DE102020002454B3

DE102020002454B3 - Brennkraftmaschine mit intermittierender Verbrennung

Info

Publication number: DE102020002454B3
Application number: DE102020002454.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Heck Gertrud De
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2040-05-09

Abstract

Die Erfindung hat als Ziel eine Brennkraftmaschine mit intermittierender Verbrennung eines Kraftstoff-Gas-Luftgemisches mit optimiertem Antrieb und Abdichtung des Gaswechselsystems sowie mit einer verbesserten Brenngasaufbereitung. Im Gasgehäuse (16) wird ein Gaswechselring (9) vom Planetengetriebe (15) angetrieben, um die Brennräume (8) zu beatmen. Abweichend zum Patent DE 10 2018 007 650 B4 wird der Gaswechselring (9) durch die axial angeordneten Mitnehmerzungen (18) am Umfang des Hohlrades (17) zentrisch seinen thermisch-bedingten, radialen Dehnungen nachgeführt, angetrieben und mit axialen Anlegekräften zur Abdichtung der Brennräume (8) beaufschlagt. (Schema)Diese axialen Anlegekräfte werden durch verschiedene Systeme erzeugt:- Die elektro-mechanisch im Regelkreis nachgeführte Abstützung (19t) des Axialkugellagers (21) führt zur Aufnahme der Gaskräfte oder- die im Patent DE 10 2018 007 650 B4 offenbarte elektro-magnetische Abstützung (19) des Gaswechselringes (9) erzeugt die drehzahlsynchrone Aufnahme der Gaskräfte oder- die Abstützung der Gaskräfte übernimmt impulsgerecht und drehzahlsynchron die spiegelbildliche Anflanschung eines zweiten, volumen- und leistungsgleichen Exzentergehäuses (31). Der zentrale Gaswechselring (9) beatmet beide Exzentergehäuse.Zur verbesserten Homogenisierung des Brenngemisches durch Turbulenzerhöhung während des gesamten Kompressionstaktes wirkt der Exzenterring (1), indem er die Brennräume (8) von den Arbeitskammern (3) in OT-Position abtrennt.

Description

Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften:

DD 59 645 A1
DE 10 2004 034 719 A1
DE 10 2011118 622 B4
US 9 677 434 B2
IT BL 0000 930 026 A
DE 10 2018 007 650 B4

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Bedeutung der Zuverlässigkeit und Einfachheit des Gaswechselsystems von Intermittierenden Brennkraftmaschinen.
Diese Bedeutung zeigt sich neben dem Schwerpunkt Brennraumgestaltung, der z.B. im Patent DE 10 2018 007 650 B4 herausgestellt wurde, immer wieder bei der Analyse der Entwicklung von Brennkraftmaschinen der letzten 100 Jahre.
So zeigen Entwicklungsbeispiele, wie die angeführten Patente und Versuche, sie zu realisieren, dass Flachdrehschieber bei Kolbentriebwerken mit gebräuchlichem Hubvolumen von 0,5 L/Zylinder sowohl unter den hohen Gleitgeschwindigkeiten als auch unter den beachtlichen Gasdrücken bei großflächigen Dichtungsquerschnitten ohne widerstandsfähige Beschichtungen bzw. Einsatz von Keramik und aufwendigen Hartmetallen zu schnell verschleißen. Die Bemühungen, mit großzügiger Schmierung weiterzukommen, führte zu großem Ölverbrauch bei nicht gelöster Sicherheitsproblematik. Darin finden wir häufige, negative Punkte, insbesondere beim Blick auf die Zukunft unserer Umwelt.
Damit ist es für Vorhaben, wie die vorliegende Erfindung, absolut erforderlich, alle bekannten und voraussehbaren Schwachpunkte, selbstverständlich auch die der Kosten und des extremen Werkstoffaufwandes durch knappe und/oder schädliche Ressourcen zu vermeiden. Ebenso verbesserungsbedürftig ist die Brennraumgestaltung nach Lage und Form.
Aufgabenstellung
Hiermit zeigen sich entscheidende Ansatzpunkte für die neue Erfindung einer Brennkraftmaschine:

- in der Kompliziertheit des Antriebs des Gaswechselringes (9) der Brennkraftmaschine nach DE 10 2018 007 650 B4
- die hohe Betriebstemperaturdifferenz dieses Ringes zum Gehäuse von bis zu 400 K,
- die Problematik sicherer, verschleißfreier und autonom kontrollierter Gasdichtheit
- Entfall von aufwendigen Bauteilen,
- Verwendung von normierten Baugruppen für verschiedene Aggregatgrößen,
- extreme Verbrennungsqualität durch optimierte Brenngasaufbereitung.

Lösungen der Erfindung und Ausführungsbeispiel
Antrieb des Gaswechselringes (9), 1 und im Ausführungsbeispiel, 2 und 3 (Arbeitsraum: 0,9 L).
Die Betriebsbedingungen dieses Bauteils, wie hohe Temperaturen in gleitenden Flächen, die zusätzlich unter pulsenden Flächenpressungen von </= 2 MPa auf der Stirnfläche der Spiralbandfedern (14) bei abrupter Leistungsverminderung mit 500°C an den Gaswechselringen (9duo) max. 0,5 MPa (8) auf die ganze anlegbare Fläche (9k) bezogen, aber ohne Flüssigkeitsschmierung bei Relativgeschwindigkeiten von max. 5 m/s laufen, besitzen als Vorteil gegenüber früheren Ausführungsbeispielen von Drehschiebern (z.B. IT BL 0000 930 026 A die genannten geringen Relativgeschwindigkeiten und Flächenpressungen deutlich < 2 MPa, die auch die Verwendung vorteilhafter Werkstoffe wie Grauguss erlauben. Hierbei ist berücksichtigt, dass nur bestimmte, extreme Betriebszustände bei Festkörperberührung Gaswechselring (9) / Seitenteil (13g) die genannten Flächenpressungen erreichen. (3, 7, 8) Die Erfindung geht davon aus, dass die mittleren Flächenpressungen in (9k) nur ein Antriebsdrehmoment von 15 Nm erfordern, da die flächenwirksamen Anlegekräfte durch die dagegen wirkenden Gaskräfte reduziert werden, die, wie in 8 gezeigt, die volltragende Kontaktgleitfläche (9k) zulassen. Diese geringen Festkörperreibmomente werden durch die gezielte Vorspannung der kegeligen Spiralbandfedern (14) erreicht, die mit einer Vorspannung von je 30 N die theoretische Spaltfreiheit zwischen Gaswechselring (9) und Seitenteil (13g) einstellt. Bei geringer Dauerbelastung der Spiralbandfedern (14) von p ~ 0,66 MPa Flächenpressung auf der Federkontaktfläche und mittlerer Reibgeschwindigkeit von v ~ 5 m/s bei Drehzahl der Exzenterwelle (7) von n = 5000 U/min wird die Verlustleistung Pv ~ 450 W pro Gaswechselring (8), d.h. Dauerfestigkeit ist für die beteiligten Bauteile zu erwarten. Die Anlegekräfte werden dazu regelkreisunterstützt erzeugt (4) unter Verwendung der momentan entstehenden Daten der Regelgrößen Antriebsdrehmoment, Temperaturdifferenz (9)/(2) sowie der Störgrößen z.B. ZFW-Zahl, Lastprognose, Laderdruck. Nicht nur, um zu vermeiden, dass bei Volllast mit entsprechend hohem Anlegedruck und plötzlichem Übergang in den Leerlauf, wo sich die puffernden Gaskräfte abrupt vermindern und sich der Gaswechselring (9), ohne dynamisches Eingreifen des Regelkreises (4), in eine Bremsscheibe verwandeln würde, sondern dass auch Dauerfestigkeit ohne Verschleißvorgänge, über die Einlaufvorgänge der beteiligten Bauteile hinaus, gesichert wird.
Das innenverzahnte Hohlrad (17), welches die Übertragung des Antriebsdrehmomentes des Planetensatzes (15) und die Gasreaktionskräfte vom abstützenden Axiallager (21) in den 12 Mitnehmerzungen (18) des Ausführungsbeispiels zusammen führt und auf den Gaswechselring (9) überträgt, hat in seinen Eigenschaften: Präzision, Verschleißfestigkeit und Federkonstanten eine große Bedeutung für den sicheren, wartungsfreien Betrieb der Anlage. Das U-förmige Profil dieses im Ausführungsbeispiel (3) mit Außendurchmesser ca. 280 mm großen Ringes bietet nicht nur eine robuste Grundlage für die Mitnehmerzungen (18), sondern ermöglicht auch die Verwindungs- und Spreizwiderstände, die erforderlich sind, bei pulsenden, axialen Gaskräften die Mitnehmerzungen (18) in stabiler axialer Lage zu halten. Die Biegesteifigkeit der Mitnehmerzungen (18) nimmt die umfänglich gleichmäßig auftretenden Wärmedehnungen elastisch auf und somit erfüllen die Zungen (18) sowohl ihre zentrierende wie auch rückführende und antreibende Funktion. Auch die zusätzlich positiv wirkenden Axialkräfte eines schrägverzahnten Planetentriebes (15) werden über die Mitnehmerzungen (18) an den Gaswechselring (9) weitergegeben.
Die elektro-mechanisch mittels Linearaktuatoren (19t) positionierte Abstützung des Axialkugellagers (21) erleichtert die Optimierungsaufgabe des Regelkreises (4) in einfacher Weise. Um die geforderte Flächenpressung zwischen Gaswechselring (9) mit seiner Kontaktgleitfläche (9k) auf dem Seitenteil (13g) für vollflächigen Kontakt einzuhalten, fahren die Linearaktuatoren (19t) entsprechend der bekannten, gespeicherten Kenndaten der Spiralbandfedern (14) zu dem damit verbundenen Antriebsmoment des Gaswechselrings (9) und spannen dabei auch die Vorspannungsfedern (19v). Dieser Vorgang spielt sich z.B. während der ersten 3 Umläufe (Dauer ~ 3s) des Gaswechselrings (9) nach Anlasserstart ab. Damit ist dem Motormanagement (54) bekannt, in welchem Zustand sich, abhängig von den Temperaturen der verschiedenen beteiligten Bauteile, Kühlwasser nach Betriebsruhe, die Abstützungen der Linearaktuatoren (19t) mit ihrer Vorspannungsfeder (19v), der Gaswechselring (9) und die Spiralbandfedern (14) befinden: die Spiralbandfedern (14) sind maximal bis zum Anschlag der Kontaktgleitfläche (9k) auf dem Seitenteil (13g) gespannt und durch die Vorspannungskräfte (19v) herrscht in der Kontaktgleitfläche (9k) der Sollwert der Flächenpressung Ap von z.B.: 0,03 MPa einschließlich der Pressung auf den Spiralbandfedern (14). Da hierbei vom Gaswechselring (9) schon Antriebsmomente (36) festgestellt werden, kann sogar eine Aussage gemacht werden über die Gleitreibungsverhältnisse im abdichtenden Kontakt der gespannten Spiralbandfedern (14) / Seitenteil (13g), was sowohl für den momentanen Start des Motors, wie auch zur Verfolgung des Motorzustandes bzgl. Wartung und Sicherheit im Datenspeicher des lernenden Motormanagements (54) von Bedeutung ist. Diese Kalibrierungen müssen nach Änderungen der Motorlast z.B. abhängig von der Abgastemperatur wiederholt werden. Das federnde Glied (19v) in der Übertragungskette Aktuator (19t)/Axiallager (21) vergrößert die Verfahrwege der Linearaktuatoren (19t) und hilft ganz entscheidend, dem Regelkreis (4) die Stellgrößen zur Feinabstimmung des Kontaktgleitflächenzustandes zu dosieren. (3)
Die bekannte elektro-magnetische Erzeugung der gasdruckbedingten Anlegekräfte des Gaswechselringes (9) benötigt demgegenüber keine Kalibrierung der Magnetlage (19), da nach dem Anlasserstart, der z.B. mit der 100% - Vorspannung (19a) = 450 N der Spiralbandfedern (14) erfolgt, sofort Daten vom Antriebsdrehmoment (36) des Gaswechselringes (9) für die permanenten Optimierungen der Dichtverhältnisse durch die Funktionen des Regelkreises (4) zur Verfügung stehen. Die 100% Grund-Vorspannung der Spiralbandfedern (14) sind auch für die Grundlast des Axialkugellagers (21) erforderlich und sichern das volle Tragen in der Kontaktgleitfläche ab. Die hier erforderliche Ausgangsbasis für die Arbeit der Elektromagnete erfolgt durch die Übernahme des Drehmomentergebnisses (36) bei den vorgegebenen Werten der Vorspannung (9a). Der dynamische Verlauf der Magnetkräfte (19) stellt aktiv den Gaskräften, die axial auf den Gaswechselring (19) einwirken, die Magnetkräfte entgegen, die keinen Abstand Gaswechselring (19) zum Seitenteil (13g) zulassen. Diese Stellgröße wird aus dem Wert des zugehörigen gemessenen Antriebsmoments (36) des Gaswechselringes (9) errechnet und ist als mittlere Größe zu verstehen. Aufgrund der mit der Leistungsanforderung ansteigenden Brenngasdrücken wird das Antriebsdrehmoment am Gaswechselring (9) durch die abnehmenden Flächenpressungen reduziert, was nur ohne Entspannung der Spiralbandfedern (14) erwünscht ist. Das Verhalten der Antriebsdrehmomente (36) zeigt diesen Grenzwert des beginnenden Abhebens des Gaswechselringes (19) aus der Kontaktgleitfläche (9k) an. Da die Gaskräfte umlaufend mit der Frequenz der Exzenterwelle (7) pulsieren, stellt sich bei simultaner, gleichstarker Ansteuerung der Aktuatoren, also zentral wirkendem Eingriff der Magnetkräfte, eine axiale Taumelschwingung des Gaswechselringes (9) und auch eine Neigung zur Rotationsschwingung ein. Eine drehzahlsynchrone Komponente der im Regelkreis 4 errechneten Magnetkräfte wirkt diesen Schwingungsneigungen entgegnet. Die Drehzahlsynchronität bezieht sich auf die Exzenterwelle (7).
Eine weiterführende Lösung zur Aufnahme der auf den Gaswechselring (9) wirkenden Gaskräfte, bietet der Betrieb mit einer gleichdimensionierten spiegelbildlich angeflanschten Exzentergehäuseeinheit (31lks). (6) Hierzu wird der Gaswechselring (9duo) geteilt und vom Teilungsspalt aus durch federnde C-Dichtringe oder Tellerfeder-Dichtungen (20) mit der Kontaktgleitfläche (9k) an die Seitenteile (13g) gedrückt. Die Dichtungsfedern (20) nehmen die Wärmedehnung der Gaswechselringe (9duoa u. 9duob) auf, die mit entsprechender Hysteresis dem Lastwechsel folgt. Der Teilungsspalt ist nach der maximalen Wärmedehnung + Sicherheitsabstand ausgelegt. Beide Gehäuse (31lks) und (31rts) werden vom zentralen Gasgehäuse (16duo) und damit von den geteilten Gaswechselringen (9duoa) und (9duob) beatmet. (6, 7) Das Ausführungsbeispiel in 6 (Durchmesser ~ 500 mm) erlaubt mit der Verdoppelung der Motoreinheit, bei effektivem Einsatz nur eines Gaswechselgehäuses (16duo), ein Arbeitsvolumen von 2,8 L zu realisieren (6). Da beim symmetrischen Betrieb der beiden gleichwertigen Exzentergehäuse (31lks, rts) kein freier, axialer Kraftvektor am Gaswechselringsatz (9duo) existiert, entfällt das Axialkugellager (21), das bei der Mono-Ausführung auch die radiale Führung des Planetenhohlrades (17) übernimmt. (3, 6) Das Planetenhohlrad (17) ist im Verbund mit den beiden Mitnehmerzungenkränzen (18duo) auf dem Planetensteg (34) mittels Gleitlagerung zentriert. Die Mitnehmerzungenkränze (18duo) führen die Gaswechselringe (9duoa) und (9duob) radial, indem sie wie bei der Mono-Ausführung den Wärmedehnungen des Gaswechselringes (9duo) elastisch folgen. Die axiale Führung des Verbundes Planetenhohlrad (17) / Mitnehmerzungenkränze (18duo) übernimmt der Gaswechselringsatz (9duo). (6) Das Gasgehäuse (16duo) besteht nur noch aus einem Ring, der die Verteiler-Kanäle für Kühlwasser enthält, welches, von einer Ringleitung (24) aus, die axialen Kanäle zu den Brennräumen (8) versorgt. Auch die Bohrungen für Luft und Abgas führen radial rundum zu ihren jeweiligen Ringverteilern (41) in den Gaswechselringen (9duoa) und (9duob). Zur Trennung von Luft und Abgas im Gasgehäuse (16duo) ist um den Gaswechselring (9duo) ein Labyrinth mit Druckluftzufuhr (23) eingesetzt, die auch für das Belüftungsventil (55) genutzt wird. Da das Gasgehäuse (16duo) keine Seite für die Aggregataufnahme besitzt, ist der Schrittmotor für die Steuerzeitenverstellung (35) mit Drehmomentsensor (36) im Seitenteil (13g) des Exzentergehäuses (31lks) montiert. Die Zuleitung verläuft über den Ölsammlerring (28) im (13g). 6 Die flexible Wahl der Zündfolge ZFW, wie vom Patent DE 10 2018 007 650 B4 bekannt, kann bei dem Duo-Motor angewendet werden. Mit den 30 Brennkammern des Ausführungsbeispiels erreicht man im ZFW-Betrieb eine größere Gleichförmigkeit des Motorlaufs, indem z.B. bei 50%-Betrieb, wo nur jeder 2. Brennraum aktiv ist, die beiden Brennraumkreise um eine Zündfolgezahl versetzt gezündet werden. Das bedeutet, dass bei ZFW 50% die 15 aktivierten Brennräume (8) nicht paarweise gleichzeitig, sondern gleichmäßig hintereinander zünden. Mit der asymmetrischen Wahl der ZFW-Zahl zwischen beiden Exzentergehäusen werden eventuell auftretende Resonanzschwingungen durch Verwendung von ZFW -Variationen im Regelkreis 3 vermieden.
Die zentrale Frage der Betriebssicherheit, liegt beim Duo-Motor (6), parallel zum Thema Trockenreibung auf der Kontaktgleitfläche (9k), in der Temperaturdifferenz zwischen dem gekühlten Gasgehäuse (16duo) und Gaswechselring (9duo). Bei Verwendung von Al-Legierungen für das Gasgehäuse (16duo) und z.B. Gusseisen für den Gaswechselring (9duo) ist dies durch die Nutzung der relativ kleinen Wärmedehnungsfaktoren von Eisenwerkstoffen zu lösen. Mit geeigneten Keramikwerkstoffen mit sehr geringer Wärmedehnung für die Gaswechselringe (19duo) ist der vorzugebende Federweg der C-Teilungsfedern (20) im Trennspalt der beiden Gaswechselringteile (9duoa) und (9duob) entsprechend kleiner auszulegen. (siehe auch [0005]) Wie schon in [0003] angedeutet, hat die Sicherheit bei der Dichtungsfrage absoluten Vorrang. So kann die sichere, möglichst blowby-freie Dichtung in der Kontaktgleitfläche (9k) nur gewährleistet werden, wenn neben den gespannten Spiralbandfedern (14) in der Kontaktgleitfläche eine dauerhafte Flächenpressung bei gleitfähiger Oberfläche besteht. Dazu erzeugen die Dichtungsfedern (20) im Teilungspalt des Gaswechselringsatzes (19du0) auch dauernde Flächenpressungen in der Kontaktgleitfläche [9k]. Diese Aufgabe der Dichtungsfedern (20) besteht neben dem Wärmedehnungsausgleich GWR/Gasgehäuse. (8) Im Motormanagement (54) werden permanent zu den Temperaturdifferenzen ΔT auch die Reibungszustände zwischen Gaswechselring (9duo) und Seitenteil (13g) über den Drehmomentsensor (36) im Schrittmotorantrieb der Stegsteuerzeitenverstellung (35) überwacht (4) und mittels Regelkreis 4 durch die Stellgrößen ZFW-Zahl und Kühlwassertemperatur eingegriffen.
Die Brennraumgestaltung (1) hat mit der Lage im Seitenteil (13g) den Vorteil, dass mit der Exzenterringbewegung (1) das gesamte Volumen des Brennraumes (8) im Seitenteil (13g) konzentriert werden kann, was eine kompaktere Form der Brennräume (8) ermöglicht, Die Zündungs- und Einspritzeinrichtungen (11) befinden sich im Seitenteil (13g). 1 Neben dem Vorteil von geringeren Wärmeverlusten bei den thermisch wichtigsten Vorgängen Verdichtung und Verbrennung, wird vor allem während der Kompression eine intensive Turbulenz erzeugt, in deren Maximum sehr gezielt Kraftstoff eingespritzt wird.
Darstellungen zum Ausführungsbeispiel
1 zeigt als Übersicht die Weiterentwicklungen des Gaswechselantriebs gegenüber dem Patent DE 10 2018 007 650 B4 So ist das Profil und die Lage des Planetenhohlrades (17) mit seinen Mitnehmerzungen (18) zu erkennen. Das Axialkugellager (21) liegt zwischen den Aktuatoren (19) und dem Planetenhohlrad (17).
Die 1 mit dem verlagerten Exzenterring (1) wurde hinzugefügt, um anhand dieses schematischen Motorlängsschnittes diesen wichtigen Entwicklungspunkt hervorzuheben. Die Zünd- und Einspritzvorrichtungen (11) sind im Seitenteil (13g) eingebaut. Auch die in der Endphase des Kompressionstaktes sehr intensive Turbulenz ist in dem gewölbten Brennraum (8) angedeutet.
In der Zeichnung 2 zeigen die Motorschnitte die Weiterentwicklung des Patentes DE 10 2018 007 650 B4 mit der Lage und Gestaltung des neuen Planetenhohlrades (17) mit seinen Mitnehmerzungen (18). In 3 ist die neue Erfindung mit vergrößerten Merkmalen wiedergegeben. Hier ist deutlich zu erkennen, wie kompakt und materialsparend die Führungskette von den Vorspannungsfedern (19a) und (19v) über Aktuator (19) bzw. (19t) und Axialkugellager (21) zum Planetenhohlrad (17) mit den 12 Mitnehmerzungen (18) aufgebaut ist.
Die Lage der 12 Mitnehmerzungen (18) ist in Fig, 5 im Quer- bzw. Segmentschnitt E - F hervorgehoben.
In 4 hat sich gegenüber Patent DE 10 2018 007 650 B4 die Zahl der möglichen Stellgrößen um die elektrischen Linearaktuatoren (19t) und die Kühlwassertemperatur erhöht. Die Temperaturdifferenz Gaswechselring (9) zum gekühlten Gasgehäuse (16) hat die Regelgrößen um einen wichtigen Sicherheitspunkt erweitert, um auch die Problematik beim Duo-Motor (6) zu berücksichtigen. Bei den Störgrößen ist auch die ZFW-Wahl von Bedeutung, da sich infolge der fortlaufenden Optimierung des Betriebes sowohl Drehzahl als auch Lastprognose an der Zahl der aktiven Brennräume (8) orientieren.
Die Ölversorgung des Duo-Motors 6 hat ihren Zulauf im Ölringverteiler (28a) im Exzentergehäuse (31rts) und spritzt von dort aus über eine Zentralbohrung der Exzenterwelle (7) in das Zentrum des Gasgehäuses (16duo). Vom schnelllaufenden Sonnenrad des Planetengetriebes wird der entstehende Ölnebel radial über das Planetengetriebe durch Öffnungen an den Mitnehmerzungen (18) und zu den Absaugöffnungen an den Innendurchmessern der Gaswechselringe (9duoa, 9duob) geführt. Von den Absaugöffnungen über die Sammelringleitungen (28) beider Exzentergehäuse (31rts und lks) findet die Absaugung durch das regelkreisunterstützte Vakuum der Exzentergehäuse (31rts und lks) über die Rollenhauptlagerlager (29), Ölsammelringleitungen (26) und Gewindeanschluss (64) ihren Ausgang.
In 7 und 8 ist die Situation an dem geteilten Gaswechselring (9duo) des Duo-Motors aufgezeigt. Die Darstellung in 8 besitzt keine lineare Zeitbeziehung! Die Abszisse zeigt die Motorleistung, statisch gesehen, als ΔT bzw. als Wärmeausdehnung des Gaswechselringsatzes (9duo). Dazu enthält 7 alle Bezugszeichen, die bei der Flächenpressungsanalyse der 8 verwendet werden. Für die Wirkung der Kräfte werden Vorzeichen +/- verwendet, die sich auf die Flächenpressungen Ap in der Kontaktgleitfläche (9k) zwischen den Gaswechselringen (19duo) und den Seitenteilen (13g) beziehen.

Die schematische Darstellung der Flächenpressung Ap zeigt in 3 verschiedenen Verläufen auch extreme Betriebszustände des Duo-Motors nach 6: Starten, sofortiger Sprint mit kaltem Motor, Wechsel Bremsen/Beschleunigen (untere Kurve). Der gestrichelte Verlauf zeigt entlang seiner Pfeile Flächenpressungen Ap aus Volllast abruptes Bremsen welches die Gasdrücke pg =0 werden lässt, wobei die Flächenpressungen Ap über die festeingestellten Vorspannungen bei Start hinaus schießen und anschließenden Leerlauf mit langsamem Abkühlen der Gaswechselringe, wo die Flächenpressungen Ap zum Startzustand mit seiner Vorspannung aus (20) zurück kehren. Die mittlere Kurve zeigt ruhigeres Verzögern aus Volllast mit anschließender Wiederbeschleunigung unter etwa gleich bleibender Last und in Richtung Startzustand infolge Lastzurücknehmens (pg = 0) die Flächenpressung Ap wieder ansteigen lässt. Deutlich wird bei allen Kurven, dass die Flächenpressungen Ap in der Kontaktgleitfläche (9k) nicht verloren gehen, wenn die Vorspannung in den Teilungs-C-Federn (20) korrekt eingestellt wird. Sehr anschaulich zeigt die gestrichelte Kurve in ihrem Gipfel mit 150% der Startpressung die Wirkung der noch hohen Temperatur des Gaswechselringsatzes (9duo) nach der Volllast, die der Abkühlung voraus geht.

Liste der Bezugszeichen Brennkraftmaschine AZ 10 2020 002 454.8
Bezug	Bedeutung	Bemerkungen
(1)	Exzenterring	Treibt Exzenterwelle (7) über Lager (30) an
(2)	Gehäusering, Innenradius = R	bildet mit den Seitenteilen (13g), (13öl) das Exzentergehäuse (31) für (1) und (7)
(3)	Arbeitskammern	Expansionsraum im Innenraum zwischen (2) und (1), Exzenterkammerraum (3a)
(4)	Trennschieber	Haupt-(4a), Nebenschieber(4b), Federführung(4c), Blattfeder(4d), Kalottenschlitz(Ae), Haltebolzen (4f), Führungsnasen(4g)
(5)	Zylinderkalotten geviertelt	Viertelkalotten lang (5a) u. kurz (5b) quergeteilt für Federaufnahme (5c), Vorspannung(5d), Aufgaben: Führung und Abdichtung von Trennschieber (4) zu Exzenterring (1), Seitenteilen (13g), (13öl) und Dichtungssegmenten (39)
(7)	Exzenterwelle
(8)	Brennraum	Raum außerhalb der Exzenterkammern (3) bei OT
(9)	Gaswechselring
(9k)	Kontaktgleitfläche	Kontakt zwischen Gaswechselring (9) und Seitenteil (13g)
(9duo)	Zentraler Gaswechselring	Zusammenschaltung zweier Exzentergehäuse
(10)	Einschnitt	Teil der Brennkammer
(11)	Einspritzventil, Zündkerze
(12)	Einlasskanal	bildet mit Auslasskanal (65) das Gaswechselprogramm im Gaswechselring (9)
(13)	Seitenteile	Gasseite (13g), Kupplungsseite (13öl)
(14)	Spiralbandfeder, kegelig gewickelt	Abdichtelement zwischen Brennraum (8), Brennraumöffnung (22) und Gaswechselring (9) 100% Spannung => Nullspalt zwischen (9) u. (13g)
(15)	Planetenradantrieb	3 Planetenradsätze zum Antrieb des Gaswechselringes (9)
(16)	Gasgehäuse	Gehäuse der Gaswechselseite
(16duo)	Gasgehäuse des Duo-Motors	Gehäuse der zentralen Gaswechseleinheit
(17)	Innenverzahntes Hohlrad des Planetengetriebes	trägt die Mitnehmerzungen (18) zum Antrieb des Gaswechselringes (9)
(18)	Mitnehmerzungenkranz am Hohlrad (17)	Antrieb des Gaswechselringes (9) und Zentrierung bei Wärmedehnungsausgleich mit 12 achsparallelen Mitnehmerzungen (18)
(18duo)	Doppelte Mitnehmerzungenkränze mit Lagerringen	Aufnahme des Hohlrades (17), Antrieb des Gaswechselringes (9duo) und dessen Zentrierung bei Wärmedehnungsausgleich
(19)	Aktuator, Vorspannung (19a), Linearaktuator (19t) mit Vorspannungsfeder (19v)	Elektro-magnetische Gaswechselring- Anlegung oder Linearaktuator (19t) auf Lager (21) wirkend
(20)	C-Feder oder Tellerfeder als Teilungsfedern	Teilungsfederdichtungen im Trennschnitt der Gaswechselringe (9duoa und 9duob). Sie nehmen die Wärmedehnung Dw = f(ΔT) auf
(21)	Axiales Kugellager	Abstützung des Gaswechselringes (9)
(22)	Brennraumöffnung	zwischen Gaswechselring (9) und Brennräumen (8)
(23)	Labyrinth-Dichtringe mit Druckluftzufuhr	zwischen Gasgehäuse (16) und Gaswechselring (9)
(23duo)	Labyrinth-Dichtringe mit Druckluftzufuhr	im Gasgehäuse (16) zwischen den beiden Gaswechselringen (9duo)
(24)	Ringleitung Kühlwasser ein im Gasgehäuse (16)	Ringverteiler(24a) u. (24b) im Seitenteil (13g) als Ringleiter zur Kühlung der Brennkammern (8)
(25)	Ringleitung Kühlwasser aus	integriert im Seitenteil (13öl)
(26)	Ringleitung Ölnebelsammler	integriert im Seitenteil (13öl)
(27)	Ölzufuhr Gasseite	nur in der Mono-Ausführung
(28) (28a)	Ölverteilerring Exzenterseite Ölsammlerring Exzenterseite Ölleiterring für Zulauf	im Seitenteil (13g) + (13öl), nur im Seitenteil (13g) nur für Seitenteil (13rts)
(29)	Hauptlager Exzenterwelle (7)	Zylinderrollenlager
(30)	Exzenterlager	Zylinderrollenlager
(31)	Exzentergehäuse,	Enthält: Exzenterring (1), Gehäusering (2), Seitenteile (13g), (13öl), Arbeitskammern (3), Exzenterwelle (7), Trennschieber (4), Zylinderkalotten (5)
(31lks) (31rts)	Exzentergehäuse für Zusammenschaltung
(33)	Abgasführung	im Gasgehäuse (16) aus Ringraum des Gaswechselringes (9)
(34)	Planetensteg	Verstellung Gaswechselzeiten
(35)	Steuerzeitenverstellung	Schrittmotorantrieb
(36)	Drehmomentsensor	für Antriebsmoment des Gaswechselringes (9)
(41)	Einlassringraum	Einlassverteiler integriert im Gaswechselring (9)
(51)	Temperatursensor	Gasgehäuseseite, Gaswechselseite
(54)	Regelgerät	im Motormanagement
(55)	Belüftungsventil	für Gasgehäuse (16)
(61)	Ölabflüsse	durch Trennschieber (4) gesteuert
(65)	Auslasskanal
ZFW	Brennkammer-Zündfolgenwahl	Lastbedingte Auswahl der Brennkammern (8) durch Zündfolgenvariation mit Beteiligung aller Brennkammern, flexible Brennkammer -ab und - zuschaltung durch Kraftstoffzuteilung
R	Innenradius	vom Gehäusering (2)
e	Exzentrizität	Radius der Zirkulationsbewegung des Exzenterringes (1)
ms	Millisekunden
p	Druck in Megapascal [MPa]
MPa	Druckeinheit	1 Megapascal = 1 N/mm² -> 10 bar
Pv	Verlustleistung in Watt [W]
L	Liter	Volumeneinheit des Arbeitsraumes (3)
L/s	Liter pro Sekunde	Öl-Gas-Gemischmengen pro Zeit
OT	Oberer Totpunkt	Gaswechsel od. Kompressionsmaximum bei 4Takt
GWR	Gaswechselring (9)
ΔT	Temperaturdifferenz [K]	Gasgehäuse (16duo)/ Gaswechselring (9duo)
SBF	Kräfte [N] der Spiralbandfedern (14)	spaltvergrößernd und werden bei Spalt = 0 z.B. mit 30 N vorgespannt
Fc	Kräfte [N] der Teilungsfedern (20)	Pressung Ap in der Kontaktfläche (9k) erhöhend und legen mit der Vorspannung die Gaswechselringe (9duo) an die Seitenteile (13g)
pg	Brenngasdruck [MPa]	vermindert die Flächenpressung Ap: den Federkräften Fc entgegen gerichtet
Dw	Wärmedehnung [µm] der Gaswechselringe (9duo)	erhöht die Flächenpressung Ap durch die Temperaturdifferenz ΔT.
Ap	Flächenpressung GWR / (13g)	Wichtigste Größe in Kontaktgleitfläche (9k) Bedingung: Ap = f (Fc, SBF, pg, Dw) > 0

Claims

Die Brennkraftmaschine mit intermittierender Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches enthält, Gehäusering (2), der mit zwei Seitenteilen (13g) und (13öl) das Exzentergehäuse (31) mit einem Innendurchmesser von 2 x R bildet. In diesem Gehäuse ist die drehbare Exzenterwelle (7) mit der Exzentrizität e zentrisch gelagert, in dessen Seitenteil (13g) eine große Anzahl von Brennräumen (8) kreisförmig angeordnet sind, die mit zugeordneten Arbeitskammern (3) des Exzentergehäuses (31) durch Einschnitte (10) verbunden sind, deren Volumen und Form nicht nur das geometrische Verdichtungsverhältnis mitbestimmt, sondern auch die Durchmischbarkeit des Brenngases beeinflusst. Für den Gaswechsel einer beliebigen Anzahl von Brennräumen (8) sorgt mindestens ein drehbar gelagerter, abgedichteter und mit den verbrennungsprogrammgerechten Kanälen und Dichtflächen ausgerüsteter Gaswechselring (9), der vom Gasgehäuse (16) aus die Brennräume (8) beatmet. Die Antriebselemente und die Lagerung mit ihrer Abstützung der Gaskräfte des Gaswechselringes (9) übertragen nicht nur Drehmoment und Dichtungskräfte sondern gleichen auch die Wärmedehnungsdifferenzen gegenüber dem Gasgehäuse (16) aus, dadurch gekennzeichnet, dass - zwischen einem Planetenhohlrad (17) und dem Gaswechselring (9) gleitreibungsunabhängige mechanische Elemente zur spielfreien Übertragung von tangentialen und axialen Kräften eingesetzt werden, die ohne Wechselwirkung auf die Qualität der Dehnungsnachführung und der Zentrierung des Gaswechselringes (9) arbeiten, dass - die Abstützung des Axiallagers (21) des Gaswechselringes (9) durch elektro-mechanische Elemente erzeugt wird, dass - bei der bekannten elektro-magnetischen Erzeugung der Abstützungskräfte des Axiallagers (21) zumindest ein Teil der Axialkräfte des Gaswechselringes (9) drehzahlsynchron zur Exzenterwelle (7) erfolgt, dass - sich die axialen Gaskräfte des Gaswechselringes (9) durch Zusammenschaltung von zwei gleichdimensionierten Exzentergehäusen (31) in Bezug auf die axiale Abstützung des Gaswechselrings (9) eliminieren und dass - sich das Volumen der Brennkammern (8) durch das Positionieren des Exzenterringes (1) und/oder der Lage der Brennkammern (8) im Seitenteil (13g) ohne Einschnitte (10) auf die Lage im Seitenteil (13g) konzentriert.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Gaswechselring (9) vom kugelgelagerten, innenverzahnten Hohlrad (17) mit mehreren am Umfang des innenverzahnten Hohlrades (17) gleichmäßig verteilten axial ausgerichteten Zungen (18), in Taschen des Gaswechselringes (9) greifend, angetrieben und zentriert wird, dass - die Belastung des innenverzahnten Hohlrades (17) durch die zu übertragenden Gaskräfte nur eine Verformung zulässt, die weder die Lage der Zungen (18) noch die Eingriffspräzision der Innenverzahnung beeinträchtigt und dass - die Zentrierung des Gaswechselringes (9) durch die gleichmäßig am Umfang des innenverzahnten Hohlrades (17) radial-federnden Zungen (18) entsprechend der Wärmedehnung des Gaswechselringes (9) nach- bzw. zurückgeführt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung der pulsierenden Gaskräfte am Axiallager (21) durch mechanische Widerlager erfolgt, die mittels Linearaktuatoren (19t) justiert werden, die innerhalb des Regelkreises nach den Temperatur-Differenzen Gaswechselring (9) - Gasgehäuse (16), dem Antriebsmoment des Gaswechselringes (9) aus Drehmomentsensor (36) und der Lastprognose des Motormanagement-Algorithmus (54) arbeiten und dass - die Linearaktuatoren (19t) über Vorspannungsfedern (19v) das Axiallager (21) abstützen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Dimension der drehzahlsynchronen Dynamik des jeweiligen Anteils der gesamt erforderlichen Anlagekräfte der elektro-magnetischen Aktuatoren (19) die Regelung des Anlegedruckes in jeder Betriebssituation sichert, dass - zusätzlich zur druckbelasteten Kontaktgleitfläche (9k) federnde Spiralbandfedern (14), die Brennräumöffnungen (22) umschließend, in Einstichen unter Vorspannung (19a) arbeiten, dass - der Laderdruck im Ringraum (41) des Einlasses (12) beim Aufbau der Anlegekräfte des Gaswechselringes (9) im Regelkreis berücksichtigt wird dass - axiale Kräfte vom schrägverzahnten Planeten-Antrieb (15) als selbstregelnde Komponente der Anlegekräfte des Gaswechselringes (9) in die Stellgrößenberechnung der Systemregelung einbezogen werden und dass - das Motormanagement (54) die im Betrieb erworbenen Daten für die Optimierung des Regelkreisverhaltens und für die Qualitäts-Verfolgung des Motorzustandes verwendet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Brennkammern (8) zweier zusammengeschalteter Exzentergehäuse (31) gemeinsam von einem Gaswechselringsatz (9duoa + 9duob)) beatmet werden, dass - das Zungenringpaar (18duo) auf dem Planetensteg (34) mittels Gleitlager zentriert und axial vom Gaswechselring (9duo) geführt wird, dass - die Druckluftzufuhr der Labyrinth-Dichtung (23duo) für das Belüftungsventil (55) verwendet wird und dass - der elektrische Schrittmotor (35) zur Verstellung der Gaswechselphasen am Planetensteg (34) mit seinem Drehmomentsensor (36) in einem Seitenteil (13g), wird.
Brennkraftmaschine nach 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die Freigängigkeit des Gaswechselringes (9duo) bei jeder Belastung des Motors durch die Federwege der C-Federn/Tellerfedern (20) gewährleistet wird, die größer als die maximale Wärmedehnungsdifferenz zwischen den Gaswechselringen (9duoa und 9duob) und dem Gasgehäuse (16duo) sind, dass - die Federsteifigkeiten, -höhen und -wege der beiden Federsätze C-Federn (20) und Spiralbandfedern (14) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Kontaktgleitflächen (9k) zwischen den Gaswechselringen (9duo) und den Seitenteilen (13g) bei jeder Belastung des Motors die Seitenteile (13g) kontaktieren, dass - im kalten Motorzustand nicht nur die Spiralbandfedern (14) bis zum vollen Tragen der Gaswechselringe (9duo) in den Kontaktgleitflächen (9k) durch die C-Federn (20) gespannt werden, sondern gleichzeitig die maximal zu erwartende Flächenpressung in (9k) hergestellt wird und dass - die beim Starten des Motors gewonnenen Daten des Gaswechselringantriebs (15) bezüglich Reibwerte und Temperaturen (51) im Motormanagement (54) als Grundlage der Überwachung und Regelung des Motorbetriebes verwendet werden.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass - beim ZFW-Betrieb der zusammengeschalteten Exzentergehäuse ein besserer Gleichlauf aller 30 vorhandenen Brennkammern (8) durch eine versetzte Zündfolgeaktivierung der beiden zusammengeschalteten Exzentersysteme erreicht wird, dass - auch bei asymmetrischem Betrieb mit zwei spiegelbildlich montierten Exzentergehäusen (31) regelkreisunterstützt das für jede Lastanforderung ermittelte optimale Drehmoment des Gaswechselringantriebs (15) eingehalten wird, dass - die Ölversorgung durch zentrale Einspritzung aus der Exzenterwelle (7) im Gasgehäuse ins Zentrum des Planetensatzes (15) erfolgt, dass - nach der Versorgung des Planetensatzes (15) die Absaugung des Öl-Gas-Nebels von der Innenkante des Gaswechselringes (9duo) durch umfänglich verteilte Verbindungsbohrungen in die Ölsammelringe (28) beider Seitenteile (13g) führt, von wo über die Exzenterwellenlager (29) mittels Unterdruck der Exzentergehäuse (31lks und 31rts) über die Kalotten-Trennschiebersätze (4) in die Ringleitungen (26) und ins Aufbereitungssystem zurückgeführt wird und dass - das Kühlwasser von der Ringleitung (24) zur Schleife um die Brennräume (8), durch die Kühlleitungen der Gehäuseringe (2) und Ringleitungen (25) ausfließt. 6)
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Brennräume (8) vom Exzenterring (1) bei seinem Weg nach OT von den Arbeitskammern (3) abgeriegelt werden, dass - die Brennräume (8) eine ovale und kompakte Form besitzen, dass - die Überdeckung zwischen Brennräumen (8) und Exzenterring (1) bei 2 x e liegt 1) und dass - die Kraftstoffeinspritzung und Zündanlage (11) im Seitenteil (13g) liegen.