DE4014692A1

DE4014692A1 - Brennkraftmaschine als viertakthubkolbenmaschine bei der der geometrische expansionshub groesser als der geometrische kompressionshub ist

Info

Publication number: DE4014692A1
Application number: DE19904014692
Authority: DE
Inventors: Reinhard Schall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-08
Filing date: 1990-05-08
Publication date: 1991-11-14

Description

Wenn die Abgase der konventionellen Brennkraftmaschine nicht in einer nachgeschalteten Turbine oder in zusätzlichen Kolben entspannt werden, verpufft ein beträchtlicher Teil der zugeführten Energie am Ende des Expansionshubes.

Es ist bekannt, daß eine verlängerte Expansion (der effektive Expansionshub ist länger als der effektive Kompressionshub) diese Energie nutzen und damit den effektiven Wirkungsgrad η_e verbessern kann.

Aus DE-OS 25-25 44 766 und DE 29 12 552 A1 ist bekannt eine verlängerte Expansion über eine Ventilsteuerung, die eine kleinere effektive Kompression bewirkt, zu erreichen.

Dabei wird aber das Ansauggemisch oder die Ansaugluft zum Teil aus dem Kolben wieder hinausgeschoben, wodurch das Ansauggemisch oder die Ansaugluft über die Zylinderwände und den Einlaßkanal vermehrt erwärmt und η_e gedrückt wird.

Eine Brennkraftmaschine, bei der der geometrische Expansionshub größer als der geometrische Kompressionshub ist, wurde von Horst Muth (DT 24 51 516 A1) vorgeschlagen. An die Stelle der Kurbelwelle tritt hier ein Mechanismus, der sich aus einem Umlaufgetriebe und einer Schubkurbel zusammensetzt. Der Pleuelkopf wirkt auf einen exzentrisch an einem umlaufenden Zahnrad angebrachten Zapfen. Das umlaufende Zahnrad hat den doppelten Durchmesser des feststehenden Sonnenrades.

Dieser Motor wurde nie gebaut; vermutlich weil die Zahnräder konstruktionsbedingt viel zu klein sein müßten. Der Durchmesser des Sonnenrads ist etwa dreimal so klein wie der mittlere Hub. Auch würden bei einem so gebauten Motor sehr hohe Massenkräfte auftreten.

Allgemein gilt für diesen und ähnliche Mechanismen, daß der Pleuelkopf auf einer Epizykloide Ψ bzw. einer Hypozykloide Ψ umläuft.

Ψ = R × eⁱ ^ϕ + H × eⁱⁿ ^ϕ+δ

R und H sind je nach Mechanismus Kurbelwangenlänge und Abstand des Pleuelkopfzapfens zur Mitte des umlaufenden Zahnrads und umgekehrt;
n ist eine ganze Zahl + ½ (-⁵/₂, -³/₂, -½, ½, ³/₂, usw.) da Ψ(ϕ =0) = Ψ(ϕ = 4π) gelten muß;
δ bestimmt die Lage der Zykloide;
ϕ ist der Motorwinkel (je nach Mechanismus Kurbelwinkel oder Drehwinkel des umlaufenden Zahnrads).

Um die Massenkräfte gering zu halten, sollte der Betrag von n möglichst gering sein. Außerdem sollten die Zahnräder möglichst groß sein, da größere Zahnräder höhere Umfangskräfte erlauben; obendrein sind bei großen Zahnrädern und bei gegebenen R und H die Umfangskräfte geringer.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch einen Mechanismus, bestehend aus einem hin- und herlaufenden Kolben (1), einem Pleuel (2), das die Bewegung des Kolbens auf den exzentrisch an einem im Umlaufgetriebe innen umlaufenden Zahnrad (4) (Radius=2R) angebrachten Pleuelkopfzapfen (3) überträgt, ferner bestehend aus einem feststehenden äußeren Zahnkranz (5) mit Radius 3R und aus einer Stirnkurbel (6) mit Kurbelwangenlänge R, auf deren Kurbelzapfen das umlaufende Zahnrad (4) sitzt, gelöst.

Der Durchmesser des kleineren Zahnrades ist hier etwa doppelt so groß wie der mittlere Hub. Der Pleuelkopf läuft auf einer kleeblattförmigen Hypozykloide Ψ(n=-½) um. Dadurch wird die sternförmige Anordnung von drei Zylindern möglich. Der Aufwand der Mechanik verteilt sich auf mehrere Zylinder. Hierdurch werden sowohl die Lagerkräfte, als auch die maximale Umfangskraft, die die Zahnräder beansprucht, geringer.

Durch die verstellbare Ausführung des äußeren Zahnkranzes kann das Verdichtungsverhältnis geregelt werden (die Lage des oberen Totpunktes zwischen Kompression und Expansion ist von δ abhängig).

Ein ovales innen umlaufendes Zahnrad mit dem dazu passenden äußeren Zahnkranz bewirkt bei Sechszylindermotoren (und bedingt auch bei Dreizylindermotoren) eine gleichmäßigere Drehmomentabgabe, da bei konstanter Umlaufgeschwindigkeit die Eigendrehung des Zahnrads nicht konstant ist.

Die Skizze zeigt einen Sechszylinder-Doppelsternmotor. Das Zahnrad (4) läuft mit der Frequenz ω=ϕ auf einem Kreis mit Radius R um. Durch das Abrollen im äußeren Zahnkranz (5) wird es zu einer Eigenrotation mit der Frequenz -½ω gezwungen. Der Pleuelkopfzapfen (3) umrundet also mit halber Motorendrehzahl und Abstand H die Mitte des Zahnrades (4). Dadurch wird erreicht, daß die unteren Totpunkte um H oberhalb und unterhalb eines Mittelwertes liegen. Diese Zykloidenbewegung wird über die Pleuel (2) auf die Kolben (1) übertragen. Das Rad (7) läuft als Ausgleichsmasse mit.

Claims

1. Brennkraftmaschine als Viertakthubkolbenmaschine, bei der der geometrische Expansionshub größer als der geometrische Kompressionshub ist,
dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der umlaufenden Schubkurbel ein Mechanismus tritt, der ein Umlaufgetriebe mit einer Schubkurbel kombiniert. Dieser Mechanismus besteht aus mindestens einem hin- und herlaufenden Kolben (1), dem dazugehörigen Pleuel (2), das die Bewegung des Kolbens auf den exzentrisch an einem im Umlaufgetriebe innen umlaufenden Zahnrad (4) (Radius=2R) angebrachten Pleuelkopfzapfen (3) überträgt, ferner aus einem feststehenden äußeren Zahnkranz (5) mit Radius 3R und aus einer Stirnkurbel (6) mit Kurbelwangenlänge R, auf deren Kurbelzapfen das umlaufende Zahnrad (4) sitzt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ansonsten feststehende Zahnkranz um einen kleinen Betrag drehbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das umlaufende Zahnrad die Form eines Ovals hat, und daß der äußere Zahnkranz die Form eines abgerundeten Dreiecks hat. (Ovalumfang : Dreieckumfang=2 : 3), die Form des Dreiecks ist so gewählt, so daß der Mittelpunkt des Ovals weiterhin auf einer Kreisbahn umläuft.