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WO2008012006A2 - Hubkolben-verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Hubkolben-verbrennungskraftmaschinen Download PDF

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WO2008012006A2
WO2008012006A2 PCT/EP2007/006313 EP2007006313W WO2008012006A2 WO 2008012006 A2 WO2008012006 A2 WO 2008012006A2 EP 2007006313 W EP2007006313 W EP 2007006313W WO 2008012006 A2 WO2008012006 A2 WO 2008012006A2
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WO
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internal combustion
cylinder
compressed air
combustion engine
energy
Prior art date
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PCT/EP2007/006313
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French (fr)
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WO2008012006A3 (de
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Franz Brauers
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of WO2008012006A3 publication Critical patent/WO2008012006A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/32—Engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding main groups
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
    • B60K6/08—Prime-movers comprising combustion engines and mechanical or fluid energy storing means
    • B60K6/12—Prime-movers comprising combustion engines and mechanical or fluid energy storing means by means of a chargeable fluidic accumulator
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    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00
    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with crankshaft
    • F01B9/026—Rigid connections between piston and rod; Oscillating pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • Brake energy intermediate storage in the form of compressed air has been proposed (for example DE 35 18 031, DE 199 46 711). These are very expensive, z.T. External compressors and a second drive unit are used to bring back the stored compressed air energy when accelerating the vehicle back to the drive.
  • the two working pistons 1 of a 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine are interconnected to form a common unit 2 and have on their back another piston, which runs in a cylinder 3, in which only air is compressed and which is not fired.
  • an actuating unit 6 is provided on the pneumatic cylinder 3, with which the compression of this cylinder and thus the height of the resulting final pressure can be adjusted according to the speed of the engine. Furthermore, the engine has two laterally arranged next to the engine block crossheads 4 and a crank mechanism 5, which is located above the cylinder head.
  • the crossheads By the crossheads is achieved that the piston assembly 2 moves only linear. As a result, the high side forces and the associated friction losses, which occur in conventional engines on the piston skirt, shifted into the crossheads and can be better reduced there due to the oil pressure lubrication. Furthermore, the crossheads allow an extremely long-stroke design of the cylinder. This has the advantage that due to the favorable surface / volume ratio in the ignition point, when pressure and temperature and thus also the wall heat losses are greatest, the heat losses decrease significantly and a better thermal efficiency results. This is also improved by the fact that the working gas can remain due to the compression on the opposite side to the lower reversal point in the cylinder and not as in conventional engines already 40 ° before UT must be omitted.
  • the interconnection of the three pistons to a unit 2 also causes the largest part of the gas exchange work in the working cylinders and the compression work in the compressed air cylinder 3 drivetrain subtracted from the expansion work and only the difference is effective only on the crank mechanism. This also reduces the frictional losses, because these are proportional to the amount of the attacking forces.
  • the "overhead" arrangement has some advantages: - Extension of the residence time of the working piston 1 in the Zündumledgeddling and thus isochoric combustion and increasing the speed, especially in diesel mode possible.
  • the connecting rods are loaded mainly on train and hardly on pressure and can be designed accordingly lighter.
  • compressed air can be released back into this cylinder via the valve 7 and thus support the drive.
  • the stored compressed air can also be used to start the engine and to realize start / stop driving.
  • the valve 7 is electromagnetically controlled. Since only air is switched at moderate pressures and temperatures, it can be small and light. If the compressed air accumulator 8 receives compressed air (braking operation), it opens as soon as pressure equality exists between compressed air cylinder 3 and compressed air accumulator 8. The actuator 6 is set to maximum compression.
  • the compressed air accumulator 8 delivers compressed air (start-up operation), it opens in or shortly after TDC and can remain open in the event of a great need for acceleration until shortly before UT, before the venting valve 10 opens. When starting the engine, this makes sense in any case, so that the engine quickly comes to idle speed and the starting emissions remain low.
  • the actuator 6 is set to minimum compression in these two cases.
  • the vent valve 10 on the compressed air cylinder 3, performed in Figure 6 as a mere lock in the cylinder wall, on the one hand has the function to admit new air of atmospheric pressure (or pre-compressed from a turbocharger) in this cylinder when compressed air for the purpose of
  • the compressed air accumulator 8 Since the compressed air transferred into the compressed air accumulator 8 is compressed and accordingly heated (by far over 200 ° C.), the compressed air accumulator 8 is thermally insulated against its environment to the outside. Furthermore, the heat losses from the compressed air reservoir 8 out can be kept low, that in this a heat storage 9 (eg steel wool) is installed, which causes the temperature in the Compressed air accumulator 8 only increases moderately when filled with fresh compressed air.
  • a heat storage 9 eg steel wool
  • the oscillating piston assembly 2 is always just tossed between two gas cushions a free piston, and the mechanical losses are minimal.
  • FIG 4a / b an 8-cylinder internal combustion engine in plan and side view is shown, in which two blocks, each with four arranged in a rectangle cylinder are arranged opposite to each other (see DE 199 23 021 claim 15).
  • the Firing order is such that always two diagonally opposite cylinders of one side ignite simultaneously, suck in the adjacent cylinders of this side and compress or evacuate the axially opposite cylinders.
  • This machine can be fully balanced with a second opposing crank mechanism by a push rod 12 is guided through both cylinder blocks, which act on the above the cylinder heads arranged crossheads 4 and 4 ', to which the crank mechanisms 5 and 5' each with a simple speed rotating balancer shaft 11 are connected according to Figure 3.
  • FIG. 5a and 5b illustrated 2-cylinder 4-stroke internal combustion engine has instead of crossheads via a motor housing 20 mounted Anlenkpleuel 14, which acts centrally on a yoke 17, on which also the two working piston 1 via the Kolbenpleuel 15 and the Kurbelpleuel 16 attached are.
  • the Anschpleuel 14 is designed by its radius forth so that the Kolbenpleuel 15 swivel in their cylinders only small and thus can take place a long-stroke design of the cylinder, with the advantages already mentioned. Furthermore, the Anlenkpleuel 14 causes the extensive linear guide of the working piston 1, so that the mixing friction on the piston skirt is only small and instead caused by the crank mechanism lateral forces are absorbed mainly in one of lubricated with pressure oil rotary motion on the yoke 17.
  • a mechanical spring 18 Centrally below the Anschpleuel 14 is a mechanical spring 18 which intercepts the oscillating mass at the lower reversal point and provides for their rear acceleration, so that even in this engine, the rear acceleration does not have to be applied by the crank mechanism and thus a more harmonious torque curve results.
  • another element may be used to temporarily store the kinetic energy of the piston assembly, e.g. turn a compressed air cylinder or an electrical method.
  • the intermediate energy storage in batteries or in capacitors can be done.
  • brake energy buffering is not possible.
  • a device can be provided with which the bias of the spring is adjusted accordingly.
  • FIG. 5a A modification of the principle of Figs. 5a and 5b is shown in FIG.
  • the Anschpleuel is hereby extended to a mounted in the engine block 20 rocker 19, and the storage element for temporary storage of the E k i n of the oscillating masses of the two working pistons located at the same height with these.

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Abstract

Es werden neuartige Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen vorgestellt, bei denen im Betrieb die kinetische Energie der oszillierenden Massen in den Umkehrpunkten, in denen die Abbrems- und Beschleunigungskräfte am größten sind, in potentielle Energie zwischengespeichert wird, um danach zur Rückbeschleunigung der oszillierenden Massen genutzt zu werden. Dadurch wird der größte Teil der Beschleunigungs- und Abbremsarbeit nicht mehr von der Mechanik, sondern von Gaskräften aufgebracht, so dass die Reibleistungsverluste reduziert und der mechanische Wirkungsgrad verbessert ist. Weiterhin sind die Maschinen alle extrem langhubig auslegbar, so dass auch deren thermischer Wirkungsgrad aufgrund verringerter Wand-Wärme-Verluste verbessert ist. Aus beidem resultiert insgesamt ein günstigerer Gesamtwirkungsgrad. Bei einigen Motoren-Konzepten kann die zwischengespeicherte potentielle Energie in Form von Druckluft aus dem Motor ausgeschleust und in einem Druckluftspeicher gespeichert werden, so dass bei Nutzung der Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug Bremsenergiezwischenspeicherung möglich wird. Die abgespeicherte Druckluft kann ebenso genutzt werden, um den Motor zu starten.

Description

Beschreibung
Titel : Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen
Stand der Technik
Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen, bei denen die kinetische Energie der oszillierenden Massen auf der jeweiligen Gegenseite durch den Aufbau von potentieller Energie abgefangen wird, sind bereits in DE-PS 409 919 und insbesondere in der DE 199 23 021 beschrieben, jedoch nutzen diese überwiegend "exotische" Kurbeltriebe, welche sich in der Praxis bisher nicht durchsetzen konnten.
Ebenso sind bereits Konzepte mit
Bremsenergiezwischenspeicherung in Form von Druckluft vorgeschlagen worden (z.B. DE 35 18 031, DE 199 46 711). Diese sind jedoch sehr aufwendig, z.T. werden externe Kompressoren und eine zweite Antriebseinheit verwandt, um die gespeicherte Druckluft-Energie beim Beschleunigen des Fahrzeuges wieder auf den Antrieb zurückbringen zu können.
In der DE 25 50 567 ist eine Brennkraftmaschine mit integrierbarer Druckerzeugung vorgeschlagen worden, jedoch nicht um primär die kinetische Energie des Kolbens abzufangen und auch
„ .; „1_4- ,,— J- ^ l~i~-.- — l-~~-—^ T-i -• 1 - J -I- . , uxvui. tΛin »-I.L.G L/J. UL. Λ.C j. i, c uy um.) Lui Dj. ciuociici yxciwxouucuoμcιj.oπt!l Lilly nutzbar zu machen. Die Maschine dort nutzt außerdem einen Kurbeltrieb, welcher eine verlängerte Aufenthaltsdauer des Arbeitskolbens im Zündumkehrpunkt hervorruft, wie dies auch mit dem in der DE 30 30 615 beschriebenen Gelenkpleuel ermöglicht werden kann. Zur Verlängerung der Aufenthaltsdauer der Arbeitskolben im Zündumkehrpunkt wird in dieser Schrift eine weitere Variante vorgeschlagen.
Besehrθibung
Den Motor nach Anspruch 1 zeigt Fig.l.
Die beiden Arbeitskolben 1 einer 2-Zylinder-4-Takt- Verbrennungskraftmaschine sind zu einer gemeinsamen Baueinheit 2 zusammengeschaltet und haben auf ihrer Rückseite einen weiteren Kolben, welcher in einem Zylinder 3 läuft, in welchem lediglich Luft verdichtet wird und welcher nicht befeuert wird.
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass im Betrieb die kinetische Energie der oszillierenden Kolbenbaueinheit 2 im unteren Umkehrpunkt in Druck-Volumenarbeit zwischengespeichert wird. Nach dem Öffnen der Auslassventile wird durch das aufgebaute Druckpolster die Kolbenbaueinheit 2 wieder rückbeschleunigt. Die oszillierende Masse wird damit nicht mehr wie bei herkömmlichen Hubkolben-Motoren von der Mechanik abgebremst und wieder beschleunigt, sondern jeweils von den Gaskräften in den Umkehrpunkten. Im oberen Umkehrpunkt erfolgt dies dadurch, dass sich immer einer der beiden Arbeits-Zylinder im Verdichtungstakt befindet.
Da die Größe der zwischenzuspeichernden kinetischen Energie von der Drehzahl des Motors abhängt, ist am Druckluftzylinder 3 eine Stelleinheit 6 vorgesehen, mit der die Verdichtung an diesem Zylinder und damit die Höhe des entstehenden Enddruckes entsprechend der Drehzahl des Motors angepasst werden kann. Weiterhin verfügt der Motor über zwei seitlich neben dem Motorblock angeordnete Kreuzköpfe 4 sowie einen Kurbeltrieb 5, welcher sich oberhalb des Zylinderkopfes befindet.
Durch die Kreuzköpfe wird erreicht, dass sich die Kolbenbaueinheit 2 ausschließlich linear bewegt. Dadurch werden die hohen Seitenkräfte und die damit verbundenen Reibleistungsverluste, welche bei herkömmlichen Motoren an den Kolbenschürzen auftreten, in die Kreuzköpfe verlagert und können dort aufgrund der Öldruckschmierung besser reduziert werden. Weiterhin ermöglichen die Kreuzköpfe eine extrem langhubige Auslegung der Zylinder. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund des günstiger werdenden Oberflächen/Volumenverhältnisses im Zündpunkt, wenn Druck und Temperatur und damit auch die Wand- Wärme-Verluste am größten sind, die Wärmeverluste deutlich sinken und ein besserer thermischer Wirkungsgrad resultiert. Dieser wird auch noch dadurch verbessert, dass das Arbeitsgas aufgrund der Verdichtung auf der Gegenseite bis im unteren Umkehrpunkt im Arbeitszylinder verbleiben kann und nicht wie bei herkömmlichen Motoren bereits 40° vor UT ausgelassen werden muss .
Das Zusammenschalten der drei Kolben zu einer Baueinheit 2 bewirkt außerdem, dass sich der größte Teil der Gaswechselarbeit in den Arbeitszylindern sowie die Verdichtungsarbeit im Druckluftzylinder 3 antriebsintern von der Expansionsarbeit subtrahiert und nur die Differenz erst am Kurbeltrieb wirksam wird. Auch dadurch reduzieren sich die Reibleistungsverluste, denn diese sind proportional zur Höhe der angreifenden Kräfte.
Abgesehen davon, dass der Motor mit klassischer Anordnung der Kurbelwelle unterhalb der Arbeitskolben ausgestaltet sein kann, hat die "Überkopf"-Anordnung einige Vorteile: - Verlängerung der Aufenthaltsdauer der Arbeitskolben 1 im Zündumkehrpunkt und damit isochorere Verbrennung und Erhöhung der Drehzahl, insbesondere bei Dieselbetrieb möglich.
Verringerung der Kolbenbeschleunigung im mechanisch und thermisch hoch belasteten Zündumkehrpunkt, was für einen langhubigen Motor mit prinzipiell höherer mittlerer Kolbengeschwindigkeit wichtig ist.
Die Pleuelstangen werden vor allem auf Zug und kaum mehr auf Druck belastet und können dementsprechend leichter ausgelegt werden.
Die Druckluft im Druckluftzylinder 3, welche bei hohen Drehzahlen durchaus bis zu 15 bar betragen kann, kann über ein Ventil 7 an diesem Zylinder ausgelassen und in einen DruckluftSpeicher 8 überführt werden.
Dies wirkt als Motorbremse, und dadurch kann im Schiebe- und Bremsbetrieb eines Fahrzeugs Bewegungsenergie des Fahrzeugs gesammelt und gespeichert werden. Beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs kann über das Ventil 7 Druckluft wieder in diesen Zylinder zurück entlassen werden und damit den Antrieb unterstützen.
Die gespeicherte Druckluft kann auch genutzt werden, um den Motor anzulassen und um im Fahrbetrieb Start/Stop zu realisieren.
Das Ventil 7 wird elektromagnetisch gesteuert. Da nur Luft bei moderaten Drücken und Temperaturen geschaltet wird, kann es klein und leicht sein. Nimmt der Druckluftspeicher 8 Druckluft auf (Bremsbetrieb) , öffnet es, sobald Druckgleichheit zwischen Druckluftzylinder 3 und Druckluftspeicher 8 besteht. Die Stelleinheit 6 ist dabei auf maximale Verdichtung eingestellt.
Gibt der Druckluftspeicher 8 Druckluft ab (Anfahrbetrieb) , öffnet es in oder kurz nach OT und kann bei großem Beschleunigungsbedarf bis kurz vor UT, bevor das Belüftungsventil 10 öffnet, geöffnet bleiben. Beim Starten des Motors ist dies auf alle Fälle sinnvoll, damit der Motor schnell auf Leerlaufdrehzahl kommt und die Startemissionen gering bleiben. Die Stelleinheit 6 ist in diesen beiden Fällen auf minimale Verdichtung eingestellt.
Das Belüftungsventil 10 am Druckluftzylinder 3, in Fig.6 als bloße Schleuse in der Zylinderwand ausgeführt, hat zum einen die Funktion, neue Luft von Atmosphärendruck (oder auch vorverdichtet von einem Turbolader) in diesen Zylinder einzulassen, wenn Druckluft zum Zweck der
Bremsenergiezwischenspeicherung in den Druckluftspeicher 8 übergehoben wurde, und zum anderen, wenn zum Beschleunigen des Fahrzeugs Druckluft aus dem Speicher 8 in den Zylinder 3 zurück entlassen wurde, den Restdruck im Druckluftzylinder 3 auf den Turbolader zu leiten, damit dieser schneller anspricht.
Da die in den Druckluftspeicher 8 überführte Druckluft verdichtet und dementsprechend erwärmt ist (durchaus bis über 2000C) , wird der Druckluftspeicher 8 nach außen gegen seine Umgebung thermisch isoliert. Weiterhin können die Wärmeverluste aus dem Druckluftspeicher 8 heraus dadurch gering gehalten werden, dass in diesem ein Wärmespeicher 9 (z.B. aus Stahlwolle) eingebaut wird, welcher bewirkt, dass die Temperatur im Druckluftspeicher 8 bei Befüllung mit frischer Druckluft nur moderat ansteigt.
Auch ohne die Optionen Bremsenergiezwischenspeicherung und Start/Stop hat der Motor vor allem aufgrund der reduzierten Reibleistungsverluste einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad. Über diese beiden zusätzlichen Funktionen kann jedoch insbesondere im Kurzstrecken-Fahrbetrieb zusätzlich Kraftstoff eingespart werden.
Da bei dieser Brennkraftmaschine drei Kolben zu einer Baueinheit 2 zusammengeschaltet sind, wird die oszillierende Masse relativ groß, und für laufruhigen Betrieb ist ein Massenausgleich sinnvoll. Zum Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung kann am Kurbeltrieb 5 in bekannter Weise eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle geschaltet werden. Sollen die Massenkräfte 2. Ordnung auch noch ausgeglichen werden, wäre zumindest eine weitere Welle, welche mit doppelter Drehzahl umläuft, notwendig.
Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit.
Wird der Motor von den Kreuzköpfen 4 weg auf beiden Seiten sowohl oberhalb als auch unterhalb der Arbeitskolben mit einem Kurbeltrieb 5 und 5' ausgestattet (siehe Fign. 2, 3 und 4) und haben beide das gleiche Pleuelstangenverhältnis und sind die umlaufenden Massen an beiden Kurbeltrieben gleich groß, dann kann ein vollständiger Massenausgleich (Massenkräfte 1. und 2. Ordnung, Massenmomente treten keine auf) dann erreicht werden, wenn an jedem Kurbeltrieb eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle angeschaltet ist.
Dieser Sachverhalt ist in Fig.3 dargestellt. Die oszillierende Masse der Kolbenbaueinheit 2 wirkt auf zwei sich gegenüberliegende Kurbeltriebe 5 und 5', an welchen je eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle 11 angeschaltet ist. Dadurch sind dann automatisch bereits die Massenkräfte 2. Ordnung mit ausgeglichen, weil die Unwucht, welche durch den einknickenden Kurbeltrieb auf der einen Seite entsteht, von der gleichzeitig entstehenden Unwucht am gegenüberliegenden Kurbeltrieb immer gerade ausgeglichen wird.
Ein solcher 2. Kurbeltrieb wäre für einen 2. Zylinder sehr aufwendig.
Ersetzt man jedoch den Druckluftzylinder 3 nach Fig. 1 durch zwei weitere Arbeitszylinder, so dass man eine 4-Zylinder- Brennkraftmaschine erhält (siehe Fig. 2), so kann diese trotz der großen oszillierenden Masse vollständig ausgewuchtet werden, und über den zweiten Kurbeltrieb 5 ' kann auch noch die Ventilsteuerung für den zweiten Zylinderkopf abgegriffen werden, so dass es keines Zahnriemens bedarf.
Mit der bekannten Zündfolge Expandieren und Ansaugen auf der einen sowie Verdichten und Auspuffen auf der anderen Seite wird die oszillierende Kolbenbaueinheit 2 einem Freikolben gleich immer nur zwischen zwei Gaspolstern hin und her geworfen, und die mechanischen Verluste werden minimal.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der durch die Kreuzköpfe 4 ermöglichten langhubigen Auslegbarkeit .
In Fig.4a/b ist eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine in Drauf- und Seitenansicht dargestellt, bei der zwei Blöcke mit je vier im Rechteck angeordnete Zylinder einander gegenüberliegend angeordnet sind (vgl. DE 199 23 021 Patentanspruch Nr. 15) . Die Zündfolge ist dergestalt, dass immer zwei sich diagonal gegenüberliegende Zylinder einer Seite gleichzeitig zünden, die benachbarten Zylinder dieser Seite ansaugen und die axial gegenüberliegenden Zylinder verdichten bzw. auspuffen.
Dadurch wird die gesamte Kolbenbaueinheit 2, wie auch die mittig angeordneten Kolbenschubstangen 12, immer symmetrisch mit Expansionskraft beaufschlagt, und es werden Seitenkräfte an den Kolben 1 vermieden. Da weiterhin alle Gaswechselarbeit wie auch ein Teil der Verdichtungsarbeit von der Expansionsarbeit subtrahiert wird, und nur die Differenz am Kurbeltrieb wirksam wird, werden die Reibleistungsverluste minimal.
Auch diese Maschine kann mit einem zweiten gegenüberliegenden Kurbeltrieb vollständig ausgewuchtet werden, indem durch beide Zylinderblöcke hindurch eine Schubstange 12 geführt wird, welche auf die oberhalb der Zylinderköpfe angeordneten Kreuzköpfe 4 und 4 ' wirken, an welchen die Kurbeltriebe 5 und 5' jeweils mit einer mit einfacher Drehzahl umlaufenden Ausgleichswelle 11 entsprechend Fig.3 angeschaltet sind.
Die bisher beschriebenen Motoren haben zum einen den Nachteil, dass diese über ungewöhnliche Abmessungen verfügen (diese bauen relativ lang) und zum anderen, dass diese nur liegend verbaut werden können, weil sich die Kurbeltriebe jeweils an den Zylinderköpfen befinden.
Im Folgenden werden deshalb Abwandlungen insbesondere vom in Fig.l dargestellten Konzept beschrieben, mit gleichen oder doch zumindest ähnlichen Funktions- und Leistungsmerkmalen, welche jedoch die vorgenannten Einschränkungen nicht mehr oder nicht mehr in dem Maße haben. Die in den Fign. 5a und 5b dargestellte 2-Zylinder-4-Takt- Brennkraftmaschine verfügt statt über Kreuzköpfe über ein am Motorgehäuse 20 gelagertes Anlenkpleuel 14, welches mittig auf ein Joch 17 wirkt, an welchem außerdem die beiden Arbeitskolben 1 über die Kolbenpleuel 15 sowie die Kurbelpleuel 16 befestigt sind.
Das Anlenkpleuel 14 ist von seinem Radius her so ausgelegt, dass die Kolbenpleuel 15 in ihren Zylindern nur noch gering ausschwenken und dadurch eine langhubige Auslegung der Zylinder erfolgen kann, mit den bereits genannten Vorteilen. Weiterhin bewirkt das Anlenkpleuel 14 die weitgehende Linearführung der Arbeitskolben 1, so dass die Mischreibung an den Kolbenschürzen nur noch gering ist und statt dessen die vom Kurbeltrieb hervorgerufenen Seitenkräfte überwiegend in einer von mit Drucköl geschmierten Drehbewegung am Joch 17 aufgenommen werden.
Mittig unterhalb vom Anlenkpleuel 14 befindet sich eine mechanische Feder 18, welche die oszillierende Masse im unteren Umkehrpunkt abfängt und für deren Rückbeschleunigung sorgt, so dass auch bei diesem Motor die Rückbeschleunigung nicht mehr vom Kurbeltrieb aufgebracht werden muss und somit ein harmonischerer Drehmomentverlauf resultiert.
Anmerkung: Bisherige Motoren mit Gelenkpleuel haben den Nachteil, dass sich dabei die oszillierenden Massen vergrößern und nur im 2-Takt-Verfahren alle 360° Kurbelwinkel in OT diese vom Verdichtungsgasdruck abgefangen werden.
Werden jedoch zwei im 4-Takt-Verfahren arbeitende Zylinder über ein gemeinsames Anlenkpleuel mit Federelement unterhalb davon zusammengeschaltet, so bleibt einerseits die Erhöhung der oszillierenden Masse moderat, andererseits wird diese alle 180°, also in allen Kolbenumkehrpunkten, nicht mehr von der Mechanik, sondern von potentieller Energie abgefangen.
Statt dieser mechanischen Feder 18 kann auch ein anderes Element zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie der Kolbenbaueinheit verwandt werden, z.B. wiederum ein Druckluftzylinder oder auch ein elektrisches Verfahren. Bei elektro- oder elektromagnetischen Verfahren kann die Energiezwischenspeicherung in Batterien oder auch in Kondensatoren erfolgen.
Mit einer mechanischen Feder ist
Bremsenergiezwischenspeicherung jedoch nicht möglich. Um jedoch unterschiedlich große kinetische Energien bei unterschiedlichen Drehzahlen abfangen zu können, kann eine Vorrichtung vorgesehen werden, mit der die Vorspannung der Feder entsprechend angepasst wird.
Eine Abwandlung des Prinzips aus den Fign. 5a und 5b ist in Fig.6 dargestellt.
Das Anlenkpleuel ist hierbei zu einem im Motorblock 20 gelagerten Wippe 19 verlängert, und das Speicherelement zur Zwischenspeicherung der Ekin der oszillierenden Massen der beiden Arbeitskolben befindet sich auf gleicher Höhe mit diesen. Dadurch entsteht ein sehr kompakter Motor, wobei, wenn das Speicherelement als Druckluftzylinder ausgeführt wird, dieser als zu den Arbeitskolben 1 gegenläufiger Kolben auch noch deren oszillierenden Masse entgegenläuft, was sich auf die Laufruhe verbessernd auswirken sollte, so dass eine Ausgleichswelle möglicherweise überflüssig wird. Bezugszeichen
Arbeitskolben
Kolbenbaueinheit
Druckluftzylinder
Kreuzköpfe
Kurbeltrieb
Stelleinheit
Ventil
DruckluftSpeicher
Wärmespeicher
Belüftungsventil
Ausgleichswelle
Kolbenschubstangen
Anlenkpleuel
Kolbenpleuel
Kurbelpleuel
Joch
Feder
Wippe
Motorgehäuse

Claims

Dr. Franz Brauers 12Patentansprüche
1. 2-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine in Reihenanordnung mit Kreuzkopfgetriebe (4), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitskolben (1) zu einer gemeinsamen Baueinheit (2) zusammen geschaltet sind und sich diesen gegenüberliegend eine Vorrichtung zur Speicherung der kinetischen Energie der oszillierenden Massen in potentielle Energie befindet.
2. 4-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit zwei Reihen von je zwei Zylindern, welche sich achsgleich gegenüber liegen, wobei alle vier Kolben zu einer gemeinsamen Baueinheit (2) zusammengeschaltet sind und der Abtrieb über seitliche Kreuzköpfe (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den beiden Zylinderköpfen je ein Kurbeltrieb (5) und (5λ) mit gleichem Pleuelstangenverhältnis befindet und an jedem Kurbeltrieb zur vollständigen Auswuchtung der Maschine eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle angebracht ist.
3. 8-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit zwei Blöcken von je vier im Rechteck angeordneten Zylindern, welche sich achsgleich gegenüber liegen, wobei alle acht Kolben zu einer gemeinsamen Baueinheit (2) zusammen geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb über zentral zwischen den Zylindern hindurchgeführte Schubstangen (12) erfolgt, welche auf je einen oberhalb der Zylinderköpfe angeordneten Kreuzkopf (4) und (4') mit Kurbeltrieben (5) und (51) wirken, welche beide das gleiche Pleuelstangenverhältnis aufweisen und an welchen zur vollständigen Auswuchtung der Maschine je eine mit einfacher Drehzahl umlaufende Ausgleichswelle angebracht ist.
4. 2-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine in Reihenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitskolben (1) auf ein gemeinsames Joch (17) wirken, welches durch ein Anlenkpleuel (14) mit der Wand des Motors (20) verbunden ist, derart dass die Arbeitskolben (1) in ihren Zylindern weitgehend linear geführt werden, und dass sich unterhalb des Anlenkpleuels (14) eine Vorrichtung zur Speicherung der kinetischen Energie der oszillierenden Massen in potentielle Energie befindet.
5. 2-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine in Reihenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitskolben (1) auf ein gemeinsames Joch (17) wirken, welches über eine am Motorblock (20) gelagerte Wippe (19) geführt ist, welche an ihrem anderen Ende eine Vorrichtung zur Speicherung der kinetischen Energie der oszillierenden Massen in potentielle Energie aufweist.
6. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energiespeicherung aus einem Zylinder (3) , in welchem ein Pumpenkolben läuft, besteht, in welchem die Energie in Form von Druckluft aufgebaut wird und welcher mit einer Stelleinheit (6) ausgerüstet ist, so dass das Verdichtungsverhältnis an diesem Zylinder in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors variabel eingestellt werden kann.
7. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energiespeicherung aus einer mechanischen Feder (18) besteht, deren Vorspannung entsprechend der Drehzahl des Motors veränderlich ist.
8. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur
Energiespeicherung aus irgendeinem anderen Verfahren, z.B. einem elektrischen oder einem magnetischen, besteht und die Energie in entsprechende Speicher z.B. Batterien oder Kondensatoren zwischengespeichert wird.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb (5) sich oberhalb der Arbeitszylinder am Zylinderkopf befindet, dergestalt, dass der Kurbeltrieb mit umgekehrter Kinematik läuft und dadurch die Aufenthaltszeit der Kolben im Zündumkehrpunkt verlängert ist.
10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb (5) außermittig gelagert ist, dergestalt, dass die an den Kreuzköpfen (4) hervorgerufenen Seitenkräfte minimal werden.
11. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Druckluftzylinder (3) verdichtete Druckluft in einen Druckspeicher (8) eingeleitet wird, was dann als Motorbremse wirkt, um so bei Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug Bremsenergie zwischenzuspeichern .
12. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Druckluft beim Anfahren und Beschleunigen des Fahrzeugs wieder in den Druckluftzylinder (3) zurückgeführt wird.
13. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass noch vorhandener Restdruck im Druckluftzylinder (3) am Ende der Expansion auf das Turbinenrad eines etwaig angebrachten Turboladers geleitet wird, derart, dass dieser schneller anläuft und das Turboloch verringert wird.
14. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Druckluft dazu verwendbar ist, die Brennkraftmaschine zu starten und das Fahrzeug im Start/Stop-Modus zu betreiben.
15. Verbrennungskraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Druckluftspeicher (8) ein Wärmespeicher (9), z.B. aus Stahlwolle, befindet, welcher die mit der im Zylinder (3) verdichteten und somit heißen Druckluft mitgeführte Wärme zum Teil aufnimmt und beim Ausströmen der Druckluft wieder abgibt, so dass sich der Druckluftspeicher (8) weniger erhitzt und weniger Wärmeverluste verursacht werden.
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