DE69404947T2 - Druckluftmaschine - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf eine Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, die anstelle von Brennstoff, wie Benzin oder Diesel, Druckluft als einen Antrieb verwendet.
- Normalerweise wird die Energie für eine Maschine, die in einem Fahrzeug oder in einem industriellen Maschinenpark verwendet wird, durch die Verbrennung von Benzin oder Diesel zur Verfügung gestellt, was eine Luftverschmutzung, ein Emissionsproblem hervorruft.
- Deshalb wird jetzt ein Fahrzeug, das mit elektrischer Energie angetrieben wird, entwickelt, aber bis jetzt ist es schwierig gewesen, wegen vieler Probleme, besonders geringer Leistung oder Gewicht, in weitem Umfang Anwendung zu finden.
- In einer Viertaktverbrennungsmaschine ist ein Zyklus, der einen Einlaßtakt, einen Kompressionstakt, einen Explosionstakt und einen Auslaßtakt beinhaltet, beendet, während eine Kurbelwelle zweimal gedreht wird.
- Der Explosionstakt findet während der zweifachen Rotation der Kurbelwelle gerade einmal statt, was während der anderen Takte einen deutlichen Leistungsverlust verursacht. Deshalb ist ein Schwungrad für eine konstante Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle notwendig.
- Von einem anderen Aspekt heraus betrachtet, braucht die Verbrennungsmaschine Kraftstoff. Um das Kraftstoffverbrauchsverhältnis zu verbessern, wurde eine Maschine entwickelt, die einen Mager-Mixer verwendet, nur um etwas Kraftstoff zu sparen.
- Ferner wurden, um Abgase zu reduzieren, viele Versuche, einschließlich Abgasrückführungssysteme, durchgeführt, aber diese Versuche erfordern zusätzliche Einrichtungen und brauchen viel Zeit, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erreichen.
- Die Dokumente US-A-3,885,387 und DE-A-2,422,672 beziehen sich auf einen Apparat zum Umwandeln einer Verbrennungsmaschine für einen Betrieb mit einem verdichteten nichtbrennbaren Gas. Dieser Apparat ist an eine Verbrennungsmaschine anpaßbar, wobei die Bewegungsenergie von der Energie abgeleitet wird, die bei der Ausdehnung eines verdichteten Gases, wie Luft, frei wird; er beinhaltet eine Quelle für verdichtete Luft, eine Ventil- und Mengenbetätigungsvorrichtung und eine Vorrichtung, um die verdichtete Luft in die Zylinder der Maschine einzulassen. Die Luft wird durch die Zündkerzenlöcher während des Leistungstaktes des Maschinenzyklusses eingelassen. Dieser Apparat kann leicht an eine konventionelle Verbrennungsmaschine angepaßt werden, die nicht notwendigerweise das Ziel hat, eine durch Druckluft angetriebene Maschine zur Verfügung zu stellen, die kompakter ist als die entsprechende konventionelle Verbrennungsmaschine.
- Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Maschine zur Verfügung zu stellen, die nicht durch die Verbrennung von Kraftstoff wie Benzin oder Diesel angetrieben wird.
- Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Maschine zur Verfügung zu stellen, die kompakter ist als eine konventionelle Verbrennungsmaschine.
- Um die obengenannten Ziele zu verwirklichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Maschine zur Verfügung, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
- Die beigefügten Zeichnungen, die eingefügt sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, stellen eine Ausführungsform der Erfindung dar und dienen dazu, zusammen mit der Beschreibung, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
- Figur 1 ist eine teilweise perspektivische Schnittansicht, die einen Maschinenkörper gemäß einer bevorzugten Ausführungsforrn der Erfindung zeigt.
- Figur 2 ist eine schematische Ansicht der Erfindung.
- Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht der Kurbelwelle gemäß der Erfindung.
- Figur 4 ist eine Vorderansicht einer Nockenwelle gemäß der Erfindung.
- Figuren 5A bis 5D sind Darstellungen, die das Verhältnis der Positionen eines Einlaßnockens und der Zylinder gemäß der Erfindung zeigen.
- Figuren 6A bis 6D sind Darstellungen, die das Verhältnis der Positionen eines Auslaßnockens und der Zylinder gemäß der Erfindung zeigen.
- Figur 7 ist eine Tabelle, die das Verhältnis der Winkel des Kurbelwellenzapfens und der Takte der Zylinder gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
- Figur 8 ist eine Tabelle, die die Ventileinstellung der Maschine gemäß der Erfindung darstellt.
- Nun mit größerer Genauigkeit auf die Zeichnungen eingehend, ist Figur 1 eine perspektivische Schnittdarstellung, die eine Maschine gemäß der Erfindung zeigt, wobei die Maschine einen Zylinderblock 2 umfaßt. Der Zylinderblock 2 ist in der Form einer Blockstruktur in einem Körper mit mehr als 4 Zylindern ausgebildet. Eine Ölwanne 4 zur Aufnahme von Öl für Schmierteile der Maschine ist mit einem unteren Bereich des Zylinderblockes 2 verbunden. Jeder Zylinder 6, der auf der Innenseite des Zylinderblockes 2 angeordnet ist, hat einen Kolben 8, der sich auf einer geraden Linie bewegt.
- Jeder Kolben 8 ist mit Pleuelstangen 12 verbunden und die geradlinige Bewegung der Kolben 8 wird in eine Rotation der Kurbelwelle 10 umgewandelt. Ein Zylinderkopf 14, der eine Ventilstößelstange 18 aufweist, die eine Anzahl von Ventilstößeln 16 hat, ist mit einem oberen Bereich des Zylinders 6 verbunden.
- Die Ventilstößel 16 liegen an oberen Bereichen der Schäfte der Einlaß- und Auslaßventile 20 an, die hierdurch geöffnet und geschlossen werden. (Einlaßventil ist nicht gezeigt)
- Die Kurbelwelle 10 wird durch einen Synchronriemen 26 und eine Nockenwelle 24, die Nocken 22 für Einlaß- und Auslaßventile hat, angetrieben, wobei jede der Wellen 10 und 24 eine Motor- Steuerung mit einer bestimmten Anzahl von entsprechenden Zähnen aufweist, die das Rotationsverhältnis sicherstellen, zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 10 während einer Umdrehung der Nockenwelle 24.
- Die Kurbelwelle 10 treibt eine Riemenscheibe 28 an, die mit der Motorsteuerung, die einen Generator 30 mit einem Riemen antreibt, an ihrem einen Ende drehbar ist, das heißt, daß eine Rotation der Kurbelwelle 10 Elektrizität erzeugen kann.
- Figur 2 ist eine schematische Darstellung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
- Die Anzahl der Generatoren 30 kann wenigstens eins sein, wie in Figur 1 gezeigt ist oder wie in Figur 2 gezeigt ist, wo der Generator 30 eine Batterie B lädt, die ausgewechselt werden sollte, wenn sie entladen wird.
- Um die Batterie B zu laden, können parallele oder serielle Hybridsysteme verwendet werden, was eine allgemeine und bekannte Methode zum Aufladen für ein Elektromobil ist, so daß auf eine detaillierte Beschreibung der Methode in dieser Beschreibung verzichtet wird.
- Das bedeutet, daß die Drehleistung der Kurbelwelle 10 eines Körpers 32 auf den Generator 30 übertragen wird, der Elektrizität für ein Element 34 zur Erzeugung von Druckluft erzeugt.
- Das Element 34 zur Erzeugung von Druckluft umfaßt einen Elektromotor 36, der durch die Batterie B angetrieben wird; und einen Kompressor 38, der die Antriebskraft des Elektromotors 36 mittels eines Riemens erhält und die Druckluft durch Rotation einer Antriebsscheibe (nicht gezeigt) erzeugt. Die Anzahl der Kompressoren 38 kann, falls notwendig, zwei in einer seriellen Anordnung sein.
- Der Kompressor 38 ist mittels eines Durchganges 42 mit einem Ansaugkrümmer 40 verbunden, wodurch die Druckluft in die Zylinder 6 eingelassen werden kann. Der Durchgang 42 hat eine Drosselklappe 44 zum Regeln der Menge der Druckluft, und die Klappe 44 ist mit einer Beschleunigungsvorrichtung des Fahrzeuges (nicht gezeigt) verbunden.
- Figur 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Kurbelwelle der Maschine, die in Figur 1 gezeigt ist, welche die Möglichkeit einer Anpassung an eine 4-Zylinder Maschine zeigt. Jeder der Kurbelwellenzapfen 50, 52, 54 und 56 ist im 90 Grad Winkel in bezug auf die anderen Kurbelwellenzapfen 52, 54, 56 und 50 angeordnet.
- Die Kurbelwelle kann so ausgebildet sein, daß ein Ausgleichsgewicht 58 und ein Achszapfen identisch oder ähnlich mit dem der konventionellen Ausgestaltung sein kann.
- Figur 4 ist eine Vorderansicht der Nockenwelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Nocken für Einlaßventile ("Einlaß-Nocken") 62, 64, 66 und 68 und Nocken für Auslaßventile ("Auslaß-Nocken") 70, 72, 74 und 76, die entsprechend miteinander paarweise angebracht sind, auf der Nockenwelle angeordnet sind.
- Jeder Einlaß-Nocken 62, 64, 66 und 68 beinhaltet zwei Buckel, die symmetrisch zueinander ausgebildet sind, wie in den Figuren 5A bis 5D gezeigt ist.
- Dementsprechend sind die Einlaß-Nocken so angeordnet, daß ihre Buckel um einen Winkel von 45 Grad in bezug aufeinander verschoben sind.
- Das heißt, wie in den Figuren 5A bis 5D gezeigt ist, falls der Einlaß-Nocken 62, der einem ersten Zylinder zugeordnet ist, so angeordnet ist, daß ihre Buckel in der Zeichnung vertikal positioniert sind, der Einlaß-Nocken 66, welcher einem dritten Zylinder zugeordnet ist, so angeordnet ist, daß seine Buckel um einen Winkel von 45 Grad in bezug auf die Buckel des Einlaß-Nockens 62 verschoben sind. Und der Einlaß-Nocken 68, der einem vierten Zylinder zugeordnet ist, ist so angeordnet, daß seine Buckel um einen Winkel von 45 Grad in bezug auf die Bukkel des Einlaß-Nockens 66 angeordnet sind, und der Einlaß- Nocken 64, der einem zweiten Zylinder zugeordnet ist, ist so angeordnet, daß seine Buckel um einen Winkel von 45 Grad in bezug auf die Buckel des Einlaßnockens 68 angeordnet sind.
- Ferner, wie in den Figuren 6A bis 6D gezeigt, beinhaltet jeder der Auslaß-Nocken 70, 72, 74 und 76 Bereiche 78 zum Öffnen des Auslaßventils und Bereiche 80 zum Schließen des Auslaßventils. Die Auslaßventil-Öffnungsbereiche 78 sind in der Form bogenförmiger Oberflächen ausgebildet, die einen identischen Abstand von der Mitte des Auslaß-Nockens beibehalten. Die Auslaßventil-Schließbereiche 80 sind in der Form von flachen Oberflächen ausgebildet, die entsprechend die beiden Seitenenden der bogenförmigen Oberflächen der Auslaßventil-Öffnungsbereiche 78 miteinander verbinden.
- Solche Auslaß-Nocken 70, 72, 74 und 76 sind ebenfalls mit einem Versatz von 45 Grad in bezug aufeinander in der gleichen Weise wie der Einlaßnocken 62, 64, 66 und 68, gemäß einer Beziehung des ersten, dritten, vierten und zweiten Zylinders entsprechend angeordnet.
- Die Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wie oben beschrieben, eine Batterie B als eine Elektrizitätsquelle zum Antrieb des elektrischen Motors 36. Der Kompressor 38 wird durch die Antriebsenergie des elektrischen Motors 36 betrieben, wobei er die Druckluft erzeugt.
- An diesem Punkt, wenn die von dem Kompressor 38 erzeugte Druckluft ausreichend verdichtet ist, wird die Druckluft in den Zylinder durch den Ansaugkrümmer 40 durch Öffnung der Drosselklappe 44 eingelassen.
- Im Falle einer 4-Zylinder Maschine ist, wenn einer der Kolben in einem oberen Totpunkt positioniert ist, ein anderer der Kolben in einem unteren Totpunkt positioniert und die anderen Kolben sind zwischen denoberen und unteren Totpunkten positioniert, wobei die Druckluft in den Zylinder eingelassen werden kann, in dem der Kolben in dem oberen Totpunkt positioniert ist.
- Der Einfachheit der Beschreibung halber annehmend, daß der Kolben des ersten Zylinders in dem oberen Totpunkt positioniert ist, findet, im Falle einer 4-Zylinder Maschine, eine Explosion in der Reihenfolge des ersten, dritten, vierten und zweiten Zylinders statt. Entsprechend wird die Druckluft in den ersten Zylinder eingelassen.
- An diesem Punkt ist der Kurbelwellenzapfen 50 in einer Zwölf- uhr-Position ausgerichtet, wie in Figur 3 gezeigt ist, der Einlaßnocken 62 der Nockenwelle 24 drückt den Ventilstößel, um das Einlaßventil zu öffnen. Jeder der Kurbelwellenzapfen 52, 54 und 56 ist mit einem Winkel von + 90 Grad in bezug auf den Kurbelwellenzapfen 50 angeordnet.
- Figur 7 ist eine Tabelle, die einen Betriebszustand darstellt, wenn jeder Kurbelwellenzapfen 50, 52, 54 und 56 der Kurbelwelle 10 in der oben beschriebenen Position angeordnet ist. Wenn der Einlaßprozeß simultan mit dem nach-unten-Laufen des mit dem Kurbelwellenzapfen 50, der dem ersten Zylinder zugeordnet ist, verbundenen Kolben eingeleitet wird, muß der Kolben, der mit dem Kurbelwellenzapfen 54, der dem dritten Zylinder zugeordnet ist, am Ende des Auslaßtaktes sein, der Kolben, der mit dem Rurbelwellenzapfen 56, der dem dritten Zylinder zugeordnet ist, verbunden ist, muß in der Mitte des Auslaßtaktes sein, und der Kolben, der mit dem Kurbelwellenzapfen 52, der dem zweiten Zylinder zugeordnet ist, verbunden ist, muß am Anfang des Auslaßtaktes sein.
- An diesem Punkt, wenn sich die Kurbelwelle 10 um einen Winkel von 180 Grad dreht, bewegt sich der Kolben, der dem ersten Zylinder zugeordnet ist, vollständig nach unten zu dem unteren Totpunkt, dabei den Einlaßtakt beendend, und darauf, wenn sich die Kurbelwelle 10 wieder um einen Winkel von 180 Grad dreht, bewegt sich der Kolben wieder nach oben, um den Auslaßtakt durchzuführen.
- Dieser Vorgang wiederholt sich bei allen Zylindern in der Weise, daß, wenn sich die Kurbelwelle 10 um einen Winkel von 720 Grad dreht, jedes Einlaß- und Auslaßventil zweimal geöffnet und geschlossen worden ist, während sich die Nockenwelle 24 um einen Winkel von 360 Grad dreht.
- Als ein Ergebnis kann pro Umlauf der Kurbelwelle eine Expansion erreicht werden. Dies wird durch die Nockenwelle verwirklicht, was weiter unten beschrieben wird. Der Einlaß-Nocken 62, der dem Einlaßventil des ersten Zylinders zugeordnet ist, ist, wie in Figur 5A gezeigt, in dem Einlaßtakt angeordnet.
- Ferner sind die Einlaß-Nocken 66, 68, 64, die entsprechend dem dritten, vierten, zweiten Zylinder zugeordnet sind, wie in den Figuren 5B, 5C und 5D gezeigt, entsprechend angeordnet.
- Figur 8 ist eine Tabelle, die den Betrieb der Einlaß-Nocken 62, 64, 66, 68 und der Auslaß-Nocken 70, 72, 74 und 76 darstellt, in denen, weil der Einlaß-Nocken 62 wie in Figur 5A angeordnet ist, das Einlaßventil in einem geöffneten Zustand sein muß, so daß der Einlaßtakt in einen Zustand, in dem ein äußeres Ende des Buckels in einem anliegenden Zustand mit dem Ventilstößel ist, wenn sich die Nockenwelle 24 um einen Winkel von 22,5 Grad gedreht hat, beendet ist und zur selben Zeit die Druckluft vollständig eingelassen ist.
- An diesem Punkt wird die Kurbelwelle 10 durch ein sich nach unten Bewegen des Kolbens durch die Druckluft gedreht, so daß ein zweifacher auf- und absteigender Betrieb des Kolbens pro Umlauf der Nockenwelle erreicht wird.
- Das heißt, weil das Einlaßventil in einem Winkelbereich von 45 Grad von dem Einlaß-Nocken der Nockenwelle 24 geöffnet wird und bei einem Winkel von 135 Grad geschlossen wird, daß bei einer Umdrehung der Nockenwelle 24 ein zweifacher Öffnungs- und Schließvorgang realisiert ist.
- Deshalb tritt der Schließvorgang der Auslaß-Nocken 70, 72, 74 und 76 auf, während sich die Nockenwelle um einen Winkel von etwa 12,5 Grad dreht, nachdem die Einlaß-Nocken 62, 64, 66 und 68 in der Reihenfolge geöffnet werden.
- Dementsprechend läuft der Kolben in dem Zylinder 6 nach unten, während die Druckluft eingelassen wird. Die Druckluft wird an die Atmosphäre ausgelassen, während der Kolben sich nach oben bewegt und, an diesem Punkt, werden die Einlaß- und Auslaßvorgänge in anderen Zylindern in der gleichen Art und Weise erreicht, wobei die Antriebsleistung eine Expansion während einer Rotation der Kurbelwelle 10 erreicht wird.
- Dementsprechend kann die Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung die Antriebsleistung einer Expansion für jede Rotation der Kurbelwelle erreichen, während die konventionelle Maschine die Antriebsleistung einer Expansion während zwei Rotationen der Antriebswelle erreicht. Als ein Ergebnis arbeitet die Maschine der vorliegenden Erfindung, die eine 4-Zylinder Maschine aufweist, wie eine konventionelle 8-Zylinder Maschine.
- Weil dementsprechend die Maschine der vorliegenden Erfindung nicht übermäßig geheizt wird, ist eine System zum Kühlen der Maschine nicht notwendig. Die Filtervorrichtung zum Filtern der Luftverschmutzung ist ebenfalls nicht notwendig. Als ein Ergebnis wird die Gesamtstruktur des Fahrzeuges, wenn das Fahrzeug mit der Maschine der vorliegenden Erfindung ausgestattet wird, kompakter sein.
Claims (2)
1. Druckluftmaschine, umfassend:
einen Elektromotor, der von einer Batterie getrieben ist;
eine Einrichtung zum Erzeugen von Druckluft durch Nutzung
der Antriebsleistung des Elektromotors;
einen Einlaßverteiler, der an einen Auslaß der genannten
Einrichtung angeschlossen ist;
einen Zylinderblock mit vier Zylindern, die mit dem
Einlaßverteiler kommunizieren;
eine Kurbelwelle, die an die Kolben in den Zylindern über
Pleuelstangen angeschlossen ist; und
eine Nockenwelle, die mit einem Riemen oder einer Kette
mit der Kurbelwelle in Triebverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle einen ersten
Kurbelwellenzapfen aufweist, der an einen Kolben eines ersten
Zylinders angeschlossen ist, einen zweiten Kurbelwellenzapfen,
der an einen Kolben eines dritten Zylinders angeschlossen ist,
einen dritten Kurbelwellenzapfen, der an einen Kolben eines
vierten Zylinders angeschlossen ist, und einen vierten
Kurbelwellenzapfen, der an einen Kolben eines zweiten Zylinders
angeschlossen ist, wobei der erste und der vierte
Kurbelwellenzapfen einander gegenüberliegend angeordnet sind, und der
zweite und der dritte Kurbelwellenzapfen einander
gegenüberliegend angeordnet sind, und zwischen dem ersten und dem
zweiten Kurbelwellenzapfen ein rechter Winkel besteht, wobei die
Nockenwelle einen Einlaß- und einen Auslaßnocken aufweist,
wobei zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle
Kraftübertragungsmittel vorgesehen sind, und wobei ein Expansionshub
durch eine einzige Umdrehung der Kurbelwelle ausgeführt wird.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Einlaßnocken zwei Buckel aufweist, die einander
entgegengerichtet
angeordnet sind, und daß der Auslaßnocken zwei flache
Bereiche aufweist, die einander entgegengesetzt angeordnet
sind.
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