept low, that in this a heat storage 9 (eg steel wool) is installed, which causes the temperature in the Compressed air accumulator 8 only increases moderately when filled with fresh compressed air.
  • a heat storage 9 eg steel wool
  • the oscillating piston assembly 2 is always just tossed between two gas cushions a free piston, and the mechanical losses are minimal.
  • FIG 4a / b an 8-cylinder internal combustion engine in plan and side view is shown, in which two blocks, each with four arranged in a rectangle cylinder are arranged opposite to each other (see DE 199 23 021 claim 15).
  • the Firing order is such that always two diagonally opposite cylinders of one side ignite simultaneously, suck in the adjacent cylinders of this side and compress or evacuate the axially opposite cylinders.
  • This machine can be fully balanced with a second opposing crank mechanism by a push rod 12 is guided through both cylinder blocks, which act on the above the cylinder heads arranged crossheads 4 and 4 ', to which the crank mechanisms 5 and 5' each with a simple speed rotating balancer shaft 11 are connected according to Figure 3.
  • FIG. 5a and 5b illustrated 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine has instead of crossheads via a motor housing 20 mounted Anlenkpleuel 14, which acts centrally on a yoke 17, on which also the two working piston 1 via the Kolbenpleuel 15 and the Kurbelpleuel 16 attached are.
  • the Anschpleuel 14 is designed by its radius forth so that the Kolbenpleuel 15 swivel in their cylinders only small and thus can take place a long-stroke design of the cylinder, with the advantages already mentioned. Furthermore, the Anlenkpleuel 14 causes the extensive linear guide of the working piston 1, so that the mixing friction on the piston skirt is only small and instead caused by the crank mechanism lateral forces are absorbed mainly in one of lubricated with pressure oil rotary motion on the yoke 17.
  • a mechanical spring 18 Centrally below the Anschpleuel 14 is a mechanical spring 18 which intercepts the oscillating mass at the lower reversal point and provides for their rear acceleration, so that even in this engine, the rear acceleration does not have to be applied by the crank mechanism and thus a more harmonious torque curve results.
  • another element may be used to temporarily store the kinetic energy of the piston assembly, e.g. turn a compressed air cylinder or an electrical method.
  • the intermediate energy storage in batteries or in capacitors can be done.
  • brake energy buffering is not possible.
  • a device can be provided with which the bias of the spring is adjusted accordingly.
  • FIG. 5a A modification of the principle of Figs. 5a and 5b is shown in FIG.
  • the Anschpleuel is hereby extended to a mounted in the engine block 20 rocker 19, and the storage element for temporary storage of the E k i n of the oscillating masses of the two working pistons located at the same height with these.

Abstract

Proposed are novel reciprocating-piston internal combustion engines in which, in operation, the kinetic energy of the oscillating masses is buffered as potential energy at the dead centers at which the braking and acceleration forces are greatest, in order to thereafter be utilized for re-accelerating the oscillating masses. In this way, the majority of the acceleration and braking work is imparted no longer by the mechanism but by gas forces, so that the friction power losses are reduced and the mechanical efficiency is improved. In addition, the engines can all be designed to have extremely long strokes, such that their thermal efficiency is also improved on account of reduced wall heat losses. A more favourable efficiency results overall from these measures. In some engine concepts, the buffered potential energy can be discharged from the engine in the form of compressed air and stored in a compressed air accumulator, so that when using the internal combustion engine in a vehicle, braking energy buffering is possible. The stored compressed air can likewise be used to start the engine.

Description

Beschreibung description
Titel : Hubkolben-VerbrennungskraftmaschinenTitle: Reciprocating internal combustion engines
Stand der TechnikState of the art
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen, bei denen die kinetische Energie der oszillierenden Massen auf der jeweiligen Gegenseite durch den Aufbau von potentieller Energie abgefangen wird, sind bereits in DE-PS 409 919 und insbesondere in der DE 199 23 021 beschrieben, jedoch nutzen diese überwiegend "exotische" Kurbeltriebe, welche sich in der Praxis bisher nicht durchsetzen konnten.Reciprocating internal combustion engines in which the kinetic energy of the oscillating masses is trapped on the respective opposite side by the build-up of potential energy are already described in DE-PS 409 919 and in particular in DE 199 23 021, but these predominantly use "exotic" Crank mechanisms, which have not been successful in practice so far.
Ebenso sind bereits Konzepte mitLikewise already concepts are with
Bremsenergiezwischenspeicherung in Form von Druckluft vorgeschlagen worden (z.B. DE 35 18 031, DE 199 46 711). Diese sind jedoch sehr aufwendig, z.T. werden externe Kompressoren und eine zweite Antriebseinheit verwandt, um die gespeicherte Druckluft-Energie beim Beschleunigen des Fahrzeuges wieder auf den Antrieb zurückbringen zu können.Brake energy intermediate storage in the form of compressed air has been proposed (for example DE 35 18 031, DE 199 46 711). These are very expensive, z.T. External compressors and a second drive unit are used to bring back the stored compressed air energy when accelerating the vehicle back to the drive.
In der DE 25 50 567 ist eine Brennkraftmaschine mit integrierbarer Druckerzeugung vorgeschlagen worden, jedoch nicht um primär die kinetische Energie des Kolbens abzufangen und auchIn DE 25 50 567 an internal combustion engine with integrable pressure generation has been proposed, but not primarily to intercept the kinetic energy of the piston and also
„ .; „1_4- ,,— J- ^ l~i~-.- — l-~~-—^ T-i - 1 - J -I- . , uxvui. tΛin »-I.L.G L/J. UL. Λ.C j. i, c uy um.) Lui Dj. ciuociici yxciwxouucuoμcιj.oπt!l Lilly nutzbar zu machen. Die Maschine dort nutzt außerdem einen Kurbeltrieb, welcher eine verlängerte Aufenthaltsdauer des Arbeitskolbens im Zündumkehrpunkt hervorruft, wie dies auch mit dem in der DE 30 30 615 beschriebenen Gelenkpleuel ermöglicht werden kann. Zur Verlängerung der Aufenthaltsdauer der Arbeitskolben im Zündumkehrpunkt wird in dieser Schrift eine weitere Variante vorgeschlagen.".;"1_4- ,, - J- ^ l ~ i ~ -.- - l- ~~ - ^ Ti - 1 - J -I-. , uxvui. tΛin »-ILG L / J. UL. Λ.C j. i, c uy um.) Lui Dj. ciuociici yxciwxouucuoμcιj.oπt! l to harness Lilly. The machine there also uses a crank mechanism, which causes a prolonged residence time of the working piston in Zündumkehrpunkt, as can be made possible with the Gelenkpleuel described in DE 30 30 615. To extend the residence time of the working piston in Zündumkehrpunkt a further variant is proposed in this document.
BesehrθibungBesehrθibung
Den Motor nach Anspruch 1 zeigt Fig.l.The motor according to claim 1 Fig.l.
Die beiden Arbeitskolben 1 einer 2-Zylinder-4-Takt- Verbrennungskraftmaschine sind zu einer gemeinsamen Baueinheit 2 zusammengeschaltet und haben auf ihrer Rückseite einen weiteren Kolben, welcher in einem Zylinder 3 läuft, in welchem lediglich Luft verdichtet wird und welcher nicht befeuert wird.The two working pistons 1 of a 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine are interconnected to form a common unit 2 and have on their back another piston, which runs in a cylinder 3, in which only air is compressed and which is not fired.
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass im Betrieb die kinetische Energie der oszillierenden Kolbenbaueinheit 2 im unteren Umkehrpunkt in Druck-Volumenarbeit zwischengespeichert wird. Nach dem Öffnen der Auslassventile wird durch das aufgebaute Druckpolster die Kolbenbaueinheit 2 wieder rückbeschleunigt. Die oszillierende Masse wird damit nicht mehr wie bei herkömmlichen Hubkolben-Motoren von der Mechanik abgebremst und wieder beschleunigt, sondern jeweils von den Gaskräften in den Umkehrpunkten. Im oberen Umkehrpunkt erfolgt dies dadurch, dass sich immer einer der beiden Arbeits-Zylinder im Verdichtungstakt befindet.By this arrangement it is achieved that during operation, the kinetic energy of the oscillating piston assembly 2 is cached in the lower reversal point in pressure-volume work. After opening the exhaust valves, the piston assembly 2 is accelerated back again by the built-pressure pad. The oscillating mass is thus no longer braked and accelerated by the mechanics as in conventional reciprocating engines, but in each case by the gas forces in the reversal points. In the upper reversal point, this is done by always one of the two working cylinders is in the compression stroke.
Da die Größe der zwischenzuspeichernden kinetischen Energie von der Drehzahl des Motors abhängt, ist am Druckluftzylinder 3 eine Stelleinheit 6 vorgesehen, mit der die Verdichtung an diesem Zylinder und damit die Höhe des entstehenden Enddruckes entsprechend der Drehzahl des Motors angepasst werden kann. Weiterhin verfügt der Motor über zwei seitlich neben dem Motorblock angeordnete Kreuzköpfe 4 sowie einen Kurbeltrieb 5, welcher sich oberhalb des Zylinderkopfes befindet.Since the size of the kinetic energy to be stored depends on the rotational speed of the engine, an actuating unit 6 is provided on the pneumatic cylinder 3, with which the compression of this cylinder and thus the height of the resulting final pressure can be adjusted according to the speed of the engine. Furthermore, the engine has two laterally arranged next to the engine block crossheads 4 and a crank mechanism 5, which is located above the cylinder head.
Durch die Kreuzköpfe wird erreicht, dass sich die Kolbenbaueinheit 2 ausschließlich linear bewegt. Dadurch werden die hohen Seitenkräfte und die damit verbundenen Reibleistungsverluste, welche bei herkömmlichen Motoren an den Kolbenschürzen auftreten, in die Kreuzköpfe verlagert und können dort aufgrund der Öldruckschmierung besser reduziert werden. Weiterhin ermöglichen die Kreuzköpfe eine extrem langhubige Auslegung der Zylinder. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund des günstiger werdenden Oberflächen/Volumenverhältnisses im Zündpunkt, wenn Druck und Temperatur und damit auch die Wand- Wärme-Verluste am größten sind, die Wärmeverluste deutlich sinken und ein besserer thermischer Wirkungsgrad resultiert. Dieser wird auch noch dadurch verbessert, dass das Arbeitsgas aufgrund der Verdichtung auf der Gegenseite bis im unteren Umkehrpunkt im Arbeitszylinder verbleiben kann und nicht wie bei herkömmlichen Motoren bereits 40° vor UT ausgelassen werden muss .By the crossheads is achieved that the piston assembly 2 moves only linear. As a result, the high side forces and the associated friction losses, which occur in conventional engines on the piston skirt, shifted into the crossheads and can be better reduced there due to the oil pressure lubrication. Furthermore, the crossheads allow an extremely long-stroke design of the cylinder. This has the advantage that due to the favorable surface / volume ratio in the ignition point, when pressure and temperature and thus also the wall heat losses are greatest, the heat losses decrease significantly and a better thermal efficiency results. This is also improved by the fact that the working gas can remain due to the compression on the opposite side to the lower reversal point in the cylinder and not as in conventional engines already 40 ° before UT must be omitted.
Das Zusammenschalten der drei Kolben zu einer Baueinheit 2 bewirkt außerdem, dass sich der größte Teil der Gaswechselarbeit in den Arbeitszylindern sowie die Verdichtungsarbeit im Druckluftzylinder 3 antriebsintern von der Expansionsarbeit subtrahiert und nur die Differenz erst am Kurbeltrieb wirksam wird. Auch dadurch reduzieren sich die Reibleistungsverluste, denn diese sind proportional zur Höhe der angreifenden Kräfte.The interconnection of the three pistons to a unit 2 also causes the largest part of the gas exchange work in the working cylinders and the compression work in the compressed air cylinder 3 drivetrain subtracted from the expansion work and only the difference is effective only on the crank mechanism. This also reduces the frictional losses, because these are proportional to the amount of the attacking forces.
Abgesehen davon, dass der Motor mit klassischer Anordnung der Kurbelwelle unterhalb der Arbeitskolben ausgestaltet sein kann, hat die "Überkopf"-Anordnung einige Vorteile: - Verlängerung der Aufenthaltsdauer der Arbeitskolben 1 im Zündumkehrpunkt und damit isochorere Verbrennung und Erhöhung der Drehzahl, insbesondere bei Dieselbetrieb möglich.Apart from the fact that the engine can be designed with a conventional arrangement of the crankshaft below the working piston, the "overhead" arrangement has some advantages: - Extension of the residence time of the working piston 1 in the Zündumkehrpunkt and thus isochoric combustion and increasing the speed, especially in diesel mode possible.
Verringerung der Kolbenbeschleunigung im mechanisch und thermisch hoch belasteten Zündumkehrpunkt, was für einen langhubigen Motor mit prinzipiell höherer mittlerer Kolbengeschwindigkeit wichtig ist.Reduction of the piston acceleration in the mechanically and thermally highly loaded Zündumkehrpunkt, which is important for a long-stroke engine with in principle higher average piston speed.
Die Pleuelstangen werden vor allem auf Zug und kaum mehr auf Druck belastet und können dementsprechend leichter ausgelegt werden.The connecting rods are loaded mainly on train and hardly on pressure and can be designed accordingly lighter.
Die Druckluft im Druckluftzylinder 3, welche bei hohen Drehzahlen durchaus bis zu 15 bar betragen kann, kann über ein Ventil 7 an diesem Zylinder ausgelassen und in einen DruckluftSpeicher 8 überführt werden.The compressed air in the compressed air cylinder 3, which may well be up to 15 bar at high speeds, can be omitted via a valve 7 on this cylinder and transferred into a compressed air storage 8.
Dies wirkt als Motorbremse, und dadurch kann im Schiebe- und Bremsbetrieb eines Fahrzeugs Bewegungsenergie des Fahrzeugs gesammelt und gespeichert werden. Beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs kann über das Ventil 7 Druckluft wieder in diesen Zylinder zurück entlassen werden und damit den Antrieb unterstützen.This acts as an engine brake, and thereby kinetic energy of the vehicle can be collected and stored in the sliding and braking operation of a vehicle. When starting and accelerating the vehicle compressed air can be released back into this cylinder via the valve 7 and thus support the drive.
Die gespeicherte Druckluft kann auch genutzt werden, um den Motor anzulassen und um im Fahrbetrieb Start/Stop zu realisieren.The stored compressed air can also be used to start the engine and to realize start / stop driving.
Das Ventil 7 wird elektromagnetisch gesteuert. Da nur Luft bei moderaten Drücken und Temperaturen geschaltet wird, kann es klein und leicht sein. Nimmt der Druckluftspeicher 8 Druckluft auf (Bremsbetrieb) , öffnet es, sobald Druckgleichheit zwischen Druckluftzylinder 3 und Druckluftspeicher 8 besteht. Die Stelleinheit 6 ist dabei auf maximale Verdichtung eingestellt.The valve 7 is electromagnetically controlled. Since only air is switched at moderate pressures and temperatures, it can be small and light. If the compressed air accumulator 8 receives compressed air (braking operation), it opens as soon as pressure equality exists between compressed air cylinder 3 and compressed air accumulator 8. The actuator 6 is set to maximum compression.
Gibt der Druckluftspeicher 8 Druckluft ab (Anfahrbetrieb) , öffnet es in oder kurz nach OT und kann bei großem Beschleunigungsbedarf bis kurz vor UT, bevor das Belüftungsventil 10 öffnet, geöffnet bleiben. Beim Starten des Motors ist dies auf alle Fälle sinnvoll, damit der Motor schnell auf Leerlaufdrehzahl kommt und die Startemissionen gering bleiben. Die Stelleinheit 6 ist in diesen beiden Fällen auf minimale Verdichtung eingestellt.If the compressed air accumulator 8 delivers compressed air (start-up operation), it opens in or shortly after TDC and can remain open in the event of a great need for acceleration until shortly before UT, before the venting valve 10 opens. When starting the engine, this makes sense in any case, so that the engine quickly comes to idle speed and the starting emissions remain low. The actuator 6 is set to minimum compression in these two cases.
Das Belüftungsventil 10 am Druckluftzylinder 3, in Fig.6 als bloße Schleuse in der Zylinderwand ausgeführt, hat zum einen die Funktion, neue Luft von Atmosphärendruck (oder auch vorverdichtet von einem Turbolader) in diesen Zylinder einzulassen, wenn Druckluft zum Zweck derThe vent valve 10 on the compressed air cylinder 3, performed in Figure 6 as a mere lock in the cylinder wall, on the one hand has the function to admit new air of atmospheric pressure (or pre-compressed from a turbocharger) in this cylinder when compressed air for the purpose of
Bremsenergiezwischenspeicherung in den Druckluftspeicher 8 übergehoben wurde, und zum anderen, wenn zum Beschleunigen des Fahrzeugs Druckluft aus dem Speicher 8 in den Zylinder 3 zurück entlassen wurde, den Restdruck im Druckluftzylinder 3 auf den Turbolader zu leiten, damit dieser schneller anspricht.On the other hand, when for accelerating the vehicle compressed air was discharged from the memory 8 in the cylinder 3 back to direct the residual pressure in the air cylinder 3 on the turbocharger, so that it responds faster.
Da die in den Druckluftspeicher 8 überführte Druckluft verdichtet und dementsprechend erwärmt ist (durchaus bis über 2000C) , wird der Druckluftspeicher 8 nach außen gegen seine Umgebung thermisch isoliert. Weiterhin können die Wärmeverluste aus dem Druckluftspeicher 8 heraus dadurch gering gehalten werden, dass in diesem ein Wärmespeicher 9 (z.B. aus Stahlwolle) eingebaut wird, welcher bewirkt, dass die Temperatur im Druckluftspeicher 8 bei Befüllung mit frischer Druckluft nur moderat ansteigt.Since the compressed air transferred into the compressed air accumulator 8 is compressed and accordingly heated (by far over 200 ° C.), the compressed air accumulator 8 is thermally insulated against its environment to the outside. Furthermore, the heat losses from the compressed air reservoir 8 out can be kept low, that in this a heat storage 9 (eg steel wool) is installed, which causes the temperature in the Compressed air accumulator 8 only increases moderately when filled with fresh compressed air.
Auch ohne die Optionen Bremsenergiezwischenspeicherung und Start/Stop hat der Motor vor allem aufgrund der reduzierten Reibleistungsverluste einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad. Über diese beiden zusätzlichen Funktionen kann jedoch insbesondere im Kurzstrecken-Fahrbetrieb zusätzlich Kraftstoff eingespart werden.Even without the options Brake Energy Buffering and Start / Stop, the engine has improved overall efficiency, mainly due to the reduced friction losses. However, additional fuel can be saved via these two additional functions, in particular in short-distance driving.
Da bei dieser Brennkraftmaschine drei Kolben zu einer Baueinheit 2 zusammengeschaltet sind, wird die oszillierende Masse relativ groß, und für laufruhigen Betrieb ist ein Massenausgleich sinnvoll. Zum Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung kann am Kurbeltrieb 5 in bekannter Weise eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle geschaltet werden. Sollen die Massenkräfte 2. Ordnung auch noch ausgeglichen werden, wäre zumindest eine weitere Welle, welche mit doppelter Drehzahl umläuft, notwendig.Since in this engine, three pistons are connected together to form a unit 2, the oscillating mass is relatively large, and for smooth operation, a mass balance makes sense. To compensate for the mass forces 1st order can be switched on the crank mechanism 5 in a known manner a rotating at a single speed balancing shaft. If the second-order inertia forces are to be compensated, at least one additional shaft, which revolves at twice the speed, would be necessary.
Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit.But there is another way.
Wird der Motor von den Kreuzköpfen 4 weg auf beiden Seiten sowohl oberhalb als auch unterhalb der Arbeitskolben mit einem Kurbeltrieb 5 und 5' ausgestattet (siehe Fign. 2, 3 und 4) und haben beide das gleiche Pleuelstangenverhältnis und sind die umlaufenden Massen an beiden Kurbeltrieben gleich groß, dann kann ein vollständiger Massenausgleich (Massenkräfte 1. und 2. Ordnung, Massenmomente treten keine auf) dann erreicht werden, wenn an jedem Kurbeltrieb eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle angeschaltet ist.If the motor is provided away from the crossheads 4 on both sides both above and below the power pistons with a crank gear 5 and 5 '(see Figures 2, 3 and 4) and both have the same connecting rod ratio and are the rotating masses on both crank gears the same size, then a complete mass balance (mass forces 1st and 2nd order, mass moments do not occur) can then be achieved if at each crank drive rotating at a single speed balancing shaft is turned on.
Dieser Sachverhalt ist in Fig.3 dargestellt. Die oszillierende Masse der Kolbenbaueinheit 2 wirkt auf zwei sich gegenüberliegende Kurbeltriebe 5 und 5', an welchen je eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle 11 angeschaltet ist. Dadurch sind dann automatisch bereits die Massenkräfte 2. Ordnung mit ausgeglichen, weil die Unwucht, welche durch den einknickenden Kurbeltrieb auf der einen Seite entsteht, von der gleichzeitig entstehenden Unwucht am gegenüberliegenden Kurbeltrieb immer gerade ausgeglichen wird.This situation is shown in Fig.3. The oscillating mass of the piston assembly 2 acts on two opposing crank mechanisms 5 and 5 ', to each of which a rotating at a single speed balance shaft 11 is turned on. As a result, the inertial forces of the 2nd order are automatically compensated, because the imbalance, which is caused by the einknickenden crank drive on the one hand, is always compensated straight by the resulting imbalance on the opposite crank mechanism.
Ein solcher 2. Kurbeltrieb wäre für einen 2. Zylinder sehr aufwendig.Such a second crank mechanism would be very expensive for a second cylinder.
Ersetzt man jedoch den Druckluftzylinder 3 nach Fig. 1 durch zwei weitere Arbeitszylinder, so dass man eine 4-Zylinder- Brennkraftmaschine erhält (siehe Fig. 2), so kann diese trotz der großen oszillierenden Masse vollständig ausgewuchtet werden, und über den zweiten Kurbeltrieb 5 ' kann auch noch die Ventilsteuerung für den zweiten Zylinderkopf abgegriffen werden, so dass es keines Zahnriemens bedarf.However, replacing the pneumatic cylinder 3 of FIG. 1 by two further working cylinders, so that one obtains a 4-cylinder internal combustion engine (see FIG. 2), this can be fully balanced despite the large oscillating mass, and the second crank mechanism. 5 'Also, the valve control for the second cylinder head can still be tapped so that it does not require a belt.
Mit der bekannten Zündfolge Expandieren und Ansaugen auf der einen sowie Verdichten und Auspuffen auf der anderen Seite wird die oszillierende Kolbenbaueinheit 2 einem Freikolben gleich immer nur zwischen zwei Gaspolstern hin und her geworfen, und die mechanischen Verluste werden minimal.With the known ignition sequence expanding and sucking on one side and compressing and exhausts on the other side, the oscillating piston assembly 2 is always just tossed between two gas cushions a free piston, and the mechanical losses are minimal.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der durch die Kreuzköpfe 4 ermöglichten langhubigen Auslegbarkeit .Further advantages result from the cross-heads 4 made possible long-stroke expediency.
In Fig.4a/b ist eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine in Drauf- und Seitenansicht dargestellt, bei der zwei Blöcke mit je vier im Rechteck angeordnete Zylinder einander gegenüberliegend angeordnet sind (vgl. DE 199 23 021 Patentanspruch Nr. 15) . Die Zündfolge ist dergestalt, dass immer zwei sich diagonal gegenüberliegende Zylinder einer Seite gleichzeitig zünden, die benachbarten Zylinder dieser Seite ansaugen und die axial gegenüberliegenden Zylinder verdichten bzw. auspuffen.In Fig 4a / b, an 8-cylinder internal combustion engine in plan and side view is shown, in which two blocks, each with four arranged in a rectangle cylinder are arranged opposite to each other (see DE 199 23 021 claim 15). The Firing order is such that always two diagonally opposite cylinders of one side ignite simultaneously, suck in the adjacent cylinders of this side and compress or evacuate the axially opposite cylinders.
Dadurch wird die gesamte Kolbenbaueinheit 2, wie auch die mittig angeordneten Kolbenschubstangen 12, immer symmetrisch mit Expansionskraft beaufschlagt, und es werden Seitenkräfte an den Kolben 1 vermieden. Da weiterhin alle Gaswechselarbeit wie auch ein Teil der Verdichtungsarbeit von der Expansionsarbeit subtrahiert wird, und nur die Differenz am Kurbeltrieb wirksam wird, werden die Reibleistungsverluste minimal.As a result, the entire piston assembly 2, as well as the centrally arranged piston push rods 12, always symmetrically applied with expansion force, and it will be avoided lateral forces on the piston 1. Further, since all gas exchange work as well as a part of the compression work is subtracted from the expansion work, and only the difference in the crank mechanism is effective, the friction losses are minimal.
Auch diese Maschine kann mit einem zweiten gegenüberliegenden Kurbeltrieb vollständig ausgewuchtet werden, indem durch beide Zylinderblöcke hindurch eine Schubstange 12 geführt wird, welche auf die oberhalb der Zylinderköpfe angeordneten Kreuzköpfe 4 und 4 ' wirken, an welchen die Kurbeltriebe 5 und 5' jeweils mit einer mit einfacher Drehzahl umlaufenden Ausgleichswelle 11 entsprechend Fig.3 angeschaltet sind.This machine can be fully balanced with a second opposing crank mechanism by a push rod 12 is guided through both cylinder blocks, which act on the above the cylinder heads arranged crossheads 4 and 4 ', to which the crank mechanisms 5 and 5' each with a simple speed rotating balancer shaft 11 are connected according to Figure 3.
Die bisher beschriebenen Motoren haben zum einen den Nachteil, dass diese über ungewöhnliche Abmessungen verfügen (diese bauen relativ lang) und zum anderen, dass diese nur liegend verbaut werden können, weil sich die Kurbeltriebe jeweils an den Zylinderköpfen befinden.The engines described so far have the disadvantage that they have unusual dimensions (they build relatively long) and on the other hand, that they can only be installed horizontally, because the crank mechanisms are located respectively on the cylinder heads.
Im Folgenden werden deshalb Abwandlungen insbesondere vom in Fig.l dargestellten Konzept beschrieben, mit gleichen oder doch zumindest ähnlichen Funktions- und Leistungsmerkmalen, welche jedoch die vorgenannten Einschränkungen nicht mehr oder nicht mehr in dem Maße haben. Die in den Fign. 5a und 5b dargestellte 2-Zylinder-4-Takt- Brennkraftmaschine verfügt statt über Kreuzköpfe über ein am Motorgehäuse 20 gelagertes Anlenkpleuel 14, welches mittig auf ein Joch 17 wirkt, an welchem außerdem die beiden Arbeitskolben 1 über die Kolbenpleuel 15 sowie die Kurbelpleuel 16 befestigt sind.In the following, therefore, modifications are described in particular of the concept shown in Fig.l, with the same or at least similar features and performance features, which, however, no longer or no longer have the aforementioned limitations to the extent. The in Figs. 5a and 5b illustrated 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine has instead of crossheads via a motor housing 20 mounted Anlenkpleuel 14, which acts centrally on a yoke 17, on which also the two working piston 1 via the Kolbenpleuel 15 and the Kurbelpleuel 16 attached are.
Das Anlenkpleuel 14 ist von seinem Radius her so ausgelegt, dass die Kolbenpleuel 15 in ihren Zylindern nur noch gering ausschwenken und dadurch eine langhubige Auslegung der Zylinder erfolgen kann, mit den bereits genannten Vorteilen. Weiterhin bewirkt das Anlenkpleuel 14 die weitgehende Linearführung der Arbeitskolben 1, so dass die Mischreibung an den Kolbenschürzen nur noch gering ist und statt dessen die vom Kurbeltrieb hervorgerufenen Seitenkräfte überwiegend in einer von mit Drucköl geschmierten Drehbewegung am Joch 17 aufgenommen werden.The Anlenkpleuel 14 is designed by its radius forth so that the Kolbenpleuel 15 swivel in their cylinders only small and thus can take place a long-stroke design of the cylinder, with the advantages already mentioned. Furthermore, the Anlenkpleuel 14 causes the extensive linear guide of the working piston 1, so that the mixing friction on the piston skirt is only small and instead caused by the crank mechanism lateral forces are absorbed mainly in one of lubricated with pressure oil rotary motion on the yoke 17.
Mittig unterhalb vom Anlenkpleuel 14 befindet sich eine mechanische Feder 18, welche die oszillierende Masse im unteren Umkehrpunkt abfängt und für deren Rückbeschleunigung sorgt, so dass auch bei diesem Motor die Rückbeschleunigung nicht mehr vom Kurbeltrieb aufgebracht werden muss und somit ein harmonischerer Drehmomentverlauf resultiert.Centrally below the Anlenkpleuel 14 is a mechanical spring 18 which intercepts the oscillating mass at the lower reversal point and provides for their rear acceleration, so that even in this engine, the rear acceleration does not have to be applied by the crank mechanism and thus a more harmonious torque curve results.
Anmerkung: Bisherige Motoren mit Gelenkpleuel haben den Nachteil, dass sich dabei die oszillierenden Massen vergrößern und nur im 2-Takt-Verfahren alle 360° Kurbelwinkel in OT diese vom Verdichtungsgasdruck abgefangen werden.Note: Previous engines with Gelenkpleuel have the disadvantage that thereby increase the oscillating masses and only in 2-stroke process all 360 ° crank angle in TDC they are intercepted by the compression gas pressure.
Werden jedoch zwei im 4-Takt-Verfahren arbeitende Zylinder über ein gemeinsames Anlenkpleuel mit Federelement unterhalb davon zusammengeschaltet, so bleibt einerseits die Erhöhung der oszillierenden Masse moderat, andererseits wird diese alle 180°, also in allen Kolbenumkehrpunkten, nicht mehr von der Mechanik, sondern von potentieller Energie abgefangen.However, if two cylinders operating in 4-stroke mode are interconnected via a common Anlenkpleuel with spring element below it, so on the one hand, the increase in the On the other hand, it is no longer absorbed by the mechanics but by potential energy every 180 °, ie in all piston reversal points.
Statt dieser mechanischen Feder 18 kann auch ein anderes Element zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie der Kolbenbaueinheit verwandt werden, z.B. wiederum ein Druckluftzylinder oder auch ein elektrisches Verfahren. Bei elektro- oder elektromagnetischen Verfahren kann die Energiezwischenspeicherung in Batterien oder auch in Kondensatoren erfolgen.Instead of this mechanical spring 18, another element may be used to temporarily store the kinetic energy of the piston assembly, e.g. turn a compressed air cylinder or an electrical method. In electrical or electromagnetic methods, the intermediate energy storage in batteries or in capacitors can be done.
Mit einer mechanischen Feder istWith a mechanical spring is
Bremsenergiezwischenspeicherung jedoch nicht möglich. Um jedoch unterschiedlich große kinetische Energien bei unterschiedlichen Drehzahlen abfangen zu können, kann eine Vorrichtung vorgesehen werden, mit der die Vorspannung der Feder entsprechend angepasst wird.However, brake energy buffering is not possible. However, in order to be able to intercept different kinetic energies at different speeds, a device can be provided with which the bias of the spring is adjusted accordingly.
Eine Abwandlung des Prinzips aus den Fign. 5a und 5b ist in Fig.6 dargestellt.A modification of the principle of Figs. 5a and 5b is shown in FIG.
Das Anlenkpleuel ist hierbei zu einem im Motorblock 20 gelagerten Wippe 19 verlängert, und das Speicherelement zur Zwischenspeicherung der Ekin der oszillierenden Massen der beiden Arbeitskolben befindet sich auf gleicher Höhe mit diesen. Dadurch entsteht ein sehr kompakter Motor, wobei, wenn das Speicherelement als Druckluftzylinder ausgeführt wird, dieser als zu den Arbeitskolben 1 gegenläufiger Kolben auch noch deren oszillierenden Masse entgegenläuft, was sich auf die Laufruhe verbessernd auswirken sollte, so dass eine Ausgleichswelle möglicherweise überflüssig wird. BezugszeichenThe Anlenkpleuel is hereby extended to a mounted in the engine block 20 rocker 19, and the storage element for temporary storage of the E k i n of the oscillating masses of the two working pistons located at the same height with these. This results in a very compact engine, which, when the storage element is designed as a compressed air cylinder, this counteracts as opposed to the piston 1 reciprocating piston even their oscillating mass, which should improve the running smoothness improving, so that a balance shaft is possibly superfluous. reference numeral
Arbeitskolbenworking piston
Kolbenbaueinheitpiston assembly
DruckluftzylinderAir Cylinder
Kreuzköpfecrossheads
Kurbeltriebcrankshaft
Stelleinheitactuator
VentilValve
DruckluftSpeicherCompressed air storage
Wärmespeicherheat storage
Belüftungsventilvent valve
Ausgleichswellebalancer shaft
KolbenschubstangenPiston push rods
Anlenkpleuelarticulation connecting rod
KolbenpleuelKolbenpleuel
KurbelpleuelKurbelpleuel
Jochyoke
Federfeather
Wippeseesaw
Motorgehäuse motor housing

Claims

Dr. Franz Brauers 12Patentansprüche Dr. Franz Brauers 12Patentansprüche
1. 2-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine in Reihenanordnung mit Kreuzkopfgetriebe (4), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitskolben (1) zu einer gemeinsamen Baueinheit (2) zusammen geschaltet sind und sich diesen gegenüberliegend eine Vorrichtung zur Speicherung der kinetischen Energie der oszillierenden Massen in potentielle Energie befindet.1. 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine in a row arrangement with crosshead gear (4), characterized in that the two working pistons (1) to a common unit (2) are connected together and this opposite a device for storing the kinetic energy the oscillating masses is in potential energy.
2. 4-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit zwei Reihen von je zwei Zylindern, welche sich achsgleich gegenüber liegen, wobei alle vier Kolben zu einer gemeinsamen Baueinheit (2) zusammengeschaltet sind und der Abtrieb über seitliche Kreuzköpfe (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den beiden Zylinderköpfen je ein Kurbeltrieb (5) und (5λ) mit gleichem Pleuelstangenverhältnis befindet und an jedem Kurbeltrieb zur vollständigen Auswuchtung der Maschine eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle angebracht ist.2. 4-cylinder 4-stroke internal combustion engine with two rows of two cylinders, which are the same axis, with all four pistons are connected together to form a common unit (2) and the output via lateral crossheads (4), characterized characterized in that at the two cylinder heads each have a crank mechanism (5) and (5 λ ) is located with the same connecting rod ratio and attached to each crank mechanism for complete balancing of the machine rotating at a single speed balancing shaft.
3. 8-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit zwei Blöcken von je vier im Rechteck angeordneten Zylindern, welche sich achsgleich gegenüber liegen, wobei alle acht Kolben zu einer gemeinsamen Baueinheit (2) zusammen geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb über zentral zwischen den Zylindern hindurchgeführte Schubstangen (12) erfolgt, welche auf je einen oberhalb der Zylinderköpfe angeordneten Kreuzkopf (4) und (4') mit Kurbeltrieben (5) und (51) wirken, welche beide das gleiche Pleuelstangenverhältnis aufweisen und an welchen zur vollständigen Auswuchtung der Maschine je eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle angebracht ist. 3. 8-cylinder 4-stroke internal combustion engine with two blocks of four cylinders arranged in a rectangle, which are coaxially opposite, with all eight pistons to a common unit (2) are connected together, characterized in that the output via centrally guided between the cylinders guided push rods (12), which act on each one above the cylinder heads arranged crosshead (4) and (4 ') with crank mechanisms (5) and (5 1 ), both of which have the same connecting rod ratio and at which full balancing of the machine per a single speed rotating balancer shaft is mounted.
4. 2-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine in Reihenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitskolben (1) auf ein gemeinsames Joch (17) wirken, welches durch ein Anlenkpleuel (14) mit der Wand des Motors (20) verbunden ist, derart dass die Arbeitskolben (1) in ihren Zylindern weitgehend linear geführt werden, und dass sich unterhalb des Anlenkpleuels (14) eine Vorrichtung zur Speicherung der kinetischen Energie der oszillierenden Massen in potentielle Energie befindet.4. 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine in a row arrangement, characterized in that the two working pistons (1) act on a common yoke (17) which is connected by a Anlenkpleuel (14) with the wall of the motor (20) in that the working pistons (1) are largely linearly guided in their cylinders, and that a device for storing the kinetic energy of the oscillating masses in potential energy is located underneath the Anlenkpleuels (14).
5. 2-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine in Reihenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitskolben (1) auf ein gemeinsames Joch (17) wirken, welches über eine am Motorblock (20) gelagerte Wippe (19) geführt ist, welche an ihrem anderen Ende eine Vorrichtung zur Speicherung der kinetischen Energie der oszillierenden Massen in potentielle Energie aufweist.5. 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine in a row arrangement, characterized in that the two working pistons (1) act on a common yoke (17) which is guided over a motor block (20) mounted rocker (19) which has at its other end a device for storing the kinetic energy of the oscillating masses in potential energy.
6. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energiespeicherung aus einem Zylinder (3) , in welchem ein Pumpenkolben läuft, besteht, in welchem die Energie in Form von Druckluft aufgebaut wird und welcher mit einer Stelleinheit (6) ausgerüstet ist, so dass das Verdichtungsverhältnis an diesem Zylinder in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors variabel eingestellt werden kann.6. Internal combustion engine according to claims 1, 4 and 5, characterized in that the device for energy storage from a cylinder (3) in which a pump piston runs, consists, in which the energy is built up in the form of compressed air and which with an actuating unit ( 6), so that the compression ratio of this cylinder can be variably set depending on the rotational speed of the engine.
7. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energiespeicherung aus einer mechanischen Feder (18) besteht, deren Vorspannung entsprechend der Drehzahl des Motors veränderlich ist. 7. Internal combustion engine according to claims 1, 4 and 5, characterized in that the device for energy storage consists of a mechanical spring (18) whose bias is variable according to the speed of the motor.
8. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur8. Internal combustion engine according to claims 1, 4 and 5, characterized in that the device for
Energiespeicherung aus irgendeinem anderen Verfahren, z.B. einem elektrischen oder einem magnetischen, besteht und die Energie in entsprechende Speicher z.B. Batterien oder Kondensatoren zwischengespeichert wird.Energy storage from any other method, e.g. an electrical or a magnetic, and the energy in corresponding memory, e.g. Batteries or capacitors is cached.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb (5) sich oberhalb der Arbeitszylinder am Zylinderkopf befindet, dergestalt, dass der Kurbeltrieb mit umgekehrter Kinematik läuft und dadurch die Aufenthaltszeit der Kolben im Zündumkehrpunkt verlängert ist.9. internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the crank mechanism (5) is located above the working cylinder on the cylinder head, such that the crank mechanism runs with reverse kinematics and thereby the residence time of the piston is extended in Zündumkehrpunkt.
10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb (5) außermittig gelagert ist, dergestalt, dass die an den Kreuzköpfen (4) hervorgerufenen Seitenkräfte minimal werden.10. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the crank mechanism (5) is mounted off-center, such that the lateral forces produced at the crossheads (4) become minimal.
11. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Druckluftzylinder (3) verdichtete Druckluft in einen Druckspeicher (8) eingeleitet wird, was dann als Motorbremse wirkt, um so bei Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug Bremsenergie zwischenzuspeichern .11. internal combustion engine according to claims 1, 4, 5 and 6, characterized in that in the compressed air cylinder (3) compressed compressed air is introduced into a pressure accumulator (8), which then acts as an engine brake so as to operate the internal combustion engine in a vehicle To buffer braking energy.
12. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Druckluft beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs wieder in den Druckluftzylinder (3) zurückgeführt wird.12. Internal combustion engine according to claims 1, 4, 5, 6 and 11, characterized in that the stored compressed air is returned during startup and acceleration of the vehicle back into the compressed air cylinder (3).
13. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass noch vorhandener Restdruck im Druckluftzylinder (3) am Ende der Expansion auf das Turbinenrad eines etwaig angebrachten Turboladers geleitet wird, derart, dass dieser schneller anläuft und das Turboloch verringert wird.13. Internal combustion engine according to claims 1, 4, 5, 6 and 11, characterized in that still existing residual pressure in the compressed air cylinder (3) at the end of the expansion on the Turbine is routed to a possibly attached turbocharger, such that it starts faster and the turbo lag is reduced.
14. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Druckluft dazu verwendbar ist, die Brennkraftmaschine zu starten und das Fahrzeug im Start/Stop-Modus zu betreiben.14. Internal combustion engine according to claims 1, 4, 5, 6 and 11, characterized in that the stored compressed air is used to start the engine and to operate the vehicle in start / stop mode.
15. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Druckluftspeicher (8) ein Wärmespeicher (9), z.B. aus Stahlwolle, befindet, welcher die mit der im Zylinder (3) verdichteten und somit heißen Druckluft mitgeführte Wärme zum Teil aufnimmt und beim Ausströmen der Druckluft wieder abgibt, so dass sich der Druckluftspeicher (8) weniger erhitzt und weniger Wärmeverluste verursacht werden. 15. Internal combustion engine according to claims 1, 4, 5, 6 and 11, characterized in that in the compressed air reservoir (8) has a heat storage (9), e.g. made of steel wool, which absorbs the with the in-cylinder (3) compressed and thus hot compressed air entrained heat and partially releases the outflow of compressed air, so that the compressed air reservoir (8) heated less and less heat losses are.
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