DE4212921A1 - Mehrspindelverbrennungsmotor - Google Patents

Description

1. Bezeichnung der Erfindung

Mehrspindelverbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, daß Ansaugen und Komprimie­ ren eines Mediums (Benzin, Öl, Luft- und die Expan­ sion des gezündeten Mediums (Verbrennung) jeweils über mindestens zwei ineinandergreifende Spindeln realisiert werden, und damit die Energie direkt in rotierende Bewegung umgesetzt wird.

2. Stand der Technik

Verbrennungsmotoren arbeiten gegenwärtig nach dem Prinzip des Hubbewegungen ausführenden Kolbens in einem Zylinder. Durch hohe Kompression eines Gas- Luftgemischs oder von Luft bei Injektion des Brenn­ stoffs und Zündung des komprimierten Mediums wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt. Der Wirkungsgrad wird vordergründig beeinträchtigt durch die Notwendigkeit der Umsetzung der Hubbewegung in rotierende Bewegung sowie das Verhältnis von 3 Vor- bzw. Nachleistungstakten zu einem Arbeitstakt.

Im sogenannten Zweitaktmotor ist dieses Verhältnis durch konstruktive Kombination der Funktionen der Hubbewegungen auf 1 : 2 reduziert, läßt aber durch Begrenzung der erreichbaren Kompression keine wesent­ liche Erhöhung des Wirkungsgrades zu.

Eine dritte Form bisheriger Lösung sind Drehkolben­ motoren (Wankelmotor), die zwar den Wirkungsgradver­ lust durch die Umwandlung voll Hub- in Drehbewegung überwinden, aber die erreichbare Kompression noch weiter reduzieren. Auch Leistungserhöhung durch hin­ tereinander angeordnete Drehkolben führt eher zur Verringerung des Wirkungsgrads. Sie sind daher kraftstoffintensiver als Hubmotoren, damit auch weni­ ger umweltverträglich.

Zur Wirkungsgraderhöhung beanspruchen diese Lösungen einen hohen Aufwand an mechanischen, elektrischen und elektronischen Übertragungs-, Steuer- und Regelungs­ funktionen. Sie sind mit immer höheren Anforderungen an verwendetes Material verbunden. Insgesamt wird da­ durch die Herstellung der Motoren kompliziert und ver­ teuert, die Automatisierung der Produktion erschwert.

3. Zweck der Erfindung - Aufgabenstellung

Es ist durch Verringerung bzw. Überwindung der den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren beeinträchtigen­ den Faktoren (= Wirkungsgraderhöhlung) das Kraftstoff- Leistungsverhältnis zu erhöhen und damit die Umwelt­ beeinträchtigung zu reduzieren. Gleichzeitig sind durch Vereinfachung konstruktiver Elemente die Bedin­ gungen automatisierter Produktion zu verbessern.

4. Technisches Problem

Zur Lösung der Aufgabe waren über die Feststellungen unter 2. hinaus weitere wirkungsgradverringernde Fak­ toren bisheriger Lösungen zu analysieren, um zu einer komplexen Lösung bei ihrer Überwindung zu gelangen. Dazu gehörten:

• - Das ungünstige Verhältnis von rollender zu gleiten­ der Reibung (bes. Arbeitshub bei gleitender Reibung).
• - Die Lagerung beweglicher Teile in thermisch hoch be­ anspruchten Zonen.
• - Begrenzung der Ausnutzung von Hebelwirkungen durch die Raumverhältnisse Zylinder-Kolben. Geringe He­ belwirkung beim Kreiskolbenmotor.
• - Reduzierung der komplizierten mechanischen Steuer- und Regelungsmechanismen durch Einsatz einfacher selbstregulierender Systeme.
• - Verringerung des Trägheitsmoments durch Masseredu­ zierung und Verkleinerung des Radius rotierender Teile (Kurbelwelle, Schwungrad u. a.).
• - Erhöhung der Ausnutzung der Verbrennungsausdehnung von v_o-v_max.
• - Überwinden, daß die (nach Garnot) kontinuierliche Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit durch periodisch arbeitende Maschinen in periodisch entgegengesetzter Bewegung erfolgt. D.h. die für Ver­ brennungsmotoren typischen Perioden: Druck des Aggre­ gats auf das Medium - Druck des Mediums auf das Aggre­ gat, in einer Bewegungsrichtung zu realisieren. Dabei ist das Erreichen einer hohen Kompression bestimmend für den Wirkungsgrad.
• - Verringerung von Konstruktionsteilen, die automati­ sierte Herstellung behindern.

5. Mittel der erfinderischen Lösung

• - Die Aufgabenstellung erforderte entsprechend der Pro­ blemanalyse eine komplexe Lösung. Sie wird dadurch realisiert, daß anstelle von Hub- oder Drehkolben die für die Periodizität der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit gleiche Funktion (Ansaugen, Verdichten, Arbeit) erfüllende Spindel ein­ gesetzt wird. Hohe Wirkungsbedingungen werden herbei­ geführt, indem sich zwei oder mehr in ihren "Gängen" ineinandergreifende Spindeln in einem "Zylinderfunk­ tion" wahrnehmenden Gehäuse (Bohrungen) drehen.
• - Der Einsatz von zwei oder mehr Spindeln ist Voraus­ setzung und Bedingung des Kompressionsdrucks, da die Spindel eine schiefe Ebene bildet und dadurch mit He­ belwirkung Kompression herbeiführt. Bei mehreren Spin­ deln führt jeder Spindelgang einen zeitlich-punktuellen Verschluß zwischen Arbeitsspindeln und Gehäuse (Zylin­ der) herbei.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel von jeweils zwei Spindeln (Spindelpaaren = SP gekennzeichnet) darge­ legt.

Es ist aber davon ausgegangen, daß auch je nach Lei­ stungsanforderung ineinandergreifende Spindelkombina­ tionen von mehr als zwei einzusetzen sind.

• - Zur Vereinfachung der Gesamtkonstruktion und für die Lagerung der Spindelwellen außerhalb thermisch beanspruchter Zonen werden je 2 Spindeln mit einem Zwischenraum (Verbrenngsraum) auf einer Welle = in einer Achse angeordnet.
• - Die Länge der so angeordneten Spindelpaare und die Anzahl der Spindelgänge können je nach Leistungsan­ forderung unterschiedlich dimensioniert sein. Des­ gleichen Volumen der Spindelgänge, ihre Wirkungs­ richtung und ihr Abstand (h). Die getrennte Lage­ rung der Spindelpaare (z. Bsp. zur Ausnutzung unter­ schiedlicher Drehzahlen für Kompression : Leistung) ist eine andere Variante der unterschiedlichen Dimen­ sionierung.
• Für die beispielhafte Darstellung (Zeichnung) wur­ den gleichdimensionierte Spindelpaare verwendet.
• - SP 1 realisiert die Funktionen des Ansaugens und Kom­ primieren des Mediums = Periode des Einwirkens des Aggregats auf das Medium.
• SP 2 realisiert die Umwdlung der Expansion des ge­ zündeten Mediums (Verbrennung) in Drehbewegung = mechanische Arbeit.
• Als Medium können sowohl Vergaserkraftstoff, Gase, Dieselöl als auch Luft verbunden mit Injektion von Brennstoff in den Kompressionsraum dienen.
• - SP 1 erzeugt die Kompression des Mediums nach den Gesetzen der Schraube: wobei
  P = Drehkraft
  L = Bewegungskraft (Druck)
  h = Abstand der Spindelwindungen
  r = Radius der Spindel.
  Damit wird Hebelwirkung für die Kompression erreicht die Spindelgänge wirken als schiefe Ebene.
• - SP 2 wandelt die Ausdehnungskraft des gezündeten Me­ diums in rotierende Bewegung (der Spindeln) um. Die Funktion vollzieht sich nach den Gesetzen des Keils in Symbiose mit den ballistischen Gesetzen des Dralls (besonders zur optimalen Nutzung der Ausdehnung von v_o bis v_max). Die Keilwirkung (= Hebelwirkung) wird durch den Einsatz von mindestens zwei ineinandergrei­ fende Spindeln in einem Zylinderfunktion wahrnehmen­ den Gehäuse herbeigeführt. Das gezündete expandieren­ de Medium drückt als Keil in die Verzahnung zwischen den Arbeitsspindeln wird versetzt diese in drehende Bewegung nach: wobei
  P = Kraft
  L = Last = senkrecht auf die Seiten des Keils wirkender Druck
  R = Breite des Keilrückens
  S = Seitenlänge des Keils.
• - Wirkungsgraderhöhung ist weiter zu erreichen durch unterschiedliche Dimensionierung von SP 1 zu SP 2 oder/und durch Einbau eines Ventils (z. B. Scheiben­ ventil) am Ausgang SP 1 zur Kompressionserhöhung (selbstregulierend = schließend durch Druck der Ver­ brennung, öffnend durch aufgebauten Kompressionsdruck des SP 1 oder/und durch Einbau eines Auspuffventils hinter SP 2 (begünstigt besonders die Startphase).
• - Die Zeitfolge der Zündung wird vom Erreichen der ersten Windungsverzahnung SP 2 durch das komprimierte Medium bestimmt. Dieser Verzahnungspunkt begrenzt zeitlich-punktuell den Kompressionsraum. Die Auslö­ sung der Zündung kann drehzahl- oder druckabhängig selbstregulierend gestaltet werden.
• - Ein Ausführungsbeispiel ist anliegend als Zeichnung (Prinzipschema) dargestellt.

6. Durch die Erfindung zu erzielende Vorteile

Erhebliche Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber her­ kömmlichen Verbrennungsmotoren durch:

• - direkte Umsetzung der Wärmeenergie in rotierende Be­ wegung;
• - Verstärkung der Hebelwirkung (Symbiose der Hebelwir­ kungen der Schraube (Spindel) und des Keils mit balli­ stischen Elementen);
• - Verbesserung des Masse-Leistungsverhältnisses ein­ schließlich der Verringerung des Trägheitsmoments;
• - Verringerung der Reibungsverluste, da weniger bewegte Teile und überwiegend rollende Reibung gegenüber glei­ tender Reibung;
• - Herausnahme der Lagerung aus thermisch hoch beanspruch­ ten Zonen. Damit verbunden sind stabilere Toleranzen zwischen bewegten und starren Teilen der Konstruktion als Bedingung für die reibungsverringernde Wirkung des Mediums (Brennstoff);
• - hohe Energieausnutzung infolge möglicher Optimierung des Verhältnisses v_o bis v_max der Verbrennungsausdeh­ nung. Damit Verringerung des Schadstoffausstoßes.

Produktionsvereinfachung und bessere Automatisierungsvoraussetzungen u. a. durch einfache selbstregulierende Systeme von Ventil- und Zündungsfunktionen. Wegfall komplizierter mechanischer Produktionselemente wie Kur­ belwelle, Nockenwelle und andere Übertragungs-, Steuer- und Regelungsmechanismen. Damit Zeitverringerung in der Herstellung. Möglichkeit der Herstellung verschieden leistungsstarker Motoren mit gleichen Produktionstei­ len durch Erhöhung der Anzahl gleicher Spindeln.

Verbesserung der Umweltverträglichkeit und Energieein­ sparung.

Claims (4)

1. Mehrspindelverbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, daß Ansaugen und Komprimie­ ren eines Mediums (Benzin, Öl, Luft) und die Expan­ sion des gezündeten Mediums (Verbrennung) jeweils über mindestens zwei ineinandergreifende Spindeln realisiert werden, und damit die Energie direkt in rotierende Bewegung umgesetzt wird.

1.1. Mehrspindelverbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit Ein­ satz unterschiedlich dimensionierter Spindeln bzw. diskontinuierlicher Spindeln zur Optimierung von Kom­ pression und Energieausnutzung.

1.2. Mehrspindelverbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit ge­ trennt gelagerten Kompressions- und Arbeitsspindeln, um die Optimierung von Kompression und Energieum­ wandlung durch unterschiedliche Drehzahlen zu rea­ lisieren.

1.3. Mehrspindelverbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit selbstregulierenden Ventilen und selbstregulierender Zündung mittels Kompressionsdruck und Expansions­ druck, bzw. in Abhängigkeit von Umdrehungszahlen.