DE19605166A1

DE19605166A1 - Verbrennungsmotor für Antriebe generell

Info

Publication number: DE19605166A1
Application number: DE1996105166
Authority: DE
Inventors: Brigitte Dr Heckl-Oestreicher
Original assignee: HECKL OESTREICHER BRIGITTE DR; OESTREICHER ROLAND DR
Current assignee: HECKL OESTREICHER BRIGITTE DR; OESTREICHER ROLAND DR
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1997-08-14

Description

Begriffsdefinitionen

Verbrennungsraum: Der Raum, in dem das Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird. Als Folge der Kolbenbewegung variiert dieses Volumen im Laufe eines Arbeits-Zyklusses. Daher weicht diese Definition von der eher üblichen Definition ab, bei der unter Verbrennungsraum das Minimum dieses Volumen verstanden wird.

Aktuelle Verdichtung: Verhältnis zwischen obigem Maximalwert des Verbrennungsraumes und dem aktuellen Volumen, welches von der jeweiligen Arbeits-Phase abhängt.

Verdichtungsverlauf: Die oben definierte aktuelle Verdichtung in Abhängigkeit der Arbeits-Phase ergibt den Verdichtungsver lauf.

Verdichtungsverhältnis: Maximal erreichbarer Wert des oben definierten Verdichtungsverlaufs.

Arbeitsdruck: Aktueller Gasüberdruck im Verbrennungsraum. Dieser Gasdruck beinhaltet insbesondere auch den Druck, der durch die Verbrennung des Kraftstoff-Gemisches entsteht.

Hubraum: Dieses Wort wird absichtlich vermieden, da der Raum, den die Kolben durch ihren Hub definieren, im allgemeinen nicht mehr die Variation des oben definierten Verbrennungs raumes darstellt. Insbesondere ist daher auch der Hubraum im allgemeinen nicht mehr die relevante Größe zur Berechnung des Verdichtungsverhältnisses.

Stand der Technik

Verbrennungsmotoren, oder allgemeiner Wärmekraftmaschinen, sofern man auch Antriebsmaschinen betrachtet, die mittels Dampfkraft arbeiten, basieren auf einem der folgenden Grund prinzipien: a) Turbine, b) Rotationskolben-Motor und c) Kolbenmotor bei dem der, bzw. bei Mehrzylinder-Motoren, die Kolben eine lineare Bewegung in einem Zylinder ausführen. Diese lineare Bewegung wird über Pleuelstange(n) auf eine Kurbelwelle oder Ähnliches (wie z. B. ein Antriebsrad bei der Dampflokomotive) übertragen und dadurch in eine Rotationsbe wegung umgewandelt. Auf dem letzteren der drei Prinzipien basiert der Otto-Motor. Die anderen beiden Prinzipien, a) und b) sind im folgenden nicht Gegenstand dieser Beschreibung.

Alle Varianten (wie Stern-Motor, Boxer-Motor, Viertakt-Motor, Zweitakt-Motor, Diesel-Motor, etc.) bei denen das Prinzip einer linearen Kolbenbewegung im Zylinder ausgenutzt wird, schließen den Zylinder auf der der Kurbelwelle gegenüberlie genden Seite mit einem Zylinderkopf ab. Die Ausführung des Zylinderkopfs trägt entscheidend zu den Eigenschaften des Motors bei. So bestimmt das Volumen im Zylinderkopf mit, wie das Verdichtungsverhältnis des jeweils betrachteten Motors ist.

Ist einmal die Auslegung des Zylinderkopfes für einen Motor festgelegt, wird das Verdichtungsverhältnis, das der ent sprechende Motor dann hat, fixiert. Dieses kann dann nur noch konstruktiv verändert werden, was insbesondere nicht bei laufendem Motor geschehen kann.

Notwendigerweise wird bei dieser Anordnung das Maximum der aktuellen Verdichtung dann erreicht, wenn der Kolben seine geringste Entfernung zum Zylinderkopf hat. Die gekröpfte Ausbuchtung der Kurbelwelle zeigt dabei genau in Richtung Zylinderachse (ist also im sogenannten oberen Totpunkt), so daß zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung der Arbeitsdruck im Verbrennungsraum kein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausüben kann. Dies zwingt a) zu einem genau einzuhaltenden Zündzeitpunkt (i.a. kurz vor oberem Totpunkt), der, bei variabler Drehzahl wie in Kfz. Motoren, normaler weise der aktuellen Drehzahl entsprechend über z. B. Flieh kraftregler nachgeregelt wird, und b) zu einem zeitlichen Verbrennungsablauf, der den größtmöglichen Arbeitsdruck dann erzeugt, wenn sich die Kurbelwelle nicht mehr im oberen Totpunkt befindet, so daß ein Drehmoment auf die Kurbelwelle übertragen werden kann. Letzteres bestimmt den Oktan zahl-Bedarf an den Kraftstoff.

Problem

Der starre Zylinderkopf bewirkt, daß gewisse Eigenschaften eines Verbrennungsmotors, der auf dem Prinzip einer linearen Kolbenbewegung basiert, nicht optimiert werden können. Diese Eigenschaften sind:

1) Festgeschriebenes Verdichtungsverhältnis: Das Verdich tungsverhältnis des Motors kann nicht der jeweilig geforder ten Situation angepaßt werden. Zum Beispiel Straßenverkehr im Falle von Kfz-Motoren. Stichworte dazu: Stadt- und Überland verkehr, Berg- und Talfahrt, hohe Beschleunigung, Reduzierung der "Motorbremse" durch Verringerung der Kompression bei Drosselung oder Abstellung der Kraftstoffzufuhr. Dies ist u. a. (aber hauptsächlich) im Zusammenhang mit Treib stoff-Einsparung zu sehen.
2) Prinzipiell, d. h. bei entsprechender rechtzeitiger Ein leitung der Verbrennung, wird der im Verbrennungsraum größt mögliche erreichbare Arbeitsdruck zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung erreicht. Bei herkömmlicher Anord nung mit starrem Zylinderkopf kann aber genau zu diesem Zeitpunkt kein Drehmoment auf die Kurbelwelle übertragen werden, da sich diese im oberen Totpunkt befindet. Dies ist im Zusammenhang mit der Leistung bei gegebenem Hubraum, im Zusammenhang mit Treibstoff-Einsparung und im Zusammenhang mit einer "sauberen" Verbrennung zu sehen.
3) Die aktuelle Verdichtung in Abhängigkeit der Arbeitsphase (der Verdichtungsverlauf) ist durch die jeweilige Lage des Kolbens im Zylinder festgelegt. Diese Lage hängt nahezu Sinus-förmig von der Phase der Kurbelwelle ab. Die (kleine) Abweichung von einem reinen Sinus-förmigen Verlauf rührt daher, daß sich der Winkel zwischen der Pleuel-Stange und der Zylinderachse im Verlauf eines Arbeits-Zyklusses verändert. Je länger die Pleuel-Stange im Vergleich zum Kolbenhub wird, umso mehr nähert sich diese Lage-Abhängigkeit einem reinen Sinus-förmigen Verlauf. Der Verdichtungsverlauf während eines Arbeits-Zyklusses ist also Bauart bedingt praktisch fixiert und kann daher nicht für die Optimierung eines Motors modifiziert werden.

Lösung

Der feste Zylinderkopf wird durch einen weiteren Kolben, der im selben Zylinder eine lineare Bewegung durchführt, ersetzt. Dies stellt also eine Art "flexibler Zylinderkopf" dar. Der Motor würde also danach zu einem herkömmlichen Motor entar ten, wenn der Hub des zweiten Kolbens zu Null würde. Zur Steuerung des zweiten Kolbens wird nun eine weitere Kurbel welle benötigt, die analog zu einer Nockenwelle für eine Ventil-Steuerung, von der ersten Kurbelwelle entsprechend angetrieben wird. Andererseits bewirkt der Arbeitsdruck im Verbrennungsraum auch eine Kraft auf den zweiten Kolben. Dadurch wird auch ein entsprechendes Drehmoment auf die zweite Kurbelwelle ausgeübt. Das heißt, daß die Kurbelwelle 2 nicht nur die Kurbelwelle 1 antreibt sondern auch umgekehrt, die Kurbelwelle 2 die Kurbelwelle 1 antreibt. Die beiden Kurbelwellen werden daher über ein zusammenführendes Getriebe gekoppelt. Es entsteht also ein Motor mit zwei Kolben in einem Zylinder mit zwei Kurbelwellen und mit einem zusammen führenden Getriebe. Siehe dazu Zeichnung Nr. 1.

Der Fall läßt sich auch verallgemeinern. Mit N stellvertre tend für eine natürliche Zahl kann ein Motor mit N Kolben, die sich alle in einem entsprechend geformten Zylinder bewegen, zusammen mit N Kurbelwellen realisiert werden. Dies ist für den Fall N = 3 in der Zeichnung Nr. 11 gezeigt.

Erreichte Vorteile

1) Der Motor eröffnet große Flexibilität für die konstruk tive Optimierung spezieller Anforderungen. Beispiele solcher Anforderungen sind: besonders sparsamer Verbrauch, besonders saubere Verbrennung, und hohe Leistung bei kleinen Dimensio nen des Motors.
2) Das Arbeits-Prinzip des Motors erlaubt bei geeigneter Konstruktion für das zusammenführende Getriebe, daß wichtige Eigenschaften (wie Verdichtungsverhältnis und Verdichtungs verlauf) des Motors im Betrieb (ggf. sogar während er läuft) modifiziert werden können. Er kann also für variable Anforde rungen dynamisch optimiert werden. Solche variablen Anforde rungen treten zum Beispiel im Straßenverkehr auf. Der Motor kann damit auch an unterschiedliche Oktan-Zahlen von ver schiedenen Treibstoffen angepaßt werden.

Diese Vorteile werden aus den folgenden Gründen erreicht:

a) Das Verdichtungsverhältnis und der Verdichtungsverlauf hängen nicht nur von der Lage eines einzigen Kolbens im Zylinder ab, sondern von den Lagen von zwei oder mehreren Kolben. Diese Lagen sind zwar miteinander über das zusammen führende Getriebe gekoppelt, jedoch läßt sich die Art und Weise der Kopplung der jeweiligen Situation anpassen.
b) Das Maximum der aktuellen Verdichtung tritt nicht mehr notwendigerweise bei der Arbeits-Phase auf, bei der sich die Kurbelwelle im sogenannten oberen Totpunkt befindet. Auf diese Weise wird es möglich auch bei der Arbeits-Phase, bei der das Maximum der aktuellen Verdichtung auftritt, ein Drehmoment auf die Kurbelwelle auszuüben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, nämlich die, weiche für breite Anwendungen prädestiniert sind, sind in den Patentansprüchen unter Nr. 2. bis 6. angegeben.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen 1. Grundversion

Der einfachste Fall, im folgenden Grundversion genannt, ist in der Zeichnung Nr. 1 schematisch skizziert. Sie zeigt eine Draufsicht der Gesamtanordnung (B), eine stirnseitige Ansicht des zusammenführenden Getriebes (A) und zwei stirnseitige Ansichten eines Schnittes durch die Zylinder-Mitte (C und D). Dabei zeigt der erste Schnitt (C) den Motor bei der gleichen Rotationsphase wie in der Draufsicht (im oberen Totpunkt). Der zweite Schnitt (D) dient der Illustration, wie sich die Kolben im Laufe des Arbeits-Zyklusses im Zylinder bewegen.

Bemerkung: Für die modifizierten Ausführungen werden deren Arbeitsweisen anhand von Sequenzen solcher stirnseitiger Schnitte illustriert.

Zwei Kolben arbeiten in einem Zylinder und treiben zwei Kurbelwellen an. Der Verbrennungsraum befindet sich zwischen den beiden Kolben. Das zusammenführende Getriebe besteht insgesamt aus drei Stirnrädern. Damit rotieren die beiden Kurbelwellen gleichsinnig. Es besteht keine Phasendifferenz zwischen den beiden Kurbelwellen, d. h. wenn sich eine der Kurbelwellen im "oberen Totpunkt" befindet, befindet sich zwangsläufig auch die andere im "oberen Totpunkt". Das Maximum der aktuellen Verdichtung wird erreicht, wenn beide Kurbelwellen sich im "oberen Totpunkt" befinden. Das Verdich tungsverhältnis und der Verdichtungsverlauf ist identisch mit dem eines herkömmlichen Motors, was unmittelbar ersichtlich ist, wenn man sich in der Mitte des Zylinders eine Trennwand vorstellt. Diese Trennwand stellt dann für jeden der beiden Kolben einen starren Zylinderkopf dar. Wie bei einem herkömm lichen Motor wird die aktuelle Verdichtung dann maximal, wenn die Kurbelwellen sich im oberen Totpunkt befinden, so daß bei dieser Arbeits-Phase ebenfalls kein Drehmoment auf die Kur belwellenübertragen werden kann. In dieser Grundversion ist also kein Vorteil gegenüber einem herkömmlichen Motor er sichtlich.

Vorteile ergeben sich jedoch aus den verschiedenen Modifika tionen dieser Grundversion, welche in den Patentansprüchen unter "weitere Merkmale" und in den Unteransprüchen 2 bis 6 angeführt sind.

In der Zeichnung Nr. 2 ist die stirnseitige Ansicht des Motors bei verschiedenen Rotationsphasen skizziert. Gezeigt ist eine volle Umdrehung in Form einer Sequenz, bei der die Kurbelwellen um jeweils 30° weitergedreht sind. Diese Zeich nung soll zum Vergleich mit entsprechenden Sequenzen von modifizierten Ausführungen dienen.

2. Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis

Bei dieser Version wird eine der beiden Kurbelwellen aus der Grundversion (Zeichnung Nr. 1 und Nr. 2) um einen steuerbaren Winkel gegenüber der anderen verdreht. Es wird also eine Phasendifferenz zwischen den beiden Kurbelwellen erzeugt. In Zeichnung Nr. 3 ist die Sequenz einer Umdrehung analog zur Zeichnung Nr. 2 in 30° Schritten gezeigt. Dieser Sequenz liegt eine Phasendifferenz von 60° zwischen den beiden Kurbelwellen zugrunde. Die in der Zeichnung angegebenen Rotationsphasen beziehen sich auf die linke Kurbelwelle. Für Zeichnung Nr. 3 wurden die Phasenwinkel so ausgewählt, daß die Rotationsphasen, bei denen der Verbrennungsraum minimal (bei Phase 330°) bzw. maximal (bei Phase 150°) wird, tatsäch lich zur Darstellung kommen. Man sieht, daß das Maximum der aktuellen Verdichtung bei einer bzgl. der Grundversion unterschiedlichen Rotationsphase auftritt (nicht im oberen Totpunkt) und, daß verglichen mit der Grundversion, sowohl das Minimum des Verbrennungsraumes größer als auch das Maximum des Verbrennungsraumes kleiner ist. Dadurch wird das Verdich tungsverhältnis verkleinert. Das Maximum der aktuellen Ver dichtung tritt in diesem Beispiel (Phasendifferenz = 60°) bei der Rotationsphase 330° auf. Beide Kurbelwellen befinden sich dabei außerhalb des oberen Totpunktes. Während sich die linke Kurbelwelle noch 30° vor dem oberen Totpunkt befindet ist die rechte Kurbelwelle bereits 30° nach dem oberen Totpunkt.

Das Verdichtungsverhältnis wird in diesem Beispiel, d. h. bei der Anbringung einer Phasendifferenz von 60° von 11 (ohne Phasendifferenz; vgl. Zeichnung Nr. 2) auf 5,6 reduziert.

Eine solche Phasendifferenz zwischen den beiden Kurbelwellen kann während des Betriebes angebracht und variiert werden. Ein Beispiel für eine diesbezügliche Ausführung des zusammen führenden Getriebes ist in der Zeichnung Nr. 4 gezeigt, wo die Phase der rechten Kurbelwelle mittels zweier weiterer Stirnräder (genannt Steuerrollen), die einen Zahnriemen steuern, gegenüber der Phase der linken Kurbelwelle verscho ben werden kann. Dazu die Bemerkung: Durch die Verwendung dieses Zahnriemens im zusammenführenden Getriebe rotieren die beiden Kurbelwellen nicht mehr gleichsinnig, sondern gegen sinnig. Da dies aber weder einen Einfluß auf das Verdich tungsverhältnis und den Verdichtungsverlauf hat, noch diese spezielle Ausführung zwingend ist, um eine solche variierbare Phasendifferenz zu erzeugen, wurde, um den Vergleich bzgl. der aktuellen Verdichtungen zu erleichtern, in der Zeichnung Nr. 3 trotzdem eine gleichsinnig rotierende Sequenz wie in der Zeichnung Nr. 2 gewählt.

Das in Zeichnung Nr. 4 gezeigte Beispiel bewirkt von A) nach B) eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Kurbelwellen von ca. 55°.

3. Motor mit günstiger Drehmomentübertragung auf die Kurbelwellen

Wie bereits des öfteren erwähnt, befinden sich die Kurbelwel len zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung nicht im oberen Totpunkt, falls zwischen den beiden Kurbel wellen eine endliche Phasendifferenz angebracht wird. Soll diese Phasendifferenz konstant bleiben (was nicht zwingend ist), kann ein zusammenführendes Getriebe entsprechend Zeich nung Nr. 1 benutzt werden. Alternativ kann ein flexibles Getriebe entsprechend Zeichnung-Nr. 4 gewählt werden. In die sem Fall ist jedoch auf eine Kollisionsgefahr der Kolben zu achten (s. u.).

In einer solchen Konfiguration kann ein Drehmoment auf die Kurbelwelle auch zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung auf die Kurbelwelle übertragen werden.

Als Beispiel für einen solchen Motor wurde in der Zeichnung Nr. 5 eine Phasendifferenz von 80° gewählt. Das Maximum der aktuellen Verdichtung tritt dabei bei der Rotationsphase 320° auf (in der Zeichnung nicht dargestellt). Wie oben erwähnt, wird zunächst das Verdichtungsverhältis des Motors bei Einführung eines solchen Phasendifferenz verkleinert. Für den in der Zeichnung Nr. 5 dargestellten Motor wurde das Verdichtungsverhältnis wieder erhöht, indem, verglichen mit der Grundversion (Zeichnung Nr. 2) ein kürzerer Zylinder verwendet wird. Die Kurbelwellen liegen also näher beisammen. Der Abstand beträgt 90% von dem der Grundversion (Zeichnung Nr. 2). Ohne die Phasendifferenz würden die beiden Kolben im oberen Totpunkt kollidieren. Mit der gezeigten Konfiguration erhält man den Wert 15,6 für das Verdichtungsverhältnis, während das Verdichtungsverhältnis der Grundversion 11 beträgt. Alternativ können, um das Verdichtungsverhältnis wieder zu erhöhen, die Pleuelstangen verlängert werden.

Mit der gewählten Phasendifferenz von ca. 80° wird erreicht, daß die Übertragung von Drehmoment auf die Kurbelwellen während der gesamten Expansionsphase äußerst günstig ist. Dies ist anhand der Zeichnung Nr. 5 zu sehen. Bereits im Maximum der aktuellen Verdichtung (bei 320°) sind beide Kurbelwellen außerhalb des oberen Totpunktes. Während der darauffolgenden Expansionsphase von 330° über 360° = 0° bis 60° wird vor allem auf die rechte Kurbelwelle, die diesbezüglich sehr günstig liegt, Drehmoment übertragen. Ab der Rotations phase 60° wird andererseits auf die linke Kurbelwelle wir kungsvoll Drehmoment übertragen. Letzteres bis hin zu der Phase (nämlich 140°), bei der das Minimum der aktuellen Verdichtung (maximaler Verbrennungsraum) erreicht wird. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß während der gesamten Expansionsphase, wirkungsvoll Drehmoment auf zumindest eine der beiden Kurbelwellen übertragen wird.

4. Motor, bei dem die Kolben unterschiedlichen Hub haben

Ein Motor mit unterschiedlichen Kurbelwellen, die bewirken, daß die beiden Kolben unterschiedlichen Hub besitzen, ist in der Zeichnung Nr. 6 gezeigt. Wie oben in "Lösung" erwähnt, entartet der Motor zu einem herkömmlichen Motor, wenn der Hub eines der beiden Kolben zu Null wird. Dieser Motor stelle sozusagen eine Zwischenstufe zwischen einem herkömmlichen Motor und einem Motor mit zwei Kolben in einem Zylinder, die im gleichen Maße (symmetrisch) zur Variation des Verbren nungsraumes beitragen, dar.

5. Motor, bei dem die Kolben unterschiedlichen Durchmesser und unterschiedlichen Hub haben

Die Ausführung in Zeichnung Nr. 7 wird gezeigt, um zu demonstrieren, welche Vielfalt mit dem Konzept von mehreren (im vorliegenden Fall nur zwei) Kolben in einem Zylinder gegeben ist. Gezeigt ist ein Motor, bei dem die Kolben sowohl unterschiedlichen Hub als auch unterschiedlichen Durchmesser haben. Außerdem wurde noch eine Phasendifferenz von 20° zwischen den beiden Kurbelwellen angebracht. Im gezeigten Motor rotieren die Kurbelwellen gegensinnig.

6. Motor, bei dem von Umdrehung zu Umdrehung das Verdich tungsverhältnis alternierend variiert

Eine entsprechende Ausführung ist in Zeichnung Nr. 8 gezeigt. Die beiden Kurbelwellen des Motors bewirken einen sehr unterschiedlichen Hub für die beiden Kolben. Die Kurbelwelle, die den großen Hub bewirkt, wird im folgenden Haupt-Kurbel welle genannt. Das zusammenführende Getriebe ist so ausge legt, daß die Haupt-Kurbelwelle die doppelte Drehzahl im Vergleich zur linken Kurbelwelle (Hilfs-Kurbelwelle) hat. Eine Phasendifferenz wurde im Beispiel nicht angebracht. Befindet sich die Haupt-Kurbelwelle im oberen Totpunkt, so befindet sich die Hilfs-Kurbelwelle bei jeder zweiten Umdre hung der Haupt-Kurbelwelle (nämlich bei den Rotationsphasen 0°, 720°, etc.) auch im oberen Totpunkt, was ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis bewirkt. Bei den dazwischenliegenden Umdrehungen der Haupt-Kurbelwelle (nämlich bei den Rota tionsphasen 360°, 1080°, etc.) befindet sich die Hilfs-Kurbelwelle im unteren Totpunkt, was ein entsprechend niedri geres Verdichtungsverhältnis bewirkt.

Dieses Verhalten kann z. B. für Motoren benutzt werden, die nur bei jeder zweiten Umdrehung das Kraftstoff-Gemisch ver brennen (Viertakt-Prinzip). Das niedrigere Verdichtungsver hältnis wird dabei so gewählt, daß es adequat für den Verbrennungs-Takt ist. Das höhere Verdichtungsverhältnis wird dabei so hoch wie technisch realisierbar gewählt, damit die Abgase möglichst vollständig aus dem Verbrennungsraum ausge pufft werden können. Das Kraftstoff-Gemisch für die nächste Verbrennung kann damit effektiv angesaugt werden und ist außerdem besonders rein von Rest-Abgasen.

7. Motor mit zwei Kompressions-Phasen während einer Um drehung von einer der beiden Kurbelwellen

Das zusammenführende Getriebe ist so ausgelegt, daß es ein Drehzahlverhältnis von 2 : 1 für die beiden Kurbelwellen bewirkt. Zwischen den beiden Kurbelwellen wird eine Phasen differenz von 90° angebracht. Die Sequenz des Motors ist in Zeichnung Nr. 9 gezeigt. Dabei ist die linke Kurbelwelle diejenige, die schneller rotiert. Während einer Umdrehung der rechten Kurbelwellen treten zwei Kompressionen und zwei Expansionen auf. Im folgenden beziehen sich die Rotationspha sen auf die rechte, die langsamer rotierende, Kurbelwelle. Das erste Minimum des Verbrennungsraumes liegt bei der Rotationsphase 78°, das zweite Minimum bei 282°. Dazwischen liegt das Haupt-Maximum des Verbrennungsraumes, nämlich bei 180°. Bei der Rotationsphase 0° befindet sich ein weiteres Zwischen-Maximum des Verbrennungsraumes. Das Volumen des Verbrennungsraumes in Abhängigkeit der Rotationsphase ist in Zeichnung Nr. 10 gezeigt.

Damit kann ein Motor konzipiert werden, der während nur einer Umdrehung der rechten Kurbelwelle entsprechend einem Vier takt-Motor arbeitet. Dazu wird das Kraftstoff-Gemisch zwischen dem zweiten Minimum des Verbrennungsraumes (bei 282°) und dem Zwischen-Maximum (bei 0°) angesaugt (oder eingespritzt) und unter Ausnutzung der Haupt-Expansionsphase von 78° bis 180° verbrannt. Man beachte, daß bei der Rotationsphase mit maximaler aktueller Verdichtung (78°) die rechte Kurbelwelle so liegt, daß die Drehmoment-Übertragung auf die Kurbelwelle äußerst günstig ist.

8. Motor mit drei Kolben in einem Zylinder

Ein Motor mit drei Kolben in einem Zylinder ist in Zeichnung Nr. 11 skizziert. Gezeigt ist eine halbe Rotations-Sequenz in 60° Schritten. Eine Phasendifferenz zwischen den drei Kurbel wellen wurde im Beispiel nicht angebracht. Alle drei Kurbel wellen haben gleiche Drehzahl. Die Geometrie der Stirnflächen der Kolben wurde der Ypsilon-förmigen Zylindergeometrie ange paßt. Das zusammenführende Getriebe kann analog Zeichnung Nr. 1 ausgeführt werden, indem drei Stirnräder im 120° Abstand - an statt der zwei gegenüberliegenden Stirnräder - in das zentrale Stirnrad eingreifen.

Zeichnungen
Verbrennungsmotor für Antriebe generell
Zeichnung Nr.
Inhalt
1
Aufbau Grundversion
2	Rotationssequenz der Grundversion
3	Sequenz mit 60° Phasendifferenz
4	Flexibles zusammenführendes Getriebe
5	Sequenz mit 80° Phasendifferenz
6	Sequenz: Kolben mit unterschiedlichen Hüben
7	Sequenz: Kolben mit unterschiedlichen Hüben und unterschiedlichen Durchmessern
8	Sequenz: Alternierendes Verdichtungsverhältnis
9	Sequenz: Zwei Kompressionen bei einer Umdrehung
10	Volumen des Verbrennungsraumes als Funktion der Rotationsphase
11	Sequenz: Drei Kolben in einem Zylinder

Claims

1. Verbrennungsmotor für Antriebe generell, der vom Prinzip her (d. h. je nach spezieller Ausführung) mit allen erdenk lichen Kraftstoffen wie Benzin, Diesel, Alkohol, allen denk bar geeigneten Gasen, sowie allen weiteren bekannten und noch unbekannten flüssigen, gasförmigen und auch festen Kraftstof fen, die vergast werden können (wie Holz), betrieben werden kann. Dieser Motor ist bei entsprechender Ausführung und Dimensionierung universell einsetzbar (Fahrzeuge zu Land, zu Wasser und zu Luft, Antrieb für Generatoren, Antrieb für Maschinen).
Dieser Verbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, daß sich in jeweils einem Arbeits-Zylinder zwei oder auch mehrere Kolben befinden, deren lineare Hubbewegung mittels Pleuelstangen auf zwei oder auch mehrere (dies entsprechend der Anzahl der Kolben pro Zylinder) Kurbelwellen übertragen wird. Daraus resultiert eine kreisförmige Rotation der ein zelnen Kurbelwellen. Die einzelnen Kurbelwellen sind über ein zusammenführendes Getriebe verbunden und damit untereinander bezüglich ihrer Phasen (bezogen auf die Rotationsbewegungen) gekoppelt. Aus dem zusammenführenden Getriebe wird im wesent lichen, d. h. kräftemäßig, eine einzige Austrittswelle heraus geführt. Technische Ausführungen, bei denen die Kraft auf mehrere Austrittswellen verteilt wird (z. B. eine durchgehende Welle, die auf beiden Seiten des Motors austritt) ist dabei auch denkbar. Die Verbrennung im Motor findet in dem Raum statt, der durch die Stirnflächen der einzelnen Kolben und dem Zylinder gebildet wird.
Der Hauptanspruch besteht also darin, daß zwei oder mehr als zwei Kolben in einem Zylinder arbeiten.
Der Motor besitzt folgende weitere Merkmale:
Der Kraftstoffgemisch-Einlaß und der Abgas-Auslaß kann über gesteuerte Ein- und Auslaßventile, die in der Zylinder wand untergebracht sind, analog dem Viertaktmotor bewerkstel ligt werden. Alternativ kann der Ein- und Auslaß analog zum Zweitaktmotor über eine Kompression im Kurbelwellengehäuse und einem entsprechenden Kanal zwischen Kurbelwellenraum und Verbrennungsraum bewerkstelligt werden.
Die Geometrie des Arbeits-Zylinders kann vielfältiger Natur sein. Insbesondere muß sie selbst in dem einfachsten Fall von nur zwei Kolben in einem Zylinder nicht ein geradliniger Zylinder sein. Der Zylinder kann z. B. einen Knick haben, um z. B. das Anbringen von Ventilen zu vereinfa chen. Im Falle von drei Kolben in einem Zylinder ist eine mögliche geometrische Konfiguration ein Ypsilon-förmiges Rohrgebilde. Die Kolben (und dazu passend der Zylinder) können, aber brauchen keinen kreisförmigen Querschnitt besit zen. Die verschiedenen Kolben, die sich in einem Zylinder befinden, können verschiedene Durchmesser haben. Dazu muß auch der Zylinder angepaßt werden. Das heißt, der Zylinder hat dann entsprechende Durchmesser jeweils über die Länge, wo die einzelnen Kolben ihre lineare Hubbewegung durchführen.
Je nach zu verwendendem Kraftstoff kann der Motor mit aktiver Zündung (Zündkerze oder Glühkerze) oder mit Selbst entzündung aufgrund hoher Kompressionswärme (wie beim Diesel motor) realisiert werden.
Die einzelnen Kurbelwellen können je nach Auslegung des zusammenführenden Getriebes gleichsinnig oder auch gegensin nig rotieren.
Das zusammenführende Getriebe kann die einzelnen Kurbel wellen bezüglich ihrer relativen Phase sowohl starr als auch flexibel miteinander koppeln. Flexibel bedeutet, daß die relative Rotations-Phase zwischen zwei Kurbelwellen während des Betriebes verändert werden kann.
Das zusammenführende Getriebe kann derart sein, daß die verschiedenen Kurbelwellen unterschiedliche Drehzahl haben.
Mehrere solche Arbeits-Zylinder können zusammenarbeiten. Es können also Mehrzylinder-Motoren realisiert werden. Dies kann dadurch realisiert sein, daß die einzelnen Zylinder über entsprechend verlängerte Kurbelwellen in Reihe zusammenge schaltet werden (Reihenmotor). Es kann auch dadurch reali siert sein, daß die Austrittswellen mehrerer zusammenführen der Getriebe über ein weiteres Getriebe zusammengefaßt werden (hierarchisch strukturierter Motor). Es kann auch beides gleichzeitig realisiert werden.

2. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Phasenkopplung der individuellen Kurbelwellen durch das zusammenführende Getriebe nicht starr, sondern flexibel, ist. Dies erlaubt eine Steuerung und damit eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebes, sogar während der Motor läuft.

3. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß bei der Kopplung der individuellen Kurbelwellen durch das zusammenführende Getriebe eine Phasendifferenz zwischen den einzelnen Kurbelwellen vorgegeben wird. Dadurch wird das Maximum der aktuellen Verdichtung während eines Ar beits-Zyklus nicht im oberen Totpunkt der einzelnen Kurbelwellen erreicht, sondern bei einer davon verschiedenen Phase, bei der bereits ein endliches Drehmoment auf die Kurbelwellen wirkt.

4. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Hub der zwei oder mehreren Kolben in jeweils einem Zylinder durch entsprechend unterschiedliche Auslegung der einzelnen Kurbelwellen (und ggf. Pleuel) verschieden groß ist.

5. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das zusammenführende Getriebe bewirkt, daß die einzelnen Kurbelwellen mit unterschiedlicher Drehzahl rotieren.
Im speziellen Fall von zwei Kolben in einem Zylinder bewirkt ein Drehzahlverhältnis der beiden Kurbelwellen von 2 : 1 bei einer Phasendifferenz von ca. 90° zwischen den beiden Kurbelwellen, daß ein Motor entsteht, bei dem während einer Umdrehung der langsameren Kurbelwelle zwei Kompressionsphasen und zwei Expansionsphasen auftreten.

6. Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei Kolben mit (deutlich) unterschiedlichem Hub in einem Zylinder arbeiten. Die Kurbelwelle, die den größeren Hub bewirkt, wird im folgenden Haupt-Kurbelwelle genannt. Das zusammenführende Getriebe ist so ausgelegt, daß die Kurbel wellen das Drehzahlverhältnis 2 : 1 haben. Die Haupt-Kurbel welle hat dabei die hohe Drehzahl. Dies bewirkt, daß das Verdichtungsverhältnis von einer Umdrehung der Haupt-Kurbel welle zur nächsten alterniert. Insbesondere kann bei jeder zweiten Umdrehung ein extrem hohes Verdichtungsverhältnis realisiert werden, während bei der jeweils dazwischenliegen den Umdrehung ein adequates Verdichtungsverhältnis bestehen bleibt. Dies kann z. B. bei Motoren, die nur bei jeder zweiten Umdrehung das Kraftstoff-Gemisch verbrennen (wie beim Vier takt-Motor) dazu verwendet werden, daß bei den Umdrehungen, bei der das Verdichtungsverhältnis adequat ist, das Kraft stoff-Gemisch verbrannt wird, während bei den dazwischenlie genden Umdrehungen mit extrem hohem Verdichtungsverhältnis das Kraftstoff-Gemisch angesaugt bzw. die Abgase ausgepufft werden.