DE3620127A1 - Verfahren fuer dne antrieb eines hubkolben-verbrennungsmotors mit verschiedenen zeiten fuer den hin- und rueckgang des kolbens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anwendung des Systems der umlaufenden Schubkurbel bei Umwandlung einer gleichförmigen Drehbewegung und von der Achse der Schubbewegung rechtwinklig im Abstand versetzten Anordnung der Lage der Kurbelwelle mit verschiedenen Zeiten für den Hin- und Rückgang, wobei die Addition aus Kurbelradius und dem Maß der Versetzung, d.h. der Exzentrizität, kleiner als die Länge der Schub­ stange zwischen Kurbelzapfen und dessen Anlenkung am Gleitkörper ist, für den Antrieb eines Hubkolben-Ver­ brennungsmotors.

Ein solches System wird durch Dubbel, Taschenbuch Maschinenbau, 13. Auflage, Band 1, Seite 866 er­ wähnt. Unter Abschnitt b) Schubkurbelgetriebe wird die Um­ wandlung einer gleichförmigen Drehbewegung einer um­ laufenden Schubkurbel in eine hin- und hergehende Schubbewegung beschrieben. Ein von 180° abweichender Kurbelwinkel, und in Ver­ bindung damit, eine sich einstellende Exzentrizität, ergibt zwei verschiedene Zeiten für die geführte Schub­ bewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt.

Dieser aus der Getriebetechnik, im Rahmen der Ge­ triebesynthese, genannte Weg, eine gleichförmige Dreh­ bewegung in eine in ihrer Länge konstante Schubbewe­ gung, jedoch mit zwischen ihren Wendepunkten jeweils unterschiedlicher Vor- und Rücklaufzeit, ist grundsätz­ lich als interessant anzusprechen, da sie auch im Rahmen des Hubkolben-Verbrennungs­ motorbaues neue Perspektiven vermitteln kann.

In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, das in zwei Kurbelwellenumdrehungen sich vollziehende Ar­ beitsspiel eines Otto-Viertaktmotors zu betrachten.

Erster Takt: Ansaugen
Durch das Abwärtsgehen des Kolbens entsteht infolge der Raumvergrößerung ein Unterdruck von 10 bis 20 kPa und dadurch eine Saugwirkung. Das Frischgas strömt über das Einlaßventil in den Zylin­ der, wobei man, um die Strömungsenergie völlig auszu­ nutzen, das Einlaßventil kurz vor Erreichung des OT öffnet und dieses erst bei 40 bis 60° nach dem UT schließt. Die mit dieser überschneidenden Ventileinstellung sich ergebende Frischgasfüllung beträgt dabei nur etwa 75% des tatsächlichen Saugvolumens.

Dieser nicht befriedigende Füllgrad kann lediglich durch strömungstechnische Optimierung der Ansaugwege geringfügig verbessert werden, da die starke Verwirbe­ lung während des Ansaugprozesses einer Erhöhung der Füllung grundsätzlich entgegensteht.

Zweiter Takt: Verdichten
Der Verdichtungshub des Kolbens reduziert das Volumen des Frischgases etwa auf den zehnten Teil des ursprüng­ lichen Zylinderraumes.

Die dabei entstehende Verdichtungstemperatur liegt in der Regel über 500°C, so daß sich ein Verdichtungs­ druck von etwa 1,5 MPa bis 1,7 MPa einstellt. Die Energieausnutzung wächst mit der Höhe des Verdich­ tungsverhältnisses, sie ist aber umgekehrt durch die Selbstzündung, d.h. durch das Klopfen, beschränkt. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung bleifreier Kraftstoffe.

Dritter Takt: Arbeiten
Da vom Überspringen des Zündfunkens an der Kerze bis zur vollen Entwicklung der Flamme eine geringe Ver­ zögerung arbeitet, wird im allgemeinen zwischen 0 und 40° vor der Erreichung des OT gezündet. Der Verbrennungsdruck liegt in einem Bereich zwischen 4 MPa u. 5 MPa während die Verbrennungstemperatur bis zu 2500°C ansteigt. Beim Abwärtstreiben des Kolbens wird die Wärmeenergie in Arbeit umgewandelt, dabei sinken Druck und Temperatur bis zum UT auf etwa 0,4 MPa bzw. auf ca. 900°C ab.

Vierter Takt: Ausstoß
Zur Entlastung des Schubkurbeltriebes ist vorgesehen, daß das Auslaßventil bereits 40 bis 60°C vor Erreichung des UT öffnet. Die verbrannten Abgase treten mit bis zu dreifacher Schallgeschwindigkeit aus dem Zylinder aus, wobei der Abgasrest, bei einem Staudruck von etwa 20 kPa ausgestoßen wird.

Das Auslaßventil schließt erst kurz nach Überschreitung des oberen Totpunktes, wobei das Einlaßventil bereits angehoben ist. Hier wird also der Wirkungsgrad im Interesse der Restspülung und Kühlung des Verbrennungsraumes re­ duziert.

So viel zu den Einzeltakten des Arbeitsspieles.

Betrachtet man das Ergebnis dieser zwar nicht voll­ ständigen und diskussionsfähigen Diagnose, so stellt sich im Hinblick auf eine eventuell mögliche Leistungs­ steigerung das Ziel, ein Verfahren nach der eingangs beschriebenen Art zu nennen, das

zu Takt 1weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Füllung, zu Takt 2eine Reduzierung der Verdichtungstemperatur, zu Takt 3ein schnelleres Absenken der Verbrennungstemperatur und Einstellung einer niedrigeren Endtemperatur während des Weges des Kolbens zum unteren Totpunkt, und zu Takt 4die Verringerung der Überschneidungszeit des geöffneten Einlaß- und Auslaßventiles

zuläßt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß der Zeitbedarf für die Zurücklegung der vom OT zum UT führenden Wegstrecke für den niedergehenden Kolben durch eine aus einem über 180° hinausgehenden Kurbelwinkel resultierende Bogenlänge des im Kurbel­ radius bewegten Kurbelzapfens bestimmt ist und der Kurbelzapfen damit einen größeren Anteil des für eine Umdrehung erforderlichen Zeitbedarfes beansprucht, und daß der Zeitbedarf für die Zurücklegung der vom UT zum OT führenden Wegstrecke des ansteigenden Kol­ bens durch den verbleibenden Differenzwinkel zu 360° bestimmt ist und damit den kleineren Anteil des für eine Umdrehung des Kurbelzapfens erforderlichen Zeit­ bedarf beansprucht.

Durch die Zuordnung des längeren Zeitanteiles für den Niedergang des Kolbens aus seiner OT-Lage in seine UT-Lage, und damit der Verkürzung des Zeitbe­ darfes für den aus UT nach OT ansteigenden Kolbens, werden die in der Aufgabenstellung angesprochenen Vorstellungen zur Verbesserung der Motorleistung zumindest teilweise realisiert.

Durch die Verlangsamung des Kolbenniederganges wird durch Reduzierung der Einströmverwirbelung eine höhere Füllung des Zylinders erreicht (1.Takt).

Zu Takt 3, d.h. beim Niedergang im Arbeitstakt, wird durch den langsameren Niedergang des Kolbens eine bessere Wärmeabführung in das Kühlsystem, und damit die Einstellung einer niedrigeren Endtempera­ tur im unteren Totpunkt ermöglicht.

Zu Takt 2 ist zu bemerken, daß durch die kürzere Hubzeit eine Reduzierung der Verdichtungstempera­ tur möglich erscheint, da für deren volle Entwicklung lediglich eine reduzierte Zeit zur Verfügung steht.

Die zu Takt 4 geforderte Verringerung der Über­ schneidungszeit für die Öffnungsstellung des Ein­ laß- und Auslaßventiles ist durch den schnelleren Ausstoß der verbrannten Gase möglich.

Damit werden durch die vorgeschlagene Lösung die Forderungen der Aufgabenstellung im wesentlichen erfüllt bzw. der Weg für eine weitergehende Opti­ mierung der Vorgänge ausgewiesen.

Durch den längeren Arbeitsweg bzw. den kürzeren Verdichtungsweg auf dem Kurbelradius erhält man einen längeren "Hebel", so daß sich das Treibstoff- Luftgemisch leichter komprimieren läßt. Auch dies bedeutet eine Einsparung an Energie zu­ gunsten der Motorleistung.

Geht man z.B. von einem Vierzylinder-Reihenmotor mit der Zündfolge 1, 3, 4 und 2 aus, so überschneiden sich infolge der unterschiedlichen Wegverhältnisse die Arbeitstakte des ersten und dritten Zylinders, d.h. der dritte Zylinder arbeitet bereits, während der erste Zylinder noch arbeitet. Diese möglichen Überschneidungen lassen eine Ver­ ringerung der Schwungmasse und damit auch eine Er­ höhung der Laufruhe zu.

Weiterhin kann vorgesehen werden, daß die Ein­ stellung der erforderlichen Exzentrizität ganz oder teilweise durch eine zur Zylinderachse außer­ mittige Anordnung des Kolbenbolzens erfolgt.

Durch diese Maßnahme ist eine Reduzierung des Kipp­ momentes für den Kolben und des gegen die Zylinder­ wandung gerichteten Führungsdruckes möglich.

Es ist auch möglich, daß die Zylinderachse in Ab­ weichung von der vertikalen Achse der Kurbelwelle in Richtung der Exzentrizität zusätzlich um etwa 5 Winkelgrade geneigt wird. Die rotierenden Momente können durch entsprechende Gegengewichte, die an den Kurbeln befestigt werden, beseitig oder vermindert werden.

Die Erfindung wird durch die beispielsweise ver­ einfachte zeichnerische Darstellung der Ausbildung eines Viertakt-Ottomotors sowie durch ein Diagramm zur beispielsweisen Antriebsausbildung näher er­ läutert.

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch einen Einzylin­ der- oder Reihenmotor mit vorbe­ stimmer Exzentrizität zwischen Kurbel­ welle und Zylinderachse.

Fig. 2 zeigt das System des Antriebes, insbesondere die Abhängigkeit der zu beachtenden Parameter untereinander.

Die äußere Gestaltung des Motors entspricht mit Aus­ nahme der senkrecht durch die Kurbelwelle 8 geführten Achse und der parallel hierzu im Abstand der Exzentri­ zität verlaufenden Zylinderachse 2.1 notwendigen ver­ setzten Ausformung des Kurbelgehäuses 1, das, wie zeichnerisch nicht hervorgehoben, in seinem unteren Bereich in die Ölwanne überführt.

Dem Kurbelgehäuse schließt sich der Zylinder 2 an, der bei einem normalen Reihenmotor in dem sogenannten "Zylinderblock" angeordnet ist. In Höhe der Begrenzung des Kolbens 4 in OT-Lage schließt sich der Zylinderkopf 3 an, der mindestens mit je einem Einlaßventil 10 und je einem Auslaßventil 11 ausgerüstet ist, und der im Falle dieses Beispieles durch einen die Zündkerze 13 tragenden Zylinderkopfdeckel 12 abgeschlossen ist.

Der Kolben 4 ist über die Pleuelstange 5 mit dem Kolbenbolzen 6 und dem Kurbelzapfen 7 in üblicher Weise verbunden. Der Kurbelzapfen 7 wird im Kurbelradius a durch die Kurbelwelle 8 getragen, wobei diese mit den gestrichelt eingezeichneten Ausgleichsgewichten versehen sein kann, sofern diese nicht durch eine besondere Ausgleichswelle getragen werden.

Auf die Darstellung des den Zylinder 2 umfassenden Kühlmantels wurde verzichtet.

Die Verbindung zu dem Diagramm nach Fig. 2 soll durch die partielle Aufnahme der dort verwendeten, im wesentlichen für die geometrische Ausbildung und Abgrenzung verwendeten Bezeichnungen für Punkte, Strecken, Radien usw. in die Fig. 1 der Übersicht halber erklärt werden. Der Kurbelradius, d.h. der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kurbelwelle 8, A ₀ und dem Mittel­ punkt des Kurbelzapfens 7, Aa wird durch den Kurbel­ radius a definiert.

Der von 180° abweichende Kurbelwinkel ist durch die Bezeichnung ϕ° ausgewiesen. Die Schubstange b ist identisch mit der Pleuel­ stange 5 und ihrer Länge durch den Abstand zwischen der Mitte des Kurbelzapfens 7 mit Aa im OT bzw. Ai im UT und der Mitte des Kolbenbolzens 6, d.h. durch Ba im OT bzw. Bi im UT definiert.

Der Hub, d.h. der Abstand zwischen OT und UT wird durch die aus dem Diagramm entnommene Bezeichnung S ausgewiesen.

Zu Fig. 2, d.h. zu der Erstellung des Diagramms über die Bestimmung der Totlage übergehend, wird zunächst nochmals darauf verwiesen, daß durch den von 180° abweichenden Kurbelwinkel ϕ° verschiedene Zeiten für den Hin- und Rückgang über die Strecke S bei einer Exzentrizität ausgewiesen wird. Als Laufbedingung gilt, daß die Summe aus den Ab­ messungen des Kurbelradius a und der Exzentrizität e kürzer ist als das zwischen den Punkten Aa und Ba sich einstellende Schubstangenmaß b. Ist der Kurbelwinkel ϕ° und die Strecke Ba nach Bi=S gegeben, schlägt man in Ba an der Strecke Ba nach Bi den Winkel ϕ° - 90° an, dessen freier Schenkel die Senkrechte in Bi auf der Strecke Bi nach Ba in e schneidet.

Die Senkrechte im Mittelpunkt H der Strecke Ba nach Bi schneidet den Kreis K ₀ durch Ba, Bi und E in N. Kreis K ₀ und Kreis Ka durch Ba, H und N sind geo­ metrische Orte für die Punkte A ₀ und Aa aller mög­ lichen Schubkurbeln, von denen die übertragungs­ günstigste ausgesucht werden kann.

Die Erläuterung des Diagramms erfolgte in enger Anlehnung an die Literaturstelle, wobei in diesem Zusammenhang auf Alt, H. "Ermittlung der Abmessungen des Schubkurbelgetriebes aufgrund praktisch vorge­ schriebener Bedingungen", Werkstattstechnik 23 (1929), Nr. 24, Seiten 693 bis 697 Bezug genommen wurde (Literaturstelle nicht greifbar).

Claims (3)

1. Verfahren zur Anwendung des Systems der umlaufen­ den Schubkurbel (7) bei Umwandlung einer gleich­ förmigen Drehbewegung in eine Schubbewegung und von der Achse der Schubbewegung rechtwinklig im Abstand (e) versetzten Anordnung der Lage der Kurbelwelle (8) mit verschiedenen Zeiten für den Ein- und Rückgang, wobei die Addition aus Kurbel­ radius (a) und dem Maß der Versetzung, d.h. der Exzentrizität (e), kleiner als die Länge der Schubstange (b/5) zwischen Kurbelzapfen (Aa/7) und dessen Anlenkung (Ba/6) am Gleitkörper (4) ist, für den Antrieb eines Hubkolben-Verbrennungs­ motors, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitbedarf für die Zurücklegung der vom OT zum UT führenden Wegstrecke (S) für den niedergehenden Kolben (4) durch eine aus einem über 180° hinausgehenden Kurbelwinkel (ϕ°) resul­ tierende Bogenlänge des im Kurbelradius (a) be­ wegten Kurbelzapfens (Aa/7) bestimmt ist und der Kurbelzapfen (7) damit einen größeren Anteil des für eine Umdrehung erforderlichen Zeitbedarfes beansprucht, und daß der Zeitbedarf für die Zurücklegung der vom UT zum OT führenden Wegstrecke des ansteigenden Kolbens (4) durch den verbleibenden Differenzwinkel zu 360° bestimmt ist und damit den kleineren Anteil des für eine Umdrehung des Kurbelzapfens (7) er­ forderlichen Zeitbedarfes beansprucht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der erforderlichen Exzentri­ zität (e) ganz oder teilweise durch eine zur Zy­ linderachse (2.1) außermittige Anordnung des Kolben­ bolzens (6) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderachse (2.1) in Abweichung von der vertikalen Achse der Kurbelwelle (8) in Richtung der Exzentrizität (e) zusätzlich um etwa 5 Winkel­ grade geneigt wird.