DE19512998C2 - Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Das System ist angelehnt an die Arbeitsspiele eines Zweitakt- bzw. Viertakt-Kolbenmotors mit innerer Verbrennung, wobei jedoch die Schub-Wendebewegung des Arbeitselements durch die Schwenk-Wendebewegung ersetzt wird. Die Konstruktion ist sowohl für Otto- und Diesel-, wie auch Glühkopfverfahren geeignet.

Als Stand der Technik werden die Druckschriften DE-OS 26 39 530 und DE 43 24 097 A1 herangezogen. Druckschrift DE-OS 26 39 530 beschreibt einen Zweitakt- Zweikammer-Schwenkkolbenmotor mit zwei Schwenkkolben. Bei dieser bekannten Anordnung wird der erzeugte Gasdruck von einer rechteckigen Fläche des Schwenkkolbens aufgenommen. Der erzeugte Drehimpuls wird mit Hilfe einer an dem Schwenkkolben direkt angelenkten Pleuelstange an die Kurbelwelle weitergegeben.

Die Druckschrift DE 43 24 097 A1 beschreibt einen Viertakt-Ver­ brennungsmotor, der aber vom Prinzip des Anmeldungsgegenstandes zu weit abweicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Motor mit hohem Wirkungsgrad, geringem Verschleiß und kleinen Abmessungen zu konstruieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Patent­ anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Kraftimpulse aus Verbrennungsgasen wirken auf ein schaufelförmiges Teil (9) (Die in den Zeichnungen dargestellte kantige Schaufelform ist nur für die vereinfachte [geschweißte] Herstellung eines Prototyps bestimmt; für die Serienfertigung ist eine gerundete Form maßgebend!) und werden über die Arbeitseinheit in ein Drehmoment umgewandelt.

Wie im Schema der Kinematik, Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt, wirkt die durch die Verbrennung des Treibstoff-Luft­ gemisches im Brennraum entstehende Druckzunahme auf die Schaufel eines Pendelelements (9) und erzeugt das Pendelmoment. Dieses Moment wird über Pendelwelle (24), Schwingarm (21) und Pleuelstange (20) in das Drehmoment im Kurbelsystem (16) umgesetzt und schließlich auf das große Schwungrad (Fig. 1) übertragen. (s. Legende zur αp und βw). Durch den langen Arm der Resultanten des Gasdruckes und den großen Pendelwinkel wird ein hohes Pendelmoment erreicht. Damit ermöglicht dieses Prinzip und die kinematische Anordnung eine effektivere Nutzung der Energie. Dazu führen noch, im Vergleich zu Konstruktionen herkömmlicher Motoren, eine Reihe neuer- bzw. tiefer analysierter Faktoren, die in ihrer Gesamtheit weitere Vorteile bieten, wie:

• 1. Kleiner und leichter Motorblock.
• 2. Niedrige Fertigungskosten.
• 3. Die unterschiedlichen Radien der Winkelbewegung (Unterschied im Dekrement des Volumens auf dem größeren Radius im Verhältnis zum Volumen auf dem kleineren Radius) zwingt zusätzlich die Strömung der Luft bzw. des Gemisches in radiale Richtung (nach innen). Das schafft bessere Bedingungen für die Vermischung sowohl des Treibstoffes mit der Luft wie auch der Flammenfront nach der Zündung und führt zu einer besseren Verbrennung.
• 4. Die mögliche Verwendung einer Wälz-Vollagerung bewirkt einen geringeren Reibungswiderstand, wodurch auch eine längere Standzeit erreicht wird.
• 5. Großes Hubvolumen (durch Pendelhub) bei kleinerem Hub des Pendelmassen-Schwerpunktes und kürzeren Winkelweg der Massen-Mitte.
• 6. Das System kann sowohl für die Fremd- wie auch für die Selbstzündung verwendet werden.
• 7. Die Rundform der Konstruktion ergibt eine große Steifheit.
• 8. Mögliche Verwendung einer Zahnradsteuerung mit obenliegenden Steuerwellen bedingt durch kleine Achsabstände der Räder.
• 9. Entlastung des Schwingarm-Kurbelwellenbereichs von Trägheitskräften der Pendelmassen im Hinblick auf die Abbremsung der Massen beim Anwachsen des Verdichtungs­ druckes im Brennraum in der Endphase jeder Pendel-Periode.
• 10. Der Einsatz einer sehr kurzen Pleuelstange bewirkt:
  • a) kleinere Pleuelstangenmasse und größere Knick-Festigkeit,
  • b) schneller Zuwachs des theoretischen Pleuelarms (im Kurbelsystem), was von großer Bedeutung in der Anfangsphase der Entspannung ist, d. h. bei Gas- Hochdruck-Entspannung.
• 11. Die Längenveränderung des Schwingarms (21) mittels exzentrischer Aufsetzung des Bolzens ermöglicht sowohl eine Fremd- wie auch eine Selbstzündung (Diesel) bei nahezu gleicher Konstruktion.

Den Entwurf eines Viertaktmotors mit zwei 2-schaufeligen Pendeleinheiten, 4 Brennräumen (= 2 Arbeitsräume) enthalten die Zeichnungen Fig. 3 bis 6. Die volle Symmetrie bei allen Spielen (Einlaß, Verdichtung, Arbeit und Auslaß) ist damit erreicht. Eine Vielfachheit des Systems ist ausführbar (z. B. 8, 12, 16, . . . Brennräume).

• a) Arbeitsweise eines Viertaktmotors im symmetrischen System - mit vier Brennräumen (2 Einheiten sind auf beiden Seiten des Kurbel-Schwingarmsystems symmetrisch angeordnet) oder einer Vielfachheit dieses Systems.

In jedem Arbeitsspiel bewegen sich die Pendeleinheiten in einem bestimmten Pendel-Winkel, bei welchem sich die Kurbelwelle mittels des Kurbel-Schwingarmsystems um 180 Grad dreht.

Schema der Kinematik Fig. 6

Phase I: Einheit I (linke Seite):

Raum 1 - Verdichtung
Raum 2 - Entspannung (Arbeit)

Einheit II (rechte Seite):

Raum 3 - Auslaß
Raum 4 - Einlaß (Ansaugung)

Phase II: Einheit I (linke Seite):

Raum 1 - Entspannung (Arbeit)
Raum 2 - Auslaß

Einheit II (rechte Seite):

Raum 3 - Einlaß (Ansaugung)
Raum 4 - Verdichtung

Zugrunde gelegte Winkelwerte:
30 Grad < αp < 60 Grad
60 Grad < βw < 120 Grad

Den Entwurf eines Zweitaktmotors mit zwei 1-schaufeligen Pendeleinheiten, 2 Brennräumen (= 2 Arbeitsräume) sowie einem Berechnungsvorgang enthalten die Zeichnungen Fig. 7 bis 12. Eine Vielfachheit des Systems ist ausführbar (z. B. 1, 2, 4, 6, . . . Brennräume).

• b) Arbeitsweise eines Zweitaktmotors im symmetrischem System mit zwei Brennräumen (2 Pendeleinheiten sind auf beiden Seiten des Kurbel-Schwingarmsystems symmetrisch angeordnet). Das Arbeitsspiel im Brennraum 1 gibt dieser Einheit eine Winkelbewegung und löst das Pendelmoment aus, welches auf das Kurbelsystem (über den Kurbel-Schwingarm-Mechanismus) übertragen wird, um dort in das Drehmoment umgesetzt zu werden. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt im Brennraum 2 die Verdichtung der Ladung (Luft bzw. Treibstoff-Luft-Gemisch) bis zum erforderlichen Druck. Der Auslaß der Abgase findet in der Endphase der Entspannung (Arbeitsspiel) statt, durch Austritt über die im Brennraumkopf angeordneten Ventile. Öffnen und Schließen der Ansaugkanäle bewirkt die Schaufel der Pendeleinheit.

Es ist vorgesehen, den einleitenden Ladevorgang über wenige Arbeitsspiele mittels eines Verdichters zu vollziehen.

Schema der Kinematik Fig. 8

Phase I:

Entspannung (Arbeit)
Umkehr der Pendeleinheit am Brennraumkopf

Phase II:

Verdichtung
Umkehr der Pendeleinheit an Kurbelwelle
Auslaß und Einlaß (Ansaugung).

Zugrundegelegte Winkelwerte:
 0 Grad < αp < 30 Grad
90 Grad < βw < 120 Grad

Legende

αp - Winkel zwischen Schwingarm- und Kurbelwellenachse in der Wendelage des Pendelelements. Die Wahl von αp bestimmt den Momentanwert der Übersetzung des Kurbelsystems im Verhältnis zum Schwingsystem iz, welcher im bestimmten Punkt des Schwingarm-Winkelweges beim Pendelwinkel βw = 110 Grad bis etwa 1,9 erreichen kann. Die Stellung des Schwingarms zum Kurbelsystem ist auf Zeichnung Fig. 2 der Anlage 3 dargestellt.

βw - Winkel zwischen den Wendelagen des Pendelelements. Die Wahl dieser Komponente bestimmt das Pendel-(Hub)volumen.
Pkt. 1 - Wendelage am Brennraumkopf,
Pkt. 2 - Wendelage der Kurbel,
rw - Schwingarmradius,
rwz - veränderlicher Schwingarm (theoretisch), senkrecht in Richtung der entlang der Pleuelstangenachse wirkenden Kraft,
rk - Kurbelarm im Kurbelsystem (konstanter Radius),
rkz - veränderlicher Kurbelarm (theoretisch), senkrecht in Richtung der Pleuelstange wirkenden Kraft,
Pkt. z - Achslage des Pleuelstangenkopfes auf der durch den Schwingarmradius bestimmten Krümmung,
Pkt. z′ - Achslage des Pleuelstangenfußes in Verbindung mit Punkt z auf der durch den Kurbelradius bestimmten Krümmung,
Mwz - das in Wert und Richtung veränderliche Pendelmoment,
n, Mkz - Dreh- und Wirkungsrichtung des im Wert veränderlichen Kurbel-Drehmoments,
k - Pleuelstange
n . . . - Anzahl der Drehungen und Richtung
Ka - Auslaßkanal
Ks - Ansaugkanal
Rs - Ansaugrohr
Vs - Ansaugventil
Va - Auslaßventil
Pu - Umkehrpunkt (I und II) des Pendelelements
Öl - Schmier- und Kühlöl

Positionsverzeichnis

1 Steuerwelle
2 Ventilhebel
3 Ventilfeder
4 Auslaßventil
5 Ansaugventil
6 Abdichtende Segmente (zwischen Brennräumen, Schaufeln und der seitlichen Flächen des Pendelelements)
7 Brennraumkopf mit Ventil-Steuerungsgetriebe (3 Auslaßventile)
8 Pendelwellenkanal
9 Pendelelement
10 Gehäuse
11 Kühlwasserraum
12 Verschraubung
13 Wälzlager
14 Ventil-Steuerungsgetriebe
15 Haube
16 Kurbel-Schwingarmsystem
17 Gehäuse des Kurbel-Schwingarmsystems
18 Packung
19 Seitliche Hauben des Arbeitsraumes
20 Pleuelstange
21 Schwingarm
22 Brennraum
23 Kleines Schwungrad
24 Pendelwelle
25 Kurbelwelle
26 Zündkerze bei Fremdzündung, Einspritzung bei Selbstzündung
27 Schwingeinheit (Pendelelement, Pendelwelle, Schwingarm)
28 Schaufel- und deren Formen

Zeichnungen mit Berechnungsbeispiel

1 Schema der Kinematik
2 Stellung des Schwingarms zum Kurbelsystem
3 Viertaktmotor, Zusammenstellung
4 Pendelelement mit Brennraum, Schnitt A-A
5 Pendelelement mit Brennraum, Schnitt B-B
6 Querschnitt mit Schema der Kinematik des Kurbel-Schwingarmsystems
7 Zweitaktmotor mit einschaufeligem Pendelelement
8 Schema der Kinematik des Kurbel-Schwingarmsystems eines Zweitaktmotors mit einschaufeligem Pendelelement
9 Kinematische Schemas für Zwei- bzw. Vier­ taktmotore
10 Schema I, Zweitaktmotor mit 2 Brennräumen
11a/b Schema II, Zweitakt-Dieselmotor mit 2 Brennräumen
12a/b Berechnung, Zweitaktverfahren mit 2 Brennräumen

Claims (7)

1. Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor für Zwei- und Viertaktverfahren mit folgenden Merkmalen:

• - einem auf einer Pendelwelle (24) gelagerten Pendel­ element (9) zur Erzeugung eines oszillierenden Pendelmoments
• - einem Pendelelement (9) zur Aufnahme der Gasdruck­ energie, dessen Arbeitsfläche von einer rechteckigen Form abweicht,
• - einem Kurbel-Schwingarmsystem (16) zur Umwandlung des Pendelmoments in das Drehmoment einer Kurbel­ welle (25), wobei der Schwingarm (21) auf der Pendelwelle (24) fixiert ist und das Pendelmoment über eine gelenkte Pleuelstange (20) an die Kurbel­ welle (25) weitergegeben wird.

2. Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, mit trapezähnlicher Arbeitsfläche des Pendelelements (9).

3. Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, mit gerundeter Arbeitsfläche des Pendelelements (9).

4. Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem das Pendelelement (9) mit zwei Schaufeln, zwei Brennräumen und einem Arbeitsraum ausgeführt ist.

5. Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem das Pendelelement (9) mit einer Schaufel, einem Brennraum und einem Arbeitsraum ausgeführt ist.

6. Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Schwingarm (21) einen Pendelwinkel βw von minimal 90 Grad und maximal 130 Grad überstreicht; der Winkel αp bewegt sich dabei im Bereich größer 0 Grad bis maximal 30 Grad.

7. Schwenkschaufel-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem eine Änderung des Verdichtungsgrades durch Längenveränderung des Schwingarms (21) mittels exzentrischer Aufsetzung des Schwingarmbolzens erzielt wird.