-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kurbeltriebsystem zur
Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung in eine
Kreisbewegung, das insbesondere für endotherme Hubbewegungsmaschinen
geeignet ist.
-
Spezieller bezieht sich die Erfindung auf ein System der oben
genannten Art, welches die Verbesserung der Bewegung eines
thermodynamischen Zyklus und der Ausbeutung der bei ebendiesem
thermodynamischen Zyklus auftretenden Kräfte erlaubt.
-
Bekanntermaßen wird bei einer endothermen Hubbewegungsmaschine
die Hubbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung
umgeformt, üblicherweise durch das Pleuel-Kurbel-System, wobei die
Kurbel fest mit der Ausgangs- oder Abtriebswelle gekoppelt
ist.
-
In der beiliegenden Fig. 1 sind die Teile, aus welchen eine
bekannte Maschine besteht, nach der folgenden Terminologie
bezeichnet:
-
l = Pleuelstangenlänge
-
r = Kurbelradius, so daß der Kolbenhub C gleich 2r ist
-
β = Winkel zwischen Pleuelachse und Zylinderachse
-
α = Verdrehwinkel der Kurbel gegenüber dem oberen
Totpunkt (T. D. C.).
-
Weiterhin ist es bekannt, daß sich die Bewegungsrichtung des
Kolbens bei jeder vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle
zweimal umkehrt, und zwar beim oberen und unteren Totpunkt.
-
Fig. 1 zeigt ferner, daß das auf die Abtriebswelle wirkende
Drehmoment sowohl von der längs der Pleuelachse wirkenden
Kraft wie auch vom Kurbelradius abhängt.
-
Die Kraft Fb erhält man durch vektorielle Zusammensetzung der
durch den thermodynamischen Zyklus erzeugten Kraft F mit der
Kraft Fn, welche die Reaktionskraft der Zylinderwandung auf
den Kolbendruck infolge der Neigung β der Pleuelstangenachse
darstellt. Dieser Druck bestimmt einen Reibungsverlust.
-
Das Drehmoment ist gleich
-
Unter Vernachlässigung des Terms λ² sin² αº erhält man:
-
Mm = F · r · [sin α + λ/2 · sin α]
-
d. h. Mm = F · "f", wobei "f" = r · [sin α + λ/2 · sin α].
-
In der obigen Formel ist Mm das Drehmoment, F die auf den
Kolbenboden wirkende Kraft, die durch den thermodynamischen
Zyklus hervorgerufen wird, r ist der Kurbelradius, α der
Kurbelwinkel bezüglich der Zylinderachse und λ das Verhältnis r/l.
-
Die auf den Kolbenboden wirkende Kraft F wird durch den
thermodynamischen Zyklus erhalten, welcher für eine endotherme
Viertaktmaschine mit einem Otto-Zyklus (bei welcher die
Zündung des Luft-Brennstoffgemisches durch einen Zündfunken
gesteuert wird) näherungsweise figürlich durch ein kartesisches
Diagramm dargestellt wird, in welchem die Abszisse die
Kolbenverschiebung und die Ordinate den Zylinderdruck oberhalb des
Kolbenbodens angibt.
-
Wie sich aus Fig. 2 sehen läßt, überdeckt der durch eine
ausgezogene Linie gezeigte reale Zyklus aus mehreren Gründen eine
geringere Fläche als der theoretische Zyklus (der durch eine
gestrichelte Linie gezeigt ist), und von diesen Gründen beruht
einer der wichtigsten darauf, daß die durch den Zündfunken
gesteuerte Verbrennung nicht momentan am oberen Totpunkt
auftritt, sondern während einer gewissen Zeitperiode, so daß der
Kolben bei seiner hin- und hergehenden Bewegung einen Teil des
Hubs zum oberen Totpunkt zurücklegt und einen Teil des
positiven Hubs nach dem oberen Totpunkt, ehe die
Kraftstoffverbrennung vollständig erfolgt ist.
-
Wie in der Literatur klar anerkannt wird, ist dies der Grund
für eine Verringerung der letztlich erhaltenen Arbeit in der
Größenordnung von 10 bis 15% nach Angabe einiger Autoren.
-
Es ist weiterhin bekannt, daß der Arbeitszyklus der Maschine,
beispielsweise eines Viertaktmotors, nur unter
Berücksichtigung geometrischer Gesichtspunkte in vier Hüben erfolgt, von
denen jeder einer halben Umdrehung der Kurbelwelle, also einen
Winkel von 180º, entspricht. Bei einer Fehlausrichtung der
Zylinderachse bezüglich des Rotationszentrums der
Abtriebswelle können Hübe unterschiedlicher Dauer auftreten
(üblicherweise tritt nur eine geringe Fehlausrichtung auf und damit kleine
Unterschiede, so daß dieser Fall vernachlässigt werden kann.)
-
Die vorstehenden Überlegungen sind speziell mit Bezug auf
endotherme Viertaktmotoren mit hin- und hergehender Bewegung
und gesteuerter Funkenzündung angestellt worden, jedoch gelten
dieselben Überlegungen mit entsprechenden Unterschieden auch
für Zweitaktmotoren oder einem Dieselmotor.
-
Kürzlich sind Rotationsmaschinen realisiert worden, welche
kein System zur Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung
in eine Drehbewegung erfordern, die technisch gesehen sehr
interessant sind.
-
Beispielsweise sei auf die Turbine und den Wankelmotor
verwiesen, die sehr geeignet für einzelne Anwendungen sind.
-
Unbeschadet guter technischer Eigenschaften einer solchen
Lösung haben sich die Motorenhersteller nicht sehr interessiert
gezeigt, und zwar hauptsächlich deswegen, weil die Vorteile
dieser Motoren (insbesondere mittlerer und kleiner) zu gering
sind, um sich für die Aufgabe einer Fertigungslinie mit den
entsprechenden Werkzeugen und für die zugehörigen
Forschungsinvestitionen zugunsten eines Erzeugnisses mit begrenzten
Vorteilen zu entscheiden.
-
Es liegt auf der Hand, daß eine neue Lösung in der
Motorentechnik nur erfolgreich sein kann, wenn sie erhebliche
Vorteile etwa hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, einfacher
Herstellung, Verwendung bereits vorhandener Anlagen,
Produktionskosten bringt.
-
Im Hinblick hierauf hat die Anmelderin einen Kurbeltrieb
geschaffen, welcher bemerkenswerte Vorteile gegenüber den
derzeitigen Lösungen aufweist und darüber hinaus eine Lösung
darstellt, welche vorteilhafterweise von den Herstellern
übernommen werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt die Realisierung eines
Arbeitszyklus mit einer Konstantvolumenverbrennung.
-
Weiterhin erlaubt die Erfindung innerhalb bedeutender Grenzen
die Realisierung von Zyklen mit variabler Amplitude, ohne
Anwendung der Fehlausrichtung.
-
Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich auch eine
bemerkenswerte Vergrößerung des Wertes der Drehmomentformel bis zu
einer mittleren Kraft, bei welcher sich das relevante Integral
verdoppelt. Diese Proportionalität bedeutet eine Verringerung
des betreffenden Verlustanteils mit entsprechender
Vergröße
rung der spezifischen Leistung für die
Kolbenverschiebungseinheit.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich ein Motor mit
verringerten Abmessungen bauen, der damit leichter und billiger
ist.
-
Weiterhin erlaubt die Erfindung die Verwendung bereits
vorhandener Fertigungsstraßen, Maschinen und Technologien. Ein
weiterer mit dem erfindungsgemäßen System erreichter Vorteil
bezieht sich auf die Lösung des Schichtladungsproblems, um den
von den Gesetzen für Ende der neunziger Jahre vorgesehenen
Schadstoffausstoß auf Null zu erreichen.
-
Diese und andere Ergebnisse erhält man gemäß der Erfindung
durch einen Mechanismus, welcher die übliche Pleuel-Kurbel-
Anordnung ersetzt durch die Kombination eines Rades oder einer
rotierenden Verbindungsstange, frei drehbar auf dem
Kolbenbolzen montiert, mit einem an der Abtriebswelle montierten
Nocken.
-
Daher besteht eine spezielle Aufgabe der Erfindung in einem
Mechanismus zur Umwandlung einer hin- und hergehenden Bewegung
in eine Drehbewegung, welcher sich speziell für mit
Hubbewegung arbeitende Verbrennungskraftmaschinen eignet und ein Rad
oder eine rotierende Verbindungsstange, einen Nocken, eine
Abtriebswelle und einen Kolbenbolzen umfaßt, wobei das Rad frei
beweglich auf dem Kolbenbolzen sitzt und der Nocken ein
Umfangsprofil hat, das aus mindestens zwei Segmenten oder
Nockenbögen besteht, um die Motorzyklushübe zu optimieren, und
wobei der Nocken auf der Welle montiert ist und das Rad auf
einem Profil abrollt, welches konzentrisch zur Rotationsachse
der Abtriebswelle verläuft, wobei Mittel vorgesehen sind, um
den Kontakt zwischen Rad und Nocken aufrechtzuerhalten und
diese Mittel eine kleine Verbindungsstange aufweisen, die frei
auf derselben Achse des Rades schwenken kann und an der
Unter
seite mit einer Eingriffskupplung versehen ist, die ein
konzentrisch zum Außenprofil des Nockens verlaufendes Profil hat
und dieses akkurat wiedergibt, wobei der Nocken eine Anordnung
definiert, welcher eine Konstantvolumenverbrennung
aufrechterhält, und wobei das Rad längs des Nockenprofils mit
minimaler Reibung rotiert.
-
Speziell kann erfindungsgemäß der Nocken ein erstes
Profilsegment mit ein oder mehreren Krümmungen haben, um den
Einlaßhub mit dem Auslaßhub zu optimieren, sowie ein zweites
Profilsegment mit einer oder mehreren Krümmungen zur Optimierung der
Kompressions- und Auslaßhübe.
-
Bei der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Systems
kann der Nocken ferner Segmente oder Bögen zur Optimierung der
Verbrennung haben, insbesondere um eine
Konstantvolumenverbrennung im Hinblick auf den oberen Totpunkt zu erreichen, und
um den Ausdehnungshub im Hinblick auf den unteren Totpunkt zu
optimieren.
-
Speziell haben die weiteren Segmente oder Bögen einen
konstanten Krümmungsradius entsprechend dem Abstand zwischen der
Motorachse und der den unteren bzw. oberen Totpunkt
bestimmenden Krümmung. Es ist auch zu bedenken, daß, wenn das mit dem
Kolben verbundene Rad längs eines konzentrisch zur
Rotationsachse der Abtriebswelle verlaufenden Profils abrollt,
der Kolben in seiner geradlinigen Bewegung längs des Zylinders
stehen bleibt, während sich die Abtriebswelle kontinuierlich
weiter dreht.
-
Tritt dies am oberen Totpunkt längs eines Bogens auf, welcher
der Zeit entspricht, die vom Augenblick der Zündung für die
vollständige Verbrennung des im Zylinderkopf enthaltenen
Gemisches benötigt wird, dann erhält man einen
Konstantvolumenverbrennungshub. Dieser ideale Verbrennungszyklus stellt nach
Meinung sämtlicher Autoren und Forscher eine erhebliche
Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades dar.
-
In gleicher Weise ergeben sich Vorteile mit derselben oben
beschriebenen Methode, wenn der Kolben am unteren Totpunkt
anhält, wobei zunächst die völlige Ausdehnung der
Verbrennungsprodukte unter Benutzung des gesamten Ausdehnungshubes
erfolgen kann, ehe das Auslaßventil öffnet. Wie die graphische
Darstellung zeigt, kann der vollständige Hub praktisch über einen
Winkel nach dem oberen Totpunkt auftreten, welcher durch den
Konstrukteur einfach über eine geeignete Formgebung des
Nockenprofils bestimmt werden kann.
-
Es ist bekannt, daß bei nach dem Stande der Technik
konstruierten Motoren der Hub (abgesehen von einer eventuellen oben
diskutierten Fehlausrichtung) über 180º vom oberen zum unteren
Totpunkt auftritt: Weil man eine geeignete Amplitude für den
Auslaßhub braucht, öffnet bei dieser Art von Motoren das
Auslaßventil ein Stück vor dem unteren Totpunkt (bis zu 70º bis
80º vorher), und dies führt zu einer unvollständigen
Ausdehnung und damit einer geringeren Expansionswirkung. Die
erfindungsgemäße Lösung erlaubt eine vollständige Expansion.
-
Der nach der Erfindung konstruierte Viertaktmotor arbeitet
folgendermaßen:
-
I) Einlaß
-
II) Verdichtung, und etwa 35º vor dem oberen Totpunkt
erfolgt die Zündung und die Verbrennung beginnt,
während der Kolben sich abwärts zum unteren
Totpunkt bewegt.
-
III) Ausdehnung vom oberen Totpunkt zum unteren
Totpunkt. Die Verbrennung ist nicht vor dem oberen
Totpunkt beendet und erfolgt während des
Ausdehnungshubes des Kolbens. Diese Expansion wird vor
dem unteren Totpunkt (üblicherweise 70º davor)
durch Öffnen des Auslaßventils abrupt
unterbrochen.
-
IV) Auslaß erfolgt unter dem Druck des sich vom
unteren zum oberen Totpunkt aufwärtsbewegenden
Kolbens.
-
Die vier Hübe verlaufen über 720º Drehwinkel der
Abtriebswelle, also über zwei komplette Umdrehungen.
-
Der erfindungsgemäß konstruierte Viertaktmotor arbeitet
innerhalb zwei vollständiger Umdrehungen, also 720º, jedoch bei der
bevorzugten Ausführungsform in 5 oder 6 Hüben:
-
I) Einlaß
-
II) Verdichtung
-
III) (bei stehendem Kolben) Zündung und vollständiger
Verbrennung
-
IV) vollständige Expansion
-
V) (bei stehendem Kolben) Öffnen des Auslaßventils
-
VI) Auslassen
-
Bei dem beschriebenen Viertaktmotor können die Hübe V und VI
auch zusammengefaßt werden. Bei einem erfindungsgemäß
konstruierten Zweitaktmotor ist es indessen zweckmäßig, während des
Auslaßhubes (oder Übergangs) den Kolben am unteren Totpunkt
anzuhalten, da diese Konstruktion den Wert des
"Zeitquerschnitts" vergrößert und damit den Motorbetrieb verbessert.
-
Weiterhin können gemäß der Erfindung das Rad und der Nocken
aus einem solchen Material hergestellt werden, daß der auf das
Rad ausgeübte Kompressionsdruck innerhalb der
Elastizitätsgrenzen des Materials bleibt. Das erfindungsgemäße
Kurbelsystem kann bei einem Mehrzylindermotor benutzt werden, wobei
nur ein Nocken für alle Zylinder oder je ein Nocken für jeden
Zylinder vorgesehen werden kann. Die Erfindung sei nun zur
Veranschaulichung, jedoch nicht einschränkend, in ihren
bevor
zugten Ausführungsformen erläutert, wobei auf die in den
beiliegenden Zeichnungen dargestellten Figuren verwiesen wird.
Es zeigen:
-
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Motors nach dem
Stande der Technik;
-
Fig. 2 das Diagramm eines Otto-Zyklus;
-
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der
Erfindung;
-
Fig. 4a, 4b, 4c und 4d verschiedene Hübe des Zyklus eines
Vierzylindermotors;
-
Fig. 5 ein besonders bevorzugtes Profil;
-
Fig. 6 das Schema des Nockens nach Fig. 5;
-
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Kurbeltrieb mit Maßnahmen, um den Kontakt zwischen Rad
und Nocken konstant zu halten; und
-
Fig. 8 ein Beispiel eines Nockenprofils für eine
Konstantvolumenverbrennung.
-
Ehe die erfindungsgemäße Lösung detailliert beschrieben wird,
soll darauf hingewiesen werden, daß ein Vergleich mit dem
Stand der Technik angestellt wird, wie er eingangs der
Beschreibung diskutiert wurde; hierbei sei die Vorbemerkung
gemacht, daß hier die qualitative Beurteilung auf dem Vergleich
zweier Motoren basiert, von denen einer gemäß der Erfindung
und der andere nach dem Stande der Technik konstruiert ist,
welche dieselbe Kolbenbewegung, Bohrung und Hub sowie
denselben Zyklus (Zwei- oder Viertakt) aufweisen, denselben
Treibstoff verwenden, dasselbe Kompressionsverhältnis und denselben
Verbrennungsraum sowie die gleiche Anzahl und Größe von
Einlaß- und Auslaßventilen und dasselbe Einlaß- und Auslaßsystem
haben, wobei die Herstellung mit denselben Werkzeugen und
demselben Material erfolgt und dasselbe Zündsystem (Funkenzündung
oder Kompressionszündung) benutzt wird.
-
Gemäß Fig. 3 enthält das System eine Anordnung von Teilen,
welche das als Pleuel-Kurbeltrieb bekannte, in Fig. 1 gezeigte
System ersetzen.
-
Speziell enthält es einen mit der Abtriebswelle einteiligen
Nocken 1, ein frei drehbares und damit freilaufendes Rad 2 auf
dem Kolbenbolzen 3, und ein Element, welches die Freiheit des
Kolbens 4, sich längs der Achse des Zylinders 5 zu bewegen
begrenzt, und dies wird nachfolgend noch im einzelnen
beschrieben. Die Bezugsziffer 6 bezeichnet die Abtriebswelle. Die
Krümmungsmittelpunkte des Nockens sind mit C&sub1;, C&sub2; und C&sub3;
bezeichnet, die relevanten Hebelarme mit b&sub1;, b&sub2; und b&sub3;, deren
Werte im folgenden in der Berechnungsformel für das Drehmoment
erscheinen. Der Betrieb des Motors sei für einen Viertaktmotor
mit Funkenzündung beschrieben, wobei darauf hingewiesen wird,
daß sich die Erfindung, wenn auch mit entsprechenden
Unterschieden, gleichermaßen für einen Zweitaktmotor benutzt werden
kann; in beiden Fällen (Zweitakt- und Viertaktmaschine) kann
eine Kompressionszündung und irgendeine Kraftstoffart
vorgesehen sein. Weiterhin sind in der Figur nur drei
Krümmungsmittelpunkte gezeigt, um die Zeichnung nicht zu komplizieren. In
Fig. 4 wird der Betrieb des Systems während des
Expansionshubes des Verbrennungsproduktes nach dem oberen Totpunkt
gezeigt. Auf den Boden des Kolbens 4 wirkt der Druck der
verbrannten Gase, und dieser ist durch den Buchstaben p
bezeichnet. Dadurch wird eine Kraft bestimmt, die auf den Bolzen 3
des Kolbens und das Rad 2 übertragen wird, dessen Umfang auf
den Nocken 1 drückt. Die Bewegung des Rades 2 längs des
Nockens 1, dessen Profil zur Huboptimierung geeignet berechnet
werden kann, ist eine reine Rollbewegung, also ohne Gleiten
und damit ohne Reibung, wobei dafür Sorge zu tragen ist, daß
der durch das Rad 2 ausgeübte Kompressionsdruck gut innerhalb
der Elastizitätsgrenzen des Materials bleibt, das für das Rad
2 und den Nocken 1 gewählt wird.
-
Aus Fig. 5, welche schematisch eines der unbegrenzt möglichen
Profile für den Nocken zeigt, kann man sehen, daß die Drehung
des Rades 2 infolge seiner Berührung mit dem Profil des
Nockens 1 entsprechend dem Krümmungsmittelpunkt des Profils
auftritt, das in diesem Moment das Rad 2 berührt.
-
In Fig. 5 sind die Zentren des in Betracht gezogenen Profils
mit C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; bezeichnet, und die Abstände zwischen diesen
Krümmungsmittelpunkten und der Motorachse A sind mit b&sub1;, b&sub2; und
b&sub3; bezeichnet. Die Abstände b&sub1;, b&sub2; und b&sub3; sind die Parameter,
welche in die oben genannte Formel einzuführen sind, die den
Wert des momentanen Drehmoments in Abhängigkeit vom Drehwinkel
α der Abtriebswelle vom oberen Totpunkt gerechnet angeben, und
den Wert r, also den Kurbelradius, ersetzen.
-
Betrachten wir nun Fig. 6, so sieht man, daß der Nutzhub des
Kolbens 4 längs der Achse des Zylinders 5 aus der Beziehung
C + rt - rb erhalten wird, wobei C = C&sub1; der Abstand zwischen
der Motorachse A und dem Krümmungsmittelpunkt des Kopfes des
Nockens 1 ist, rt der Krümmungsradius des Profils des
Nockenkopfes (welcher den oberen Totpunkt bestimmt) und rb der
Krümmungsmittelpunkt der (den unteren Totpunkt bestimmenden)
Unterseite des Nockens 1 ist.
-
Man stellt leicht fest, daß man den Hubraum durch
Multiplikation der Kolbenfläche mit dem Hub erhält. Der Kolbenhub, der
für das oben beschriebene Pleuel-Kurbel-System gleich 2r ist,
ist der in der Drehmomentformel auftretende konstante
Parameter.
-
Die Abstände b&sub1;, b&sub2; und b&sub3; etc. können geeignet gewählt werden
und ein Mehrfaches von r sein, und dennoch bleibt der Hubraum
des Motors gleich a: Kolbenfläche · 2r.
-
Mit der Annahme r = 26 mm, und somit 2r gleich Hub gleich
52 mm; und der Wahl
-
rt = rb = 16 mm
-
erhält man:
-
Hub = 52 mm = C + rt - rb = C + 16 - 16 = 52, und damit
C = b&sub1;.
-
Wenn beispielsweise rt = 16 und rb = 26 ist, dann erhält man b&sub1;
gleich 62, wobei b&sub1; größer als der Hub ist.
-
Geht man wieder zur Drehmomentformel, so zeigt sich daß
-
Unter Vernachlässigung λ²sin²α, und damit mit der Annahme, daß
der Term 1-λ²sin2α gleich 1 ist, ist bei einer auf den Kolben
wirkenden Kraft F, die in dem zuvor betrachteten Pleuel-
Kurbel-System und im erfindungsgemäßen System gleich ist, das
momentane Drehmoment Mm eine Funktion von "f" = r · [sin α +
λ/2 · sin α], wobei r = Hub = konstanter Wert und l die
konstante Pleuellänge für den betrachteten Motor ist. λ = r/l
(nach dem Stande der Technik ist λ etwa 0,25).
-
In dem System ist r = b&sub1;, b&sub2;, b&sub3; etc., dessen Wert jeweils
erhalten wird durch Addition des Radius des Rades 2 (welcher in
diesem Fall konstant ist, weil das Rad 2 als Kreis angenommen
wurde) zum Krümmungsradius der jeweiligen Profillänge des
Nockens 1. Setzt man den Wert für die oben erwähnte Funktion "f"
für einen Motor nach dem Stande der Technik und für einen
Motor nach dem erfindungsgemäßen System bei demselben Hub gleich
52 mm mit einer Pleuelstange der Länge l = 110 mm bei der
bekannten Maschine und verwendet den Nocken 1 nach Fig. 6 mit
dem Rad 2 vom Durchmesser 76 mm, dann ergeben sich die Werte
der Funktion "f" für die beiden Fälle mit guter Annäherung aus
der nachstehenden Tabelle 1 bei gleichen Kolbenhüben:
Tabelle 1
-
Selbst wenn man in Betracht zieht, daß für das neue System
wegen der größeren Neigung der vom Rad 2 auf das Profil des
Nockens 1 ausgeübten Kraftrichtung bezüglich der Zylinderachse
höhere Reibungsverluste zwischen Kolbenhemd und Zylinder
auftreten, dann ist der erhaltene Vorteil in der Praxis dennoch
erheblich, weil bei dem bekannten Motor die Expansion
unterbrochen wird, während das neue System eine vollständige
Expansion erlaubt. Demzufolge enden der Expansionshub und der
aktive Zyklus mit einem bemerkenswerten Kraftzuwachs hinsichtlich
der Werte, die nach dem Stande der Technik erhalten werden,
und zwar sowohl wegen des verbesserten thermodynamischen
Wirkungsgrades infolge der Konstantvolumenverbrennung oder auch
der vollständigen Expansion oder Verringerung der
Reibungsverluste gegenüber einem Pleuel-Kurbel-System. Das System läßt
sich vorteilhafterweise für Mehrzylinder-Maschinen einsetzen,
wobei ein einziger Nocken 1 für sämtliche Zylinder oder eine
Anzahl von Nocken 1 entsprechend der Zylinderzahl vorgesehen
wird.
-
In Fig. 4b ist ein Auslaßhub gezeigt. Der Kolben wird vom
Profil über das Rad 2 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt
unter Verwendung der im Schwungrad gespeicherten Energie
gedrückt. Wenn die Abtriebswelle 6 vom unteren Totpunkt einen
bestimmten Winkelbogen zurückgelegt hat, dann neigt das Rad 2
zum Kontaktverlust mit dem Nocken. Daher muß erfindungsgemäß
eine Einrichtung vorgesehen werden, welche die vom Nocken 1
zum Kolben 4 übertragene Energie aufnimmt und den Kontakt mit
dem Rad aufrechterhält.
-
Eine Einrichtung dieser Art zeigt Fig. 7. Die Einrichtung nach
Fig. 7 weist eine kleine Verbindungsstange 7 auf, die koaxial
hinter dem Rad 2 sitzt und an ihrer Unterseite einen Vorsprung
8 aufweist, der hinter das rückseitige Profil 9 des Nockens 1
greift, welches exakt dem äußeren Nockenprofil nachgebildet
ist. Oberhalb des Vorsprungs ist ein Rad oder Gleiter 10
vorgesehen, um das Gleiten der kleinen Verbindungsstange 7 am
Profil 9 von der Bewegung des Nockens 1 völlig unbeeinflußt zu
lassen. Wie bereits gesagt wurde, hat die kleine
Verbindungsstange nur den Zweck, eine konstante Distanz zwischen dem
Zentrum des Rades 2 und dem äußeren Profil des Nockens 1
aufrechtzuerhalten.
-
In Fig. 4c ist der Einlaßhub gezeigt. In diesem Fall muß der
Kolben 4 gezwungen werden, dem Profil des Nockens 1 zu folgen,
und damit braucht man eine Vorrichtung, welche den Kolben 4
zwingt, seine Position am oberen Totpunkt zu verlassen.
Nachdem die Abtriebswelle 6 einen bestimmten Kreisbogen ausgeführt
hat, ist die Wirkung der Vorrichtung nicht mehr nötig, da die
Trägheitsenergie des Kolbens 4 die Wiederherstellung des
Kontaktes zwischen Rad 2 und Nocken 1 bewirkt, welcher der
Trägheit des Kolbens entgegenwirkt und sie am unteren Totpunkt
annulliert.
-
Fig. 4d zeigt einen Kompressionshub. Wie beim Auslaßhub würde
eine Trennung von Rad 2 und Nocken 1 auftreten (auch wenn die
negative Arbeit des Kolbens 4 während des Kompressionshubs
solche Werte annehmen kann, daß in einigen Fällen die Trägheit
annulliert wird), und somit ist auch in diesem Falle die
Wirkung der oben genannten Vorrichtung erforderlich.
-
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Nockenprofils mit mehreren
Zentren, welches die Aufrechterhaltung eines konstanten
Volumens während der Verbrennung erlaubt.
-
Das gezeigte Beispiel ist für einen Kolbenhub = 56 mm
ausgeführt. In der Figur definieren C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;, C&sub4;, C&sub5;, C&sub6;, C&sub7;, das
Mehrzentren-Profil, r&sub1;, ... r&sub7; die Krümmungsradien und A, B, C,
D, E, F, G die Tangentenpunkte.
-
Die Rotation des Nockens 1 erfolgt im Gegenuhrzeigersinn, und
der Kolbenhub wird als C&sub4; + C&sub5; + r&sub1; - r&sub4; = 56 mm berechnet. Der
Durchmesser der rotierenden Verbindungsstange 2 ist gleich 70
mm.
-
Der Bogen A-B-C-D ist der Bogen für Expansions- und Einlaßhub,
längs des Bogens D-E wird der Kolben am unteren Totpunkt
angehalten, der Bogen E-F-G ist der Bogen für Auslaß- und
Kompressionshub, während längs des Bogens G-A der Kolben am oberen
Totpunkt angehalten wird. Genau entsprechend diesem letzten
Bogen, der in diesem Beispiel über 30º verläuft, tritt die
Konstantvolumenverbrennung auf. Bei einer Nockendrehzahl von
4500 Upm berechnet sich die Anhaltezeit zu T = 0,001 sec.
-
Die Erfindung wurde in einer bevorzugten Ausführungsform als
Beispiel, jedoch nicht beschränkend, beschrieben.