DE102015002385A1 - Twin crank planetary gear for Atkinson engine - Google Patents
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Abstract
Für einen Atkinson-Motor wird das Doppelkurbel-Planetengetriebe vorgeschlagen. Die Doppelkurbel wird aus zwei Kurbeln zusammengebaut, und zwar so, dass „Kopf” der Innenkurbel als Drehachse für die Außenkurbel dient. Die Rotation der Innenkurbel bewirkt mittels eines Planetengetriebes die Rotation der Außenkurbel in die Gegenrichtung mit der zweifachen Winkelgeschwindigkeit. Durch die Zusammenwirkung der beiden Kurbeln bewegt sich der Zapfen der Außenkurbel auf einer geschlossenen Laufbahn, die drei Symmetrieachsen aufweist. Alle drei Symmetrieachsen sind mit Hilfe jeweils eines üblichen Pleuels für die Hubbewegung des Kolbens mit zwei verschiedenen Hubhöhen geeignet, wodurch sich der Aufbau eines Dreizylinder Sternmotors anbietet. Alle vier Takte des Kreisprozesses werden innerhalb einer Umdrehung der Innenkurbel durchgeführt, wie es bei dem konventionellen Atkinson-Motor der Fall ist.For an Atkinson engine, the double crank planetary gear is proposed. The double crank is assembled from two cranks, in such a way that "head" of the inner crank serves as an axis of rotation for the outer crank. The rotation of the inner crank causes by means of a planetary gear, the rotation of the outer crank in the opposite direction at twice the angular velocity. The interaction of the two cranks, the pin of the outer crank moves on a closed track, which has three axes of symmetry. All three axes of symmetry are suitable with the help of a common connecting rod for the stroke movement of the piston with two different lifting heights, which offers the structure of a three-cylinder radial engine. All four strokes of the cyclic process are performed within one revolution of the inner crank, as is the case with the conventional Atkinson engine.
Description
Beim Verbrennen von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren entsteht im Molar Maß gemessen mehr Abgas als die eingesaugte Luftmenge. Dazu hat Abgas eine höhere Temperatur. Beide Faktoren zusammen führen zum Energieverlust mit dem Abgas des Motors. Bei manchen Kolbenmotoren wird heißes Abgas außerhalb des Motors in einer Turbine expandiert um ein Teil der Energie von Abgas für den Antrieb eines Laders zu benutzen. Eine erweiterte Expansion des Gases direkt im Motor würde den Energieverlust mit dem Abgas wesentlich reduzieren. Dafür soll der Kolben einen verlängerten Expansionshub (bzw. Arbeitshub) haben. 1882 entwickelte James Atkinson die Kinematik eines Kolbenmotors der zwei verschiedene Hubhöhen innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung hat. Für den Ansaugtakt und den nachfolgenden Komprimierungstakt ist beim Atkinson-Motor die kleinere Hubhöhe bestimmt. Der Arbeitstakt (bzw. Expansionstakt) mit dem anschließendem Auspufftakt werden mit einem größeren Kolbenhub durchgeführt. Die zwei verschiedenen Hubhöhen werden mit einer zusätzlichen Kurbelschwinge und einem weiteren Pleuel zwischen Kurbelwelle und Kolben erzielt. Die zusätzlichen schwingenden Teile erzeugen eigene Trägheitskräfte, die die Drehzahl des Motors begrenzen und seine Leistungsdichte senken. Der zum Atkinson-Motor zugehörige thermodynamische Kreisprozess wird Atkinson-Zyklus genannt. Zwar hat der Atkinson-Motor einen höheren Wirkungsgrad, doch wegen seiner Nachteile konnte er sich gegenüber dem Otto-Motor nicht durchsetzen.When burning fuel in internal combustion engines measured in Molar measure measured more exhaust gas than the intake air. This exhaust gas has a higher temperature. Both factors together lead to energy loss with the exhaust of the engine. In some reciprocating engines, hot exhaust gas is expanded outside the engine in a turbine to use a portion of the energy of exhaust gas to drive a supercharger. An extended expansion of the gas directly in the engine would significantly reduce the energy loss with the exhaust gas. For the piston should have a prolonged expansion stroke (or working stroke). In 1882 James Atkinson developed the kinematics of a piston engine that has two different lift heights within a crankshaft revolution. For the intake stroke and the subsequent compression stroke, the Atkinson engine determines the smaller lift height. The power stroke (or expansion stroke) with the subsequent exhaust stroke are carried out with a larger piston stroke. The two different lift heights are achieved with an additional rocker arm and another connecting rod between the crankshaft and piston. The additional oscillating parts generate their own inertial forces which limit the speed of the motor and lower its power density. The thermodynamic cycle associated with the Atkinson engine is called the Atkinson cycle. Although the Atkinson engine has a higher efficiency, but because of its disadvantages, he could not prevail over the gasoline engine.
1947 entwickelte Ralph Miller eine spezielle Ventilsteuerung bei der das Einlassventil im Vergleich zum Otto-Motor früher schließt. Die Ladungsmenge wird dadurch verkleinert, dementsprechend wird das Expansionsverhältnis vom Arbeitsgas gegenüber dem Kompressionsverhältnis größer. Durch diese Ventilsteuerung wird ein ähnliches Ergebnis erzielt wie beim Atkinson-Motor ohne in den Kurbelwellentrieb des Kolbens einzugreifen. Nach seinem Erfinder wird der zum Miller-Motor zugehörige thermodynamische Kreisprozess Miller-Zyklus genannt.In 1947, Ralph Miller developed a special valve control system in which the intake valve closes earlier compared to the gasoline engine. The amount of charge is thereby reduced, accordingly, the expansion ratio of the working gas becomes larger than the compression ratio. By this valve control, a similar result is achieved as in the Atkinson engine without interfering with the crankshaft drive of the piston. According to its inventor, the Miller engine associated thermodynamic cycle is called Miller cycle.
In Zeiten kontinuierlich steigenden Kraftstoffpreisen sowie stets strengeren Umweltschutzanforderungen gewinnen die effizienten Motoren an Bedeutung. Insbesondere bei den Hybrid-Fahrzeugen werden Motoren eingesetzt die nach dem Atkinson-Zyklus, bzw. Miller-Zyklus funktionieren. Bei allen diesen Motoren wird eine flexible Ventilsteuerung verwendet. Zum Beispiel, beim aktuellen Toyota Prius im Unterschied zum Miller-Zyklus wird das Einlassventil erst sehr spät geschlossen und dadurch der Komprimierungstakt nicht am Unteren Totpunkt des Kolbens sondern später beginnt. Durch das noch geöffnete Einlassventil strömt ein Teil der Ladung wieder heraus. Im Ergebnis dauert der Komprimierungstakt kürzer gegenüber dem Expansionstakt (bzw. Arbeitstakt), was dem konventionellen Atkinson-Zyklus entspricht. Nach diesem Merkmal unterscheidet man heute die Motoren: Schließt das Einlassventil früher – spricht man von Miller-Zyklus; beim späten Schließen des Einlassventils kommt der Atkinson-Zyklus zustande. Der Unterschied zwischen den Zyklen liegt im theoretischen Bereich, die Effizienz des Motors ist von weiteren Faktoren abhängig.In times of continuously rising fuel prices and increasingly stringent environmental protection requirements, efficient engines are gaining in importance. Especially in the hybrid vehicles engines are used after the Atkinson cycle, or Miller cycle work. All these engines use a flexible valve control. For example, in the current Toyota Prius, unlike the Miller cycle, the intake valve closes very late and thus the compression stroke does not begin at the bottom dead center of the piston but later. Through the still open inlet valve, part of the charge flows out again. As a result, the compression stroke lasts shorter than the expansion stroke (or stroke), which corresponds to the conventional Atkinson cycle. Today, engines are distinguished by this feature: if the intake valve closes earlier, it is called the Miller cycle; When the intake valve closes late, the Atkinson cycle is established. The difference between the cycles is in the theoretical range, the efficiency of the engine depends on other factors.
Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.This briefly describes the state of the art.
Hier wird der Aufbau eines Hubkolbenmotors vorgeschlagen der nach dem Atkinson-Prinzip innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung zwei verschiedene Hubhöhen nat. Die zwei verschiedenen Hubbewegungen des Kolbens werden ohne Einführung von zusätzlichen schwingenden Teilen erzielt. In der
Das Bewegungsprofil des Zapfens der Außenkurbel ist auf den
Die Hubbewegung des Kolbens (K) hat einen Oberen Totpunkt (OT) und zwei Unteren Totpunkte (UTkom) und (UTexp) die auf den
Auf der
Auf der
Auf der
Auf der
Auf der
Auf der
Die Hubbewegung des Kolbens (K) innerhalb einer Umdrehung der Innenkurbel (r) ist im Diagramm auf der
Das Planetengetriebe, das die Innen- und Außenkurbel miteinander verknüpft, ist auf der
Auf der
Damit das Zahnrad (Ba) in die Gegenrichtung zum Rahmen, in dem es gelagert ist, mit der zweifachen dessen Winkelgeschwindigkeit rotiert, sind die richtige Zähneverhältnisse aller Zahnräder erforderlich. Für die Zahnräder auf der
Durch die Auswahl der Planetenzahnräder verschiedener Größe soll das Auswuchten des Motors erleichtert werden. Im Falle eines symmetrisch aufgebauten Dreizylinder Sternmotors soll das Auswuchten einfacher ausfallen. Die rotierenden Planetenzahnräder speichern kinetische Energie wodurch der Motor eventuell ohne Schwungrad auskommen kann.By selecting the planet gears of different sizes, the balancing of the engine should be facilitated. In the case of a symmetrically constructed three-cylinder radial engine balancing should be easier. The rotating planetary gears store kinetic energy which may cause the engine to fly without a flywheel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009038061 [0005, 0015, 0015] DE 102009038061 [0005, 0015, 0015]
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