DE102017003146B3 - Jerk-crank mechanism, as well as equipped combustion engine. - Google Patents
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Abstract
Der heutige Hubkolbenverbrennungsmotor erreicht real, durch mannigfaltige Verluste, die wegen der unrationellen Bewegung des Kolbens entstehen, kaum die Hälfte seines theoretisch möglichen Wirkungsgrads.Diese Erfindung führt einen Ruck-Kurbeltrieb und aus-gestatteten damit Ruck-Kurbeltrieb-Motor vor, der fähig ist, die Expansion und Verdichtung in seinem Zyklus bis zu viermal schneller durchzuführen, dadurch sinken seine Wärmeverluste um 3/4. Die Dauer seines Gaswechsels wird bis zu 1,5 Mal verlängert, das Ansaugen intensiviert, die Zylinderladung gesteigert und das Ausstoßen entlastet. Beim Ruck-Kurbeltrieb ist der Kolben (2) per Bolzen (4), Pleuel (3) und Koppel (7) an die Motorkurbel (5) gekoppelt dabei wird das Pleuel-Koppel-Gelenk (3-7) von der Ruckkurbelwelle (6) gegen die Drehrichtung der Motorkurbelwelle im Kreis geführt. So erhöht sich z.B. der Wirkungsgrad eines Otto-Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit ε = 10:1 gegenüber einem analogen gewohnten Motor um 60-87 %, und seine Spitzenleistung steigt um 2,26-2,63 Mal. Ein Diesel-Ruck-Kurbeltrieb-Motor (ε = 22:1) erhält eine relative Wirkungsgradsteigerung von 47-64 %, seine Spitzenleistung erhöht sich um 2,07-2,31 Mal.Die CO-Emissionen eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors sinken generell proportional zum Verbrauch, die NO-Emissionen reduzieren sich dabei um 10 bis 15 Mal.Today's reciprocating internal combustion engine achieves scarcely half of its theoretically possible efficiency by virtue of manifold losses arising due to the inefficient movement of the piston. This invention performs a jerk crank drive and thus allows jerk-crank drive engine capable of Performing the expansion and compression in its cycle up to four times faster, thereby reducing its heat losses by 3/4. The duration of its gas exchange is extended up to 1.5 times, the intake is intensified, the cylinder charge is increased and the discharge is relieved. In the jerk crank drive, the piston (2) by means of bolts (4), connecting rod (3) and coupling (7) is coupled to the engine crank (5) while the connecting rod coupling joint (3-7) from the return crankshaft (6 ) is guided in a circle against the direction of rotation of the engine crankshaft. Thus, e.g. The efficiency of an Otto-Jerk crank-drive engine with ε = 10: 1 compared to a conventional analog engine by 60-87%, and its peak power increases by 2.26-2.63 times. A diesel jerk crankcase engine (ε = 22: 1) gets a relative increase in efficiency of 47-64%, its peak power increases by 2.07-2.31 times. The CO emissions of a jerk-crank engine decrease generally proportional to consumption, the NO emissions are reduced by 10 to 15 times.
Description
Einführungintroduction
Diese Erfindung gehört zum Gebiet der periodischen thermischen Fluid-Energie-Kraftmaschinen mit kompressiblen Fluida und beschäftigt sich mit dem Wirkungsgrad der Hubkolben-Verbrennungsmotoren. Sie präsentiert ein Koppelgetriebe, welches als Kurbeltrieb in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor verwendet werden soll. Ferner betrifft diese Erfindung einen Verbrennungsmotor, ausgestatteten mit einem solchen Kurbeltrieb, welcher als Ruck-Kurbeltrieb-Motor bezeichnet wird.This invention belongs to the field of periodic thermal fluid energy engines with compressible fluids and is concerned with the efficiency of reciprocating internal combustion engines. It presents a coupling gear, which is to be used as a crank mechanism in a conventional internal combustion engine. Further, this invention relates to an internal combustion engine equipped with such a crank mechanism, which is referred to as a jerk crank engine.
Es ist bekannt, dass für die äquivalente Energie des Dieseltreibstoffs man fast das Zehnfache an Volumen und fast das Zwanzigfache an Gewicht der besten modernen Akkumulatoren benötigt. Diese Energiedichte kann kein moderner Akkumulator erreichen. Alleine schon deswegen bleibt heute der Hubkolbenmotor die günstigste Kraftmaschine für Antrieb von autarken Transportmitteln. Für den Verbrennungsmotor gibt es heute keine äquivalente Alternative, deswegen ist die Menschheit genötigt ihn noch eine gewisse Zeit anzuwenden. Bedenklich sind dennoch sein niedriger Wirkungsgrad und seine mannigfachen schädlichen Emissionen. Die meisten seinen Emissionen können, dank Katalysatortechnik weitgehend unschädlich gemacht werden. Die CO2-Emissionen können aber bestenfalls klimaneutral gemacht werden, wenn der Verbrennungsmotor synthetische Treibstoffe aus Kohlenwasserstoffen verwendet, für deren Herstellung die benötigte Energiemenge komplett aus erneuerbaren Energiequellen bezogen wird. Völlig kohlendioxidfrei wird er, verwendet man Wasserstoff, hergestellten aus Energie der erneuerbaren Energiequellen. Diese Technologie ist aber zur Zeit wegen niedrigem Wirkungsgrad der gesamten Kette von der Gewinnung bis zur Umwandlung des Antriebsenergie der Brennstoffzelle nach der sogenannte WTW-Analysemethode („Well-to-Wheel“), schweren Traktionsbatterien, schwieriger Aufbereitung und Speicherung des Wasserstoffs auch noch nicht ausgereift.It is known that the equivalent energy of diesel fuel requires almost ten times the volume and almost twenty times the weight of the best modern accumulators. This energy density can not reach a modern accumulator. For this reason alone, today the reciprocating engine remains the cheapest engine for driving self-sufficient means of transport. For the combustion engine, there is no equivalent alternative today, so mankind is forced to use it for a certain amount of time. Nevertheless, its low efficiency and its manifold harmful emissions are alarming. Most of its emissions can be largely neutralized thanks to catalyst technology. However, CO2 emissions can at best be made carbon-neutral if the combustion engine uses synthetic fuels derived from hydrocarbons, the production of which requires the entire amount of energy needed from renewable energy sources. It becomes completely carbon dioxide-free, using hydrogen produced from renewable energy sources. However, this technology is not yet available because of low efficiency of the entire chain from the recovery to the conversion of the driving power of the fuel cell according to the so-called WTW analysis method ("Well-to-Wheel"), heavy traction batteries, difficult processing and storage of hydrogen mature.
Kohlendioxid kann aber durch die Erhöhung der Effizienz des Verbrennungsmotors deutlich reduziert werden. Und er verfügt über ein enormes Verbesserungspotential: nur seltene große Verbrennungsmotore erreichen 70 % ihres theoretisch möglichen Wirkungsgrads, der Hauptteil aber weniger als 50 %.However, carbon dioxide can be significantly reduced by increasing the efficiency of the internal combustion engine. And it has enormous potential for improvement: only a few large combustion engines achieve 70% of their theoretically possible efficiency, but the majority less than 50%.
Die in der weiteren Beschreibung benutzte Begriffe und Abkürzungen, Maßeinheiten und Parameter werden in beigefügten Tabellen 1 bis 3 erläutert.The terms and abbreviations, units of measure and parameters used in the further description are explained in attached Tables 1 to 3.
Darstellung des ProblemsRepresentation of the problem
Wie man weiß, ist die obere Wirkungsgradgrenze einer idealen Wärmekraftmaschine durch den Carnotprozess gegeben.
- Tmax die Anfangstemperatur der Arbeitsgase im Prozess in Kelvin;
- Tmin die Endtemperatur der Arbeitsgase im Prozess in Kelvin.
- T max is the starting temperature of the working gases in the process in Kelvin;
- T min is the final temperature of the working gases in the process in Kelvin.
In einer realen Wärmekraftmaschine kann der Wert des Carnotschen Wirkungsgrads wegen den unausbleiblichen Wärmeverlusten nie erreicht werden. Man kann aber die Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlichen Wert seines Wirkungsgrads beachtlich verkleinern, wenn die Abläufe der thermodynamischen Prozesse effektiver gestaltet werden.In a real heat engine, the value of Carnot's efficiency can never be achieved because of the inevitable heat losses. However, one can considerably reduce the difference between the theoretical and the actual value of its efficiency, if the processes of the thermodynamic processes are made more effective.
Der niedrige Wirkungsgrad einer realen Wärmekraftmaschine beim Transformieren der Wärme in mechanische Energie (≈50 %!) ist auf ein sehr unbefriedigendes und unzeitgemäßes Umwandlungsverfahren zurückzuführen. Der Basis-Mechanismus des heutigen Motors ist relativ einfach, robust, langlebig und erschwinglich. Seine Konstruktion hat sich seit seinem Entstehen aber nicht wesentlich verändert und sein Potenzial in heutiger Gestaltung ist praktisch aufgebraucht. Seine weitere Verfeinerung mit gewohnten Mitteln ist nicht aussichtsreich. Dies zeigen die Entwicklungen der letzten Jahrzehnten, während diesen der Wirkungsgrad des Hubkolbenmotors kaum gestiegen ist, obwohl er noch weit unter seinem theoretisch möglichen Wirkungsgradsniveau liegt. Der Treibstoffverbrauch der Pkws ist zwar gesunken, aber dies ist fast ausschließlich auf die Reduzierung der Gewichts ihrer Karosserie zurückzuführen, die aus leichterem Aluminium gebaut wird und (oder) besser aerodynamisch geformt ist. Es müssen prinzipielle Änderungen vorgenommen werden, um das restliche Potenzial, welches annähernd 50 % beträgt, aus dem Hubkolbenmotor herauszuholen.The low efficiency of a real heat engine in transforming the heat into mechanical energy (≈50%!) Is due to a very unsatisfactory and untimely conversion process. The basic mechanism of today's engine is relatively simple, sturdy, durable and affordable. However, its construction has not changed significantly since its creation and its potential in today's design is virtually exhausted. His further refinement with usual means is not promising. This is shown by the developments of recent decades, during which the efficiency of the reciprocating engine has barely risen, although it is still far below its theoretically possible level of efficiency. Although car fuel consumption has fallen, this is almost entirely due to the reduction in weight of its bodywork, which is made of lighter aluminum and (or) better aerodynamically shaped. In principle, changes must be made in order to extract the remaining potential, which is approximately 50%, from the reciprocating engine.
Die Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit des Motors und an seine Emissionen werden wegen der angestiegenen Umweltbelastung wohl gerecht immer strenger. Das fordert ein Umdenken und die wirtschaftliche Entwicklung ist dafür auch reif: die Produktivität im Maschinenbau ist angestiegen und die Herstellungskosten können sogar bei steigender Komplexität und Qualität des Motors gesenkt werden. Obwohl der gegenwärtige Hubkolbenmotor heutzutage in vieler Hinsicht modernisiert worden ist, bleibt sein Kern - der Kurbeltrieb - immer noch eine archaische Gestaltung, welche seine weitere Entwicklung verhindert. Heutzutage rechnet sich, in den Kurbeltrieb zu investieren, um den Motor sparsamer und sauberer zu bauen, weil er noch benötigt wird. The requirements for the economy of the engine and its emissions are probably just stricter because of the increased environmental impact. This calls for rethinking and economic development is ripe for this: productivity in mechanical engineering has increased and manufacturing costs can be reduced even as the complexity and quality of the engine increase. Although the present reciprocating engine has been modernized in many ways today, its core - the crank mechanism - still remains an archaic design that prevents its further development. Nowadays it pays to invest in the crank drive to make the engine more economical and cleaner because it is still needed.
Beginnend muss man aber in diesem Aspekt auf die folgende offenkundige Mängel des gewöhnlichen Kurbeltriebs hinweisen:
- 1. sogar beim Betreiben des Motors im Zustand seines höchsten Wirkungsgrades geschieht die Expansion der Arbeitsgase im Arbeitstakt viel zu langsam. Folgenschwer dabei ist, dass die Expansion im Bereich des OT in ihrer Hochtemperaturphase retardiert ist, wo das Verhältnis der Fläche zum Volumen des Expansionsraums bei einem Quadrathuber mit typischem Verdichtungsverhältnis von 10:1 beim Otto- und 22:1 beim Dieselmotor von drei- bis achtmal höher als am UT ist. Die ungünstige Bewegungsart des Kolbens in dieser Phase verursacht durch verlängerten Kontakt der hocherhitzten Arbeitsgase mit den großen gekühlten Zylinderwandungen besonders große Wärmeverluste;
- 2. das Ansaugen ohne Aufladung ist nur im relativ niedrigen Drehzahlbereich, welcher weit vom Punkt der maximalen Leistung des Motors liegt, hinlänglich. Bei weiterer Erhöhung seiner Drehzahl nimmt die Dauer des Gaswechsels ab, die Zylinderfüllung wird immer ineffizienter und das Drehmoment sinkt. Die maximale Leistung des Motors wird nur durch hohe Rotationsgeschwindigkeit mit erheblichen mannigfaltigen Verlusten und dadurch mit enorm niedrigem Wirkungsgrad erreicht;
- 3. das Verdichten wird in seiner Endphase, wenn die Temperatur des Frischgases durch die Kompressionswärme am höchsten ist, verzögert, wodurch ein unverhältnismäßig großer Teil der investierten in die Komprimierung Arbeit als Wärme an die Zylinderwandungen verloren geht;
- 4. das Ausstoßen ist wegen der stark verkürzten Dauer dieses Taktes im mittleren und hohem Drehzahlbereich des Motors durch hohe Drosselverluste in begrenzten Ventilquerschnittsflächen sehr erschwert, daher muss der Motor ein Teil seiner gewonnener Bewegungsenergie im Arbeitstakt zum Ausstoßen der Abgase aufwenden;
- 5. der Arbeitstakt, um für das Ausstoßen mehr Zeit zugewinnen und es dadurch zu erleichtern, wird absichtlich viel früher als der Kolben seinen UT erreicht beendet, deswegen wird der vorhandene geometrische Expansionsgrad des Motors nicht ausgeschöpft, was den Wirkungsgrad des Motors reduziert.
- 1. Even when operating the engine in the state of its highest efficiency, the expansion of the working gases in the power stroke is much too slow. The main drawback here is that the expansion in the area of the TDC is retarded in its high-temperature phase, where the ratio of the area to the volume of expansion space for a Quadrathuber with a typical compression ratio of 10: 1 in gasoline and 22: 1 in the diesel engine from three to eight times higher than UT. The unfavorable movement of the piston in this phase caused by prolonged contact of the highly heated working gases with the large cooled cylinder walls particularly large heat losses;
- 2. the suction without charging is only in the relatively low speed range, which is far from the point of maximum power of the engine, sufficient. As the speed increases further, the duration of the gas exchange decreases, the cylinder filling becomes more and more inefficient and the torque decreases. The maximum power of the engine is achieved only by high rotational speed with considerable manifold losses and thus with enormously low efficiency;
- 3. the compression is delayed in its final phase, when the temperature of the fresh gas is highest by the heat of compression, whereby a disproportionate part of the work invested in the compression work is lost as heat to the cylinder walls;
- 4. the ejection is very difficult due to the greatly shortened duration of this cycle in the middle and high engine speed range through high throttle losses in limited valve cross-sectional areas, therefore, the motor must spend part of its kinetic energy gained in the power stroke to expel the exhaust gases;
- 5. The power stroke to gain more time for discharging and thereby facilitate it is purposely terminated much earlier than the piston reaches its UT, therefore the existing geometric expansion of the engine is not exhausted, which reduces the efficiency of the engine.
Grundgedankebasic idea
Bekanntlich ist die übertragene Wärme Q zwischen einem Körper und seiner Umgebung zu dem Wärmeübertragungswert α, der Fläche S des Körpers, der Differenz der Temperatur (T1-T2) zwischen dem Körper T1 und der Umgebung T2 sowie zu der Zeit t der Wärmeübertragung proportional:
Die geschilderten Probleme können nur mit einem Kurbeltrieb beseitigt werden, welcher dem Kolben eine Bewegungsart verleiht, die mit wesentlich höherer Effizienz jeden einzelnen Takt des Zyklus ausführen lässt. Dieser Grundgedanke wird z.B. in den sogenannten Kurzpleuelmotoren (KPM) verfolgt (s. [2] und [3]).The described problems can only be eliminated with a crank mechanism, which gives the piston a type of movement, which can be performed with much higher efficiency every single cycle of the cycle. This basic idea is e.g. in the so-called short-haul (KPM) engines (see [2] and [3]).
In diesen Konstruktionen wird ein vollständiger Kolbenhub vom OT zum UT, wie auch in Motoren mit konventionellen Kurbeltrieben, in einem Kurbelwinkel von genau 180° verrichtet, dafür wird bei gleicher Drehgeschwindigkeit der Motorwelle auch die gleiche Zeit benötigt. Im Unterschied zu konventionellen Motoren legt aber der Kolben bei Kurzpleuelmotoren schon in der ersten Viertelumdrehung seiner Kurbelwelle vom OT mit beinahe doppelter Geschwindigkeit über 90 % seines Hubes zurück. Ein solcher Kolbenweg ist in der Regel für den Arbeitstakt eines HM zeitgemäß und darf für die Expansion der Arbeitsgase im Arbeitstakt nicht überschritten werden, wenn ein sparsamer ZYKLUS angestrebt wird (das Auslassventil wird bei 135 °KW mit 89,6 % des Hubes geöffnet, um das Ausstoßen zu erleichtern). In der zweiten Viertelumdrehung der Kurbelwelle legt der Kolben eines KPM jedoch seinen geringfügigen Restweg zum UT mit stark reduzierter Geschwindigkeit zurück. Eine solche Bewegungsart des Kolbens führt bei fachgemäßer Anpassung der Steuerzeiten der Ventile eine erhebliche Senkung der Wärmeverluste im Arbeits- und Verdichtungstakt des Motors durch Verkürzung ihrer Dauer herbei. Das Ansaugen wird intensiviert und verlängert sich gleichzeitig, was eine bessere Zylinderladung bedingt. Das Ausstoßen wird ebenfalls verlängert und dadurch erleichtert. Der gesamte Zyklus eines solchen Motors läuft viel sparsamer ab. Diese Kurzpleuel-Kurbeltriebe haben aber außerdem auch folgende Schwachstellen:
- 1.der Mechanismus lässt sich wegen seiner beträchtlichen Pleuelneigung schwer als kompakte unkomplizierte Tauchkolbenkonstruktion gestalten, weil sich der Kolben zu verkanten droht;
- 2.in einer Kreuzkopfkonstruktion des Kurzpleuel-Kurbeltriebs, welche besser dafür geeignet ist als die Tauchkolbenkonstruktion, darf die maximale Pleuelneigung, welche die Wirtschaftlichkeit des Motors bestimmt und theoretisch mit senkrechter Stellung des Pleuels zur Zylinderachse begrenzt ist, in der Realität aber auch nicht größer als etwa 70° sein. Bei weiterer erstrebenswerter Erhöhung dieser effizienzbestimmenden Neigung werden enorme Querkräfte auf den Kreuzkopf und die Flächen seiner Gleitbahnen gelenkt. Zudem wird die Aufwärtsverschiebung des Kreuzkopfs zum OT seitens des Pleuels beim Verdichten und Ausstoßen am UT problematisch;
- 3.die maßgebende für die Wirtschaftlichkeit eines Motors maximale Expansionsgeschwindigkeit im Zyklus eines Kurzpleuelmotors lässt sich im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor theoretisch nur bis auf ca. 60 % (Grenzwert) erhöhen, was aber praktisch nicht erreichbar ist.
- 1.The mechanism is difficult to design as a compact uncomplicated plunger construction because of its considerable connecting rod tendency, because the piston threatens to tilt;
- 2. in a crosshead design of the short connecting rod crank mechanism, which is better suited than the plunger construction, the maximum Pleuelneigung which determines the economy of the engine and theoretically limited with the vertical position of the connecting rod to the cylinder axis, in reality, but not greater than be about 70 °. With a further desirable increase in this efficiency-determining slope, enormous lateral forces are directed to the crosshead and the surfaces of its slideways. In addition, the upward displacement of the crosshead to the TDC by the connecting rod when compressing and expelling at the TDC becomes problematic;
- 3.The most significant for the economic efficiency of a motor maximum expansion speed in the cycle of a Kurzpleuelmotors can be compared to a conventional engine theoretically only up to about 60% (limit) increase, but this is practically unattainable.
Die Wärmeverluste eines realen Motors zu ermitteln, ist in der Realität nicht schwierig, da man alle seine Parameter messen kann. Wärmeverluste einer virtuellen Motorkonstruktion auf diese Weise herauszufinden, ist dagegen nicht möglich. Deswegen wird hier lediglich ein rein rechnerisches Vergleichen der Parameter der Motorkonstruktion der Erfindung nach allen relevanten Kriterien mit den Parametern einer von der Basis aus gleichen realen zeitgemäßen Motorkonstruktion, deren Daten weitgehend bekannt sind, vorgenommen. Die ermittelten Differenzen dieses Vergleichens sollen die quantitative Verbesserung des Wirkungsgrads und andere Vorteile der Erfindung veranschaulichen.Determining the heat losses of a real engine is not difficult in reality because you can measure all its parameters. On the other hand, it is not possible to find out the heat losses of a virtual engine design in this way. Therefore, here only a purely computational comparison of the parameters of the engine design of the invention according to all relevant criteria with the parameters of a base of the same real contemporary engine design, whose data are widely known, made. The differences found in this comparison are intended to illustrate the quantitative improvement in efficiency and other advantages of the invention.
Zum Vergleich werden hier gedanklich zwei völlig identische moderne Verbrennungsmotoren verwendet. Dabei wird in einem von ihnen der derzeit bekannte zentrische Schubkurbeltrieb durch den erfundenen Ruck-Kurbeltrieb mit gleichem Hub ersetzt und seine Ventilsteuerzeiten ihm angepasst. Damit wird ein Prototyp eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors geschaffen, dessen Basis sich von der Basis dieses HM nicht im geringsten unterscheidet. Durch einen solchen Umbau bewahren die zu vergleichenden Motoren dasselbe Verdichtungsverhältnis und denselben Treibstoff, die Materialien der Wandungen der Expansionsräume bleiben unterschiedslos und die Form und Maße ihrer Zylinderräume verändern sich nicht, deswegen bleiben die Parameter α und S in der Gleichung (2) auch unverändert und können begründet weggelassen werden.For comparison, two completely identical modern internal combustion engines are used here conceptually. In this case, in one of them the currently known centric sliding-crank drive is replaced by the invented jerk-crank drive with the same stroke and its valve timing is adapted to it. Thus, a prototype of a jerk-crank drive motor is created whose base is not the least different from the base of this HM. By such a conversion, the engines to be compared maintain the same compression ratio and the same fuel, the materials of the walls of the expansion spaces remain indistinct and the shape and dimensions of their cylinder spaces do not change, therefore, the parameters α and S in the equation (2) remain unchanged and can be omitted justified.
Mit „k1“ wird folgend stets die verhältnismäßige Größe eines Elements oder Strecke zur Kurbellänge der Motorkurbelwelle (6) bezeichnet (näheres s. in Tabelle 3). The term "k1" below always denotes the relative size of an element or distance to the crankshaft length of the engine crankshaft (6) (see Table 3 below).
Es werden folgende Bedingungen zum Vergleichen der Motoren festgelegt und angenommen:
- ✓ dass der Prototyp des Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit einem Ruckkurbeltrieb ausgestattet ist, der eine
Distanz von 1,25 kl zwischen den Drehachsen seiner Kurbelwellen aufweist, welche seiner Koppellänge gleich ist und die beiden Kurbelwellen gleiche Radien derKurbelwellenkröpfungen von 1 kl besitzen; - ✓ dass das Vergleichen aller Parameter der Motoren, bei einer konstanter Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle durchgeführt wird, die der Geschwindigkeit und Leistung des HM entspricht, bei welcher er seinen maximalen Wirkungsgrad erlangt;
- ✓ dass das Vergleichen bei vorgeschriebener Betriebstemperatur des HM stattfindet, die Temperatur des Frischgemisches und der Atmosphärendruck dabei identisch sind und das Massenverhältnis des Gemischs bei stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) gehalten wird;
- ✓ dass der Arbeitstakt der zu vergleichenden Motoren bei einem Kolbenweg, welcher dem 95-prozentigen Kolbenhub vom OT entspricht (Stellung der Motorkurbelwelle beim HM: 148,7°KW, beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor: 43,2°KW), durch das Öffnen des Auslassventils beendet wird und der
4,5 % (ε = 10:1)Expansionsverlust von bis 4,77 % (ε = 22:1) mit einer entsprechenden Senkung des theoretischen Wirkungsgrads im Arbeitstakt hingenommen wird; - ✓ dass die Temperatur der Wandungen (T2) und die Schwankungen der Wandungstemperatur der Expansions- bzw. Kompressionsräume der Motoren während aller Prozesse des Zyklus kongruent bleiben;
- ✓ dass wegen den unbekannten Werten der momentanen Wärmeverluste des Erfindungsmotors, die Ermittlung der momentanen Gastemperaturen (T1) im Zylinder der beiden Motoren so vollzogen wird, als ob es keine Wärmeverluste bei der Verdichtung und der Expansion gäbe und sie ausschließlich von der Basistemperatur am Anfang des Prozesses und vom momentanen Expansions- bzw. Kompressionsgrad des Gases im Zylinder abhängt.
- ✓ that the prototype of the jerk-crank-drive engine is equipped with a crank-drive, which has a distance of 1.25 kl between the axes of rotation of its crankshafts, which is equal to its coupling length and the two crankshafts have equal radii of crankshaft cranking of 1 kl;
- ✓ that the comparison of all the parameters of the motors is carried out at a constant rotational speed of the motor shaft, which corresponds to the speed and power of the HM, at which it obtains its maximum efficiency;
- ✓ that the comparison takes place at the prescribed operating temperature of the HM, the temperature of the fresh mixture and the atmospheric pressure are identical and the mass ratio of the mixture is kept at a stoichiometric combustion air ratio (λ = 1);
- ✓ that the power stroke of the engines to be compared for a piston stroke which corresponds to the 95% piston stroke from the TDC (position of the engine crankshaft in the HM: 148.7 ° CA, in the jerk crank engine: 43.2 ° CA), by the Opening the exhaust valve is terminated and the expansion loss of 4.5% (ε = 10: 1) to 4.77% (ε = 22: 1) is accepted with a corresponding reduction in the theoretical efficiency in the power stroke;
- ✓ that the temperature of the walls (T2) and the fluctuations in the wall temperature of the expansion or compression spaces of the motors remain congruent during all the processes of the cycle;
- ✓ that because of the unknown values of the instantaneous heat losses of the engine of the invention, the determination of the instantaneous gas temperatures (T1) in the cylinder of the two engines is carried out as if there were no heat losses during compression and expansion, and only from the base temperature at the beginning of the Process and the instantaneous expansion or compression degree of the gas in the cylinder depends.
Gemäß der letzten Annahme wird also die momentane Gastemperatur im Zylinder der Motoren beim Vergleichen als reine Funktion des Kolbenhubs betrachtet. Infolgedessen braucht in der Gleichung (2) zur Vereinfachung des Vergleichens der Ausdruck (T1-T2) auch nicht berücksichtigt werden. Dies ist vertretbar, da bei völlig identischen Expansionsräumen der Motoren solch eine Ausführungsbestimmung beim Vergleichen alleinig zum Nachteil der Erfindung ist. Wie im weiteren Verlauf zu erkennen wird, werden beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor sowohl seine vollständige Arbeits- und Verdichtungstakte als auch ihre verschwenderischsten Phasen schneller durchlaufen als bei einem HM. Daher hat der Ruck-Kurbeltrieb-Motor in Realität deutlich kleinere Wärmeverluste als ein HM (detaillierter im weiteren Verlauf).According to the last assumption, the instantaneous gas temperature in the cylinder of the engines is therefore considered as a pure function of the piston stroke during comparison. As a result, in the equation (2), to simplify the comparison, the expression (T1-T2) also need not be considered. This is justifiable because with completely identical expansion spaces of the engines such an execution determination in comparison alone is to the detriment of the invention. As will be seen later on, in the jerk crank motor, both its full work and compression strokes as well as its most wasteful phases are traversed faster than in a HM. Therefore, in reality, the jerk crank motor has significantly lower heat losses than an HM (in more detail later).
Wirklich informativ und wichtig beim Vergleichen der Motoren sind hier erstens die Dauer des Arbeitstakts und zweitens die Dauer der Verlustphase des Verdichtens (der Zeitraum vom Punkt, an welchem die Temperatur des Frischgases durch Komprimierung die Temperatur der Zylinderwandungen übersteigt, bis zum Eintreffen des Kolbens am OT), weil genau diese Zeitabschnitte der erfundenen Konstruktion sich wesentlich verringern. Diese Zeiträume werden hier in relativen Zeiteinheiten (° der Umdrehung der Motorwelle) gemessen, welche unabhängig von den realen Drehgeschwindigkeiten der Motorwellen zum Vergleich gültig sind. In der Realität sind aber die absoluten Wärmeverluste im Zyklus eines Motors nach Gleichung (2) zu der ECHTZEIT proportional. Und weil die Zyklusdauer unmittelbar von der Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle abhängt, hängen auch die absoluten Wärmeverluste jedes Motors definitiv von ihrer Drehgeschwindigkeit ab. Warum denn dann die relative Zeit?! Die von der Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle unabhängige relative Zeit, gemessene in ° der Umdrehung der Motorwellen, ist nur zum VERGLEICHEN der RELATIVEN Wärmeverluste unterschiedlicher Motorkonstruktionen geeignet. Sie wird benötigt, um die Prozesse eines virtuellen Motors mit denen eines realen Motors im denkgerechten Modus, objektiv vergleichen zu können und zwar, weil man die Dauer der Prozesse am virtuellen Motor nicht in Echtzeit messen kann. Da aber zum Vergleichen der Wärmeverluste im Prozess eines virtuellen Motors mit denen eines HM nur die relative Zeit zur Verfügung steht, welche beim Bewerten der relativen Wärmeverluste eines realen Motors genau so aussagekräftig wie die echte Zeit ist, weil der HM im Drehzahlbereich seines besten Wirkungsgrads betrieben wird, wird für vorurteilsfreies Vergleichen hier diese relative Zeit zugrundegelegt.Really informative and important in comparing the engines here are firstly the duration of the working cycle and secondly the duration of the loss phase of the compression (the period from the point at which the temperature of the fresh gas through compression exceeds the temperature of the cylinder walls until the piston arrives at the TDC ), because exactly these periods of the invented construction are significantly reduced. These periods are measured here in relative time units (° of the revolution of the motor shaft), which are valid for comparison, regardless of the real rotational speeds of the motor shafts. In reality, however, the absolute heat losses in the cycle of a motor according to equation (2) are proportional to the REAL TIME. And because the cycle time depends directly on the rotational speed of the motor shaft, the absolute heat losses of each motor also depend definitively on its rotational speed. Why then the relative time? The relative time, independent of the speed of rotation of the motor shaft, measured in ° of the revolution of the motor shafts, is only suitable for COMPARING the RELATIVE heat losses of different engine designs. It is needed to be able to objectively compare the processes of a virtual motor with those of a real engine in the proper mode, because one can not measure the duration of the processes in the virtual motor in real time. However, to compare the heat losses in the process of a virtual engine with those of a HM only the relative time is available, which is just as meaningful as the real time in evaluating the relative heat losses of a real engine, because the HM operated in the speed range of its best efficiency is used for nonjudgmental comparison here this relative time is based.
Lösung des Problems the solution of the problem
Das Ziel dieser Erfindung ist, durch Optimierung des Zyklusablaufs die Wärmeverluste der Hubkolben-Verbrennungsmotoren zu reduzieren, damit ihren Wirkungsgrad zu steigern und ihre schädliche Emissionen zu verringern. Diese Erfindung ist eine Alternative zum obengenannten Mechanismus des Kurzpleuelmotors, welche seine fortschrittliche Eigenschaften vervollkommnt und seine erwähnten Unzulänglichkeiten nicht aufweist.The aim of this invention is to reduce the heat losses of reciprocating internal combustion engines by optimizing the cycle, thereby increasing their efficiency and reducing their harmful emissions. This invention is an alternative to the above-mentioned mechanism of the short-jointed engine, which perfects its advanced characteristics and does not have its mentioned deficiencies.
Als Basis für einen zweckmäßigeren Kurbeltrieb eines Hubkolbenmotors ist der dargestellte in
Im Unterschied zu gleichgerichteter Rotation dieser Kurbelwellen zueinander, bei welcher die Distanz sich auf die Funktion der Drehbewegung beim Koppelgetriebe nicht auswirkt, spielt sie bei gegensätzlicher Rotation der Kurbelwellen eine entscheidende Rolle: sie bestimmt den Grad der Drehungleichförmigkeit der Zylinderkurbelwelle. Je kleiner die Distanz, desto stärker neigt sich in diesem Mechanismus die Koppel (7) zur Achse des Koppelgetriebes und ungleichmäßiger dreht sich die Zylinderkurbelwelle.In contrast to the same direction rotation of these crankshafts to each other, in which the distance does not affect the function of the rotational movement in the coupling gear, it plays a key role in contrasting rotation of the crankshaft: it determines the degree of rotational nonuniformity of the cylinder crankshaft. The smaller the distance, the more tilted in this mechanism, the coupling (7) to the axis of the linkage and unevenly, the cylinder crankshaft rotates.
In der
Die Kurvenschar der Kolbenbewegungen der Ruckkurbeltriebe mit unterschiedlichen Parametern im Vergleich zu einigen Bewegungskurven von andersartigen Kurbeltrieben in
Für eine von mehreren realisierbaren Varianten des Ruckkurbeltriebmotors dient als Basis die bekannte Konstruktion des Kreuzkopfmotors (s.
In dieser Ausführung des Ruck-Kurbeltrieb-Motors wird die alte, sich bewährte Konstruktion des Kreuzkopfmotors beibehalten. Die Höhe eines solchen 4-Taktmotors, gemessen vom OT des Kolbens bis zur Achse der Motorwelle, bei Distanz der Kurbelwellen von 1,25 kl wird dadurch von 15 bis 20 % größer als die Höhe eines entsprechenden Kreuzkopfmotors, wenn die Achse der Motorwelle in einer Linie mit der Zylinderachse liegt. Diese Variante ist z.B. für stationäre Motore, große Schiffinotore und Ähnliche aussichtsreich, wo Raum und Gewicht keine richtungsweisende Bedeutung haben.In this embodiment of the jerk crank motor, the old, proven construction of the crosshead motor is retained. The height of such a 4-stroke engine, measured from the TDC of the piston to the axis of the motor shaft, at a distance of the crankshafts of 1.25 kl is thereby greater by 15 to 20% than the height of a corresponding crosshead motor when the axis of the motor shaft in a Line with the cylinder axis is. This variant is e.g. for stationary engines, large marine engines and similar promising, where space and weight have no directional significance.
Eine kompaktere Version eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors kann erzeugt werden, wenn als Basis dafür ein Tauchkolbenmotor verwendet wird (s.
Wenn aber die Motorwelle nicht in einer Linie mit der Zylinderachse installiert wird, sondern seitlich von der Zylinderachse eingebaut und durch eine entsprechend versetzte Zusatzkröpfung an die Zylinderkurbelwelle gekoppelt wird, vergrößert sich die Höhe der beiden Konstruktionen, geschilderten in
Realisation des Gegenlaufs der Kurbelwellen aus den Entweder-Oder-Punkten Realization of the counterrotation of the crankshafts from the either-or-points
Wie schon im Abschnitt 4 erwähnt, kann sich die relative Drehrichtung der Ruckkurbelwelle (6) zur Motorkurbelwelle (5) beim Starten des Ruck-Kurbeltrieb-Motors aus einem Entweder-Oder-Punkt, wenn der Zwangslauf fehlt, abhängig davon ob die Koppel im EOP durch- oder zurückschlägt, beliebig einstellen. Die Zeichnung (
Der Ruck-Kurbeltrieb gehört zur Gruppe der ungleichförmig übertragenden Getrieben und weist daher zwischen den gekoppelten Kurbelwellen ein periodisch schwankendes Übersetzungsverhältnis auf. Der Grad der Schwankung dieses Übersetzungsverhältnisses hängt von der Distanz des Ruckkurbeltriebs ab. Wenn die Parameter der Glieder der Viergelenkkette eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors so ausgewählt werden, dass die Ruckkurbelwelle in entgegengesetzter Drehrichtung zur Motorkurbelwelle rotieren kann, erreicht das zwischen der Motor- und Ruckkurbelwelle schwankende Übersetzungsverhältnis an den EOPs seine Extremwerte, weil die EOPs zugleich die Extrempunkte der Übersetzungsfunktion eines Koppelgetriebs (auch im mathematischen Sinn) sind. Deswegen muss auch ein Divergator ein gleichartiges schwankendes Übersetzungsverhältnis aufweisen. Dafür ist z.B. - auch zur Gruppe der ungleichförmig übertragenden Getrieben gehörende - ein elliptisches Zahnradgetriebe geeignet, dessen Extremwert des Übersetzungsverhältnisses mit dem des Kurbeltriebs übereinstimmt. Wählt man die Ellipsen gleichgroß, so ist der Achsabstand konstant und die Räder drehen sich um ihre Ellipsenbrennpunkte. Auch ein Zahnradgetriebe mit gebräuchlichen Zylinderrädern mit konstantem Übersetzungsverhältnis mit Evolventenverzahnung und einem Übersetzungsverhältnis, welches dem Extremwert des Übersetzungsverhältnisses des Ruckkurbeltriebs entspricht, ist als Divergator einsetzbar, wenn die Zahnlücke entsprechend modifiziert wird, denn im schmalen Bereich des Zahnkontakts das Übersetzungsverhältnis sich nicht stark ändert.
Es ist ausreichend, dass der Zahnkontakt nur in einem schmaler Winkelbereich der Kurbelwellen um einen EOP herum statt findet. Der Modul der Zähne wird nach bedarf gewählt und die Übersetzung funktioniert auch mit abnormer Grenzzähnezahl, da das Ritzel meistens nur einen einzigen Zahn besitzt, welcher nur in sehr schmalem Kreisausschnitt in Kontakt mit dem einzigen lückebildendem Zähnepaar des Rades kommt.It is sufficient that the tooth contact takes place only in a narrow angular range of crankshafts around an EOP. The modulus of the teeth is chosen as needed and the translation also works with abnormal limit number of teeth, since the pinion usually has only a single tooth, which only comes in a very narrow circle cutout in contact with the only gap-forming teeth pair of the wheel.
Wie in
Zyklusablauf des Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit rotierender Ruckkurbel (Doppelkurbel)Cycle sequence of the jerk crank motor with rotating crank (double crank)
Bei der Stellung des Kolbens im Z-OT liegen bei einer solchen Konstruktion der Pleuel, die Koppel und die Motorkurbel nacheinander geschaltet auf einer Linie auf der Kurbeltriebsachse. Sofort nach dem Verbrennungsvorgang, wenn der Kolben unter dem Höchstdruck der Arbeitsgase steht und die maximale Kraft im Zyklus auf seinen Pleuel ausübt, bewegen sich die gekoppelten Hubzapfen der Kurbelwellen, zuerst durch Trägheitskräfte, in unterschiedlichen Richtungen von dieser Linie. Infolgedessen, dass die Glieder der Kaskade (Pleuel, Koppel und Motorkurbel), die alle gleichzeitig in die wechselseitige Richtungen auseinander kippen, kann der Kolben beim Ruck-Kurbeltrieb schon äußerst nah an seinem OT und mit vermindertem Widerstand sich extrem schnell senken. Dies ermöglicht den Arbeitsgasen den Kolben sofort nach der Verbrennung ruckartig zu beschleunigen, wodurch sich die Expansionsgeschwindigkeit des Motors um das Vielfache vergrößert. Gleichzeitig wächst in der unmittelbaren Nähe vom OT auch der Wirkhebelarm der Motorkurbel rasant, und steht der großen in diesem Bereich Pleuelkraft hier früher zur Verfügung. Dies führt zu einem dynamischen Drehmomentwachstum, was die Motorkurbelwelle jetzt früher und kräftiger beschleunigt, und bewirkt, dass die Dauer der Expansion der Arbeitsgase sich zusätzlich verkürzt und die Wärmeverluste darüber hinaus vermindert. Fig. 5 führt die Entfaltungskurven der Wirkhebelarme der Kurbel der Motorwelle, die der Pleuelkraft bei den Ruck-Kurbeltrieb mit unterschiedlichen Distanzen zur Verfügung stehen, im Vergleich zur Entwicklung der Kurve des wirkenden Hebelarms der Kurbel der Motorwelle des HM, vor. In der Zeichnung
- 1. Ruck-Kurbeltrieb-
Kurven mit Distanz 1,25 kl; - 2. Ruck-Kurbeltrieb-Kurven mit Distanz 1,375 kl;
- 3. Ruck-Kurbeltrieb-
1,5 kl;Kurven mit Distanz - 4. Ruck-Kurbeltrieb-
1,75 kl;Kurven mit Distanz - 5. Ruck-Kurbeltrieb-
2,0 kl;Kurven mit Distanz - 6. HM-Kurven.
- 1. Jerk-crank drive curves with a distance of 1.25 kl;
- 2. Jerk-crank drive curves with a distance of 1.375 kl;
- 3. Jerk-crank drive curves with a distance of 1.5 kl;
- 4. Jerk-crank drive curves with a distance of 1.75 kl;
- 5. Jerk-crank drive curves with
2,0 kl;distance - 6. HM curves.
Es ist plausibel, dass der Wirkhebelarm des Pleuels seinen Höchstwert an der Kurbel dann hat, wenn er zur Kurbel der Zylinderwelle im rechten Winkel steht, was ausschließlich vom Pleuelstangenverhältnis abhängt. Dies gilt sowohl für die Motorwelle eines HM als auch für die Zylinderwelle jedes hier präsentierten Ruck-Kurbeltriebs. Senkrecht zum Pleuel steht er immer bei ca. 72°KW (π/2 - arctan(1/3) = 71,57°), weil die zu vergleichenden Kurbeltriebe nach der Vereinbarung ein gleiches Pleuelstangenverhältnis von λ = 1:3 haben. Bei dieser Stellung ist die Pleuelkraft bei einem Ottomotor mit λ = ⅓ nur noch ca. 20 % von ihrem Spitzenwert am OT gleich (abgesehen von der zusätzlichen Kraftsenkung durch Druckabfall der Arbeitsgase im Zylinder wegen ihrer unabwendbaren Abkühlung). Beim Diesel, mit annäherndem Gleichdruckprozess, kann im Unterschied zum Gleichraumprozess im Ottomotor der Druckwert beim Erreichen der senkrechten Stellung des Pleuels zur Kurbel höher liegen, was vom Einspritzverfahren eines konkreten Diesels abhängt.It is plausible that the effective lever arm of the connecting rod has its maximum value on the crank when it is at right angles to the crank of the cylinder shaft, which depends exclusively on the connecting rod ratio. This applies both to the motor shaft of an HM and to the cylinder shaft of each jerk crank drive presented here. Perpendicular to the connecting rod, it always stands at about 72 ° CA (π / 2 - arctan (1/3) = 71.57 °), because the crank mechanisms to be compared according to the agreement have the same connecting rod ratio of λ = 1: 3. In this position, the connecting rod force in a gasoline engine with λ = ⅓ is only about 20% of their peak value at the TDC (apart from the additional reduction in force by pressure drop of the working gases in the cylinder because of their inevitable cooling). In the case of diesel engines, with a nearly constant pressure process, the pressure value can be higher when reaching the vertical position of the connecting rod to the crank, in contrast to the equalization process in the gasoline engine, which depends on the injection method of a specific diesel engine.
Wegen der ständigen und konstanten Phasenverschiebung zwischen dem Spitzenwert der Pleuelkraft und dem Spitzenwert des Wirkhebelarms der Kurbel im Arbeitstakt, deren Werte jeweils als 1 statuiert wurden, erreicht das Produkt dieser Parameter (das Spitzendrehmoment) einen Höchstwert von nur 0,29 sowohl an der Motorwelle eines herkömmlichen Ottomotors als auch an der Zylinderkurbelwelle jedes Ruck-Kurbeltrieb-Ottomotors bei 24°KW. Die Stellung der MOTORWELLE eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors beim Spitzendrehmoment im Arbeitstakt hängt jedoch von den Parametern der konkreten Konstruktion ab, weil an der Motorwelle eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors sich der Wert des momentanen Drehmoments der Ruckkurbelwelle mit dem momentanen Übersetzungsverhältnis zwischen den Wellen multiplizier. Dieses Übersetzungsverhältnis hat seinen größten Wert am OT (i max >1) und den kleinsten am UT (i min = 1/i max) und dadurch wird das Drehmoment verstärkt bzw. abgeschwächt. Der Spitzenwert des Drehmoments an der Motorkurbelwelle eines Ruck-Kurbeltriebs ist deswegen in der Regel größer als 1, was beim HM nicht möglich ist. Dies geschieht beim Ruck-Kurbeltrieb, wenn das momentane Übersetzungsverhältnis des Kurbeltriebs größer des Kehrwerts vom Produkt der momentanen Kraft und des momentanen Wirkhebels ist. So ist z.B. beim Ruck-Kurbeltrieb-1,25/3 das i max= 9 und daher das relative Spitzendrehmoment 8,65 bei Stellung der Motorkurbelwelle von 2,56°. Der Grad der Schwankung des Übersetzungsverhältnisses, wie bereits erwähnt, hängt stark von der Distanz ab und ist je größer, desto kleiner diese ist. Gleichzeitig aber hängt von dieser Distanz auch das Wachstumstempo des wirksamen Hebelarms für die Kolbenkraft ab: je später der maximale Wirkhebelarm erreicht wird, desto kleiner wird der Gasdruck und ein großer Teil dieses Druckabfalls gescheht wegen der Wärmeverluste, die in etwa proportional der Dauer des Kontakts der Arbeitsgase mit den Zylinderwandungen sind. Die gleiche Zylinderladung weist die gleiche Energie auf, deswegen wäre es gewissermaßen unwesentlich, in welcher Zeitspanne diese in mechanische Arbeit umgewandelt und auf die Motorwelle übertragen würde, wenn es keine Wärmeverluste gäbe. In einem realen Motor aber, weil man die Abkühlung der Arbeitsgase nicht vermeiden kann, muss zumindest der Expansionsprozess möglichst schnell durchgeführt werden, um durch Verkürzung der Dauer des Kontaktes der Gase mit den Wandungen die Wärmeverluste zu senken. Exakt dies findet statt bei einem Ruck-Kurbeltrieb-Motor.Due to the constant and constant phase shift between the peak value of the connecting rod force and the peak value of the working lever crank arm whose values were each set to 1, the product of these parameters (the peak torque) reaches a maximum of only 0.29 at both the motor shaft conventional gasoline engine as well as the cylinder crankshaft of each jerk crank-engine gasoline engine at 24 ° KW. However, the position of the ENGINE SHAFT of a jerk crank engine at the peak torque in the power stroke depends on the parameters of the concrete design, because at the engine shaft of a jerk crank engine, the value of the instantaneous torque of the crankshaft with the current transmission ratio between the waves multiply , This gear ratio has its greatest value at OT (i max > 1) and the smallest at UT (i min = 1 / i max ), and thus the torque is amplified or attenuated. The peak value of the torque at the engine crankshaft of a jerk Crank drive is therefore usually greater than 1, which is not possible with the HM. This happens with the jerk crank mechanism when the instantaneous transmission ratio of the crank mechanism is greater than the reciprocal of the product of the instantaneous force and the momentary action lever. For example, in the jerk crank 1.25 / 3, the i max = 9 and therefore the relative peak torque 8.65 with the engine crankshaft position of 2.56 °. The degree of fluctuation of the gear ratio as mentioned above depends strongly on the distance, and is larger, the smaller it is. At the same time, however, depends on this distance, the growth rate of the effective lever arm for the piston force: the later the maximum Wirkhebelarm is achieved, the smaller the gas pressure and a large part of this pressure drop is due to the heat loss, which is approximately proportional to the duration of the contact Working gases with the cylinder walls are. The same cylinder charge has the same energy, so it would be somewhat irrelevant in what amount of time this would be converted into mechanical work and transmitted to the motor shaft, if there were no heat loss. In a real engine, however, because one can not avoid the cooling of the working gases, at least the expansion process must be carried out as quickly as possible in order to reduce the heat losses by shortening the duration of contact of the gases with the walls. Exactly this takes place in a jerk-crank engine.
Tabelle 6 und die Kurven des Drehmomentes in
- ✓ Bei einem Ruck-Kurbeltrieb wird der maximale Wirkhebelarm an der Motorkurbelwelle für die Kolbenkraft (
Spalten 4 und 5), je nach seinen Parametern, um ca. 2 5,5 Mal schneller erreich als beim Basis-HM;bis - ✓ Das maximale Drehmoment im Arbeitstakt (
Spalten 9 und 10) ist um etwa 3bis 9 Mal höher des Drehmoments des HM; - ✓ Das maximale Drehmoment im Arbeitstakt (
Spalten 11 und 12) wird um etwa 3bis 9 Mal schneller erreicht. - 7. Ruck-Kurbeltrieb mit nicht umlauffähigen Ruckkurbeln (Kurbelschwingen).
- ✓ In the case of a jerk crank mechanism, the maximum effective lever arm on the engine crankshaft for the piston force (
columns 4 and 5), depending on its parameters, is approx. 2 to 5.5 times faster than the basic HM; - ✓ The maximum torque in the power stroke (
columns 9 and 10) is about 3 to 9 times higher than the torque of the HM; - ✓ The maximum torque in the power stroke (
columns 11 and 12) is reached about 3 to 9 times faster. - 7. Jerk crank mechanism with non-rotatable crankshafts (rocker arms).
Die Ruckkurbelwelle ist beim Ruck-Kurbeltrieb nur dann umlauffähig, wenn folgende unabwendbaren Bedingungen vorhanden sind:
- 1. Gleichheit der Distanz mit der Länge der Koppel;
- 2. Gleichheit der Kröpfungsradien der Kurbelwellen.
- 1. equality of the distance with the length of the coupling;
- 2. Equality of crankshaft crankshaft radii.
Wird beim Ruck-Kurbeltrieb bei Erfüllung der ersten Bedingung die zweite Bedingung nicht eingehalten, kann im vollen Kreis immer nur eine Kurbelwelle laufen, und zwar die mit dem kleineren Kröpfungsradius, die andere schwingt lediglich im gewissen Winkel um ihre Achse und das Koppelgetriebe verwandelt sich aus einer Doppelkurbel in eine Kurbelschwinge. Weil aber in einem Mechanismus, der als Kurbeltrieb für einen Motor dienen soll, die Motorwelle immer im Vollkreis rotieren muss, darf nur der Kröpfungsradius der Ruckkurbel bei einem Ruck-Kurbeltrieb größer des Kröpfungsradius der Motorkurbel sein (s.
Kurbelschwingen mit Schwingungswinkeln zwischen 0° und 180°Rocker arms with oscillation angles between 0 ° and 180 °
Ist die Distanz der Länge der Koppel gleich und die Länge der Ruckkurbel größer als die Länge der Motorkurbel, verwandelt sich eine Doppelkurbel, wie erwähnt, in eine Kurbelschwinge. Dabei schwingt bei rotierender Motorkurbel die Ruckkurbel in einem Winkel 0°<α<180° und der Schwingungssektor liegt lediglich an einer Seite der Kurbeltriebsachse, siehe
- a. Ansaugen ruckartig,
- b. Verdichten fließend,
- c. Arbeiten ruckartig,
- d. Ausstoßen fließend.
- a. Sucking jerkily,
- b. Compacting,
- c. Works jerkily,
- d. Ejecting fluently.
Kurbelschwingen mit Schwingungswinkeln zwischen 0 und 360°Rocker arms with oscillation angles between 0 and 360 °
Geeignet als Kurbeltriebe für einen Hubkolbenmotor können auch solche Kurbelschwingen sein, deren Schwingungswinkel-Wert zwischen 0 und Vollwinkel liegt (0°<α<360°). Eine solche Konstruktion als Kurbeltrieb funktioniert allerdings unter einigen Voraussetzungen. Bezeichnet man die Differenz zwischen den Längen der Ruck- und der Motorkurbel als Δ (Δ = R1 - R), dann muss dafür ausschließlich eine von den folgenden Bedingungen wahr sein:
- entweder
- oder
- either
- or
Auf Basis eines solchen Koppelgetriebes (s.
Beim Konstruieren muss man sich aber entscheiden, an welcher Stelle der schwingungsfreie Kreisausschnitt der Ruckkurbel liegen soll: wird die Koppellänge um die Differenz der Kurbellängen größer als die Distanz gewählt, liegt der schwingungsfreie Kreisausschnitt der Ruckkurbel zwischen den Kurbelwellen (s.
- Ansaugen fließend,
- Verdichten ruckartig,
- Arbeiten ruckartig,
- Ausstoßen fließend.
- Sucking in,
- Compacting jerkily,
- Works jerkily,
- Ejecting fluently.
Wählt man die Koppel um die Kurbeldifferenz kürzer der Distanz, durchschlägt das Pleuel-Koppelgelenk den EOP zwischen den Kurbeln und jetzt liegt der schwingungsfreie Kreisausschnitt der Ruckkurbel zwischen dem Kolben und der Ruckkurbelwelle (s.
Beim Start aus dem EOP mit entgegengesetzter Drehrichtung der Kurbelwellen (Kurve 1) läuft der Kolben aus dem UT (BDC1) nach einer Verzögerung von ca. ¾ Umdrehung der Motorwelle mit einen ruckartigen Hub zum OT (TDC2), passiert fließend mit konventionellem Doppelhub den UT (BDC2) und erreicht den OT (TDC1), welchen er ruckartig verlässt und erneut zum UT (BDC1) kommt. Hier wäre sinnvoll die Takte wie folgt dem Ruck-Kurbeltrieb-Motor zuzuordnen:
- Ansaugen fließend,
- Verdichten fließend,
- Arbeiten ruckartig,
- Ausstoßen ruckartig.
- Sucking in,
- Compacting,
- Works jerkily,
- Ejection jerky.
Je größer die Differenz der Kurbellängen im Ruck-Kurbeltrieb-Motor, desto kleiner der Schwingungswinkel der Ruckkurbelwelle bei gleicher Distanz, unabhängig von der Lage des Schwingungssektors. Liegt der unpassierbare Kreisausschnitt der Zylinderkurbel zwischen der Ruckkurbelwelle und dem Kolben, wird der Hub kleiner als zwei Kurbellängen der Motorwelle (s.
Liegt der unpassierbare Kreisausschnitt der Ruckkurbelwelle zwischen der Motor- und Ruckkurbelwelle, wird der Hub größer als zwei Motorkurbellängen (s.
Vorteile eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit rotierender Ruckkurbelwelle im Zyklus im Vergleich zum Basis-HM.Advantages of a jerk crank motor with rotating crankshaft in the cycle compared to the base HM.
Die Vorteile im Zyklus eines Hubkolbenmotors mit einem Ruck-Kurbeltrieb-1,25/3 mit rotierender RuckKurbelwelle mit einer Länge der Koppel von 1,25 kl, die der Distanz gleich ist und ein Pleuelstangenverhältnis von 1/3 hat, im Vergleich zum Zyklus des Basis-HM werden zur Deutlichkeit taktweise beschrieben (s.
1. ANSAUGEN von 0 °KW bis 317 °KW, Dauer 317° (ohne Vorsteuerung). Der Kolben legt beim geöffneten Einlassventil schon bei 43 °KW 95 % seines Hubes vom OT zurück. Dadurch wird jetzt im Zylinderraum viel früher und ein viel tieferer Unterdruck als bei einem HM erreicht, was zum Forcieren des Ansaugens, und zur Intensivierung der Gemischverwirbelung führt, welche eine vollkommnere Verbrennung bewirkt. Das Ansaugen und Verdichten dauern zusammen, wie auch bei einem HM, eine vollständige Umdrehung der Motorkurbelwelle, davon wird fürs Verdichten beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor nur 43° benutzt, der Rest von 317° (= 360 - 43) steht vollständig dem Ansaugen zur Verfügung, was ca. 150 % der Ansaugdauer eines Basis-HM (ohne Vorsteuerung) beträgt. Der annähernd regungslose Aufenthalt des Kolbens eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors während guten ¾-Umdrehungen der Motorwelle im Bereich des UT in seiner Retardationszone sorgt auch in seinem oberen Drehzahlbereich für eine wesentlich bessere Zylinderfüllung und steigert den Liefergrad des Motors generell. Summarisch ist beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor ein rationales Drehmoment (gemessen nach der Kriterien eines HM) in einem 1,5-mal breiteren Band der Drehzahlen als bei einem HM verfügbar und durch seinen besseren Liefergrad, dank des intensiveren Unterdruckaufbaus im Zylinder, wird eine höhere hubraumspezifische Leistung und auch eine absolut höhere maximale Leistung erreicht.1. SUCTION from 0 ° CA to 317 ° CA, duration 317 ° (without feedforward control). When the intake valve is open, the piston returns 95% of its lift from the TDC at 43 ° C. This now achieves much earlier and much lower negative pressure in the cylinder space than with a HM, which leads to forcing the suction, and to intensify the mixture Verwirung, which causes a more perfect combustion. The intake and compression take together, as with a HM, a complete revolution of the engine crankshaft, of which is used for compression in the jerk-crank drive engine only 43 °, the rest of 317 ° (= 360-43) is completely the suction for 150% of the induction time of a basic HM (without pilot control). The nearly motionless stay of the piston of a jerk-crank drive engine during good ¾ revolutions of the motor shaft in the area of the UT in its retardation zone ensures in its upper speed range for a much better cylinder filling and increases the delivery of the engine in general. In summary, the Ruck crank drive engine has a rational torque (as measured by HM criteria) available in a 1.5 times wider band of RPMs than an HM, and its better delivery efficiency, thanks to the more intense cylinder build-up higher displacement specific power and also an absolutely higher maximum power.
2. VERDICHTEN von 317 °KW bis 360°KW, Dauer 43°. Die in etwa dreimal schnellere Verdichtung des Gemischs sorgt für weniger Verluste der entstehenden Komprimierungswärme. Jetzt wird beim Expandieren der Arbeitsgase im Arbeitstakt ein größerer Teil der in die Verdichtung investierten Energie zurückgewonnen, da sich die durch schnellere Durchführung der Komprimierung erhitzten Gase weniger abkühlen.2. COMPRESSING from 317 ° CA to 360 ° CA, duration 43 °. The approximately three times faster compression of the mixture ensures less losses of the resulting compression heat. Now, expanding the working gases in the power stroke recovers a greater portion of the energy invested in the compression, as the gases heated by faster compression run less cool.
3. ARBEITSTAKT von 360°KW bis 403°KW, Dauer 43°. Nach der Verbrennung des Treibstoffs und Erreichen des Höchstdrucks im Brennraum am OT treiben die Arbeitsgase den Kolben in Richtung UT. In knapper Achtelumdrehung der Motorwelle legt er 95 % seines Hubes zurück. Die vorhandene Wärme der Arbeitsgase wird jetzt durch die fast viermal geringere Expansionsdauer weniger an die Wandungen des Verbrennungsraums verschenkt. Aufgrund dieser Sachlage ist während des gesamten Arbeitstakts die Temperatur und dadurch auch der Druck der Arbeitsgase im Expansionsraum des Ruck-Kurbeltrieb-Motors relativ zum Druck eines HM bei gleicher Kolbenstellung fortdauernd höher. Infolgedessen wirkt im Arbeitstakt auf den Kolben permanent eine größere Kraft, die ein höheres Drehmoment an der Motorwelle erzeugt und wird ein größerer Teil der Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt. Außerdem wächst jetzt durch die schnelle Neigung der Koppel der Wirkhebelarm der Motorkurbelwelle, auf welchen die größere Kolbenkraft wirkt, auch schneller an. Diagramms in
Weil schon nah am OT im Bereich des maximalen Gasdrucks im Zylinder der großen Kraft des Kolbens, hier auch ein größerer Wirkhebelarm der Motorkurbel rechtzeitig zur Verfügung steht, kann die Kraft auch früher umgesetzt werden, und wird ein größeres Drehmoment an der Motorwelle früher erreicht. Das Diagramm in
Nach dem Zurücklegen eines 95-prozentigen Hubes bei 403 °KW ist der Arbeitstakt praktisch abgeschlossen und das Auslassventil wird geöffnet. In der nächsten ⅜-Umdrehungen der Motorwelle (403 °KW bis 540 °KW) legt der Kolben nur noch stark verlangsamt den kleinen restlichen 5-prozentigen Teil seines Hubes bis zum UT zurück. Beim Ruck-Kurbeltrieb-1,25/3 ist diese Phase des Hubes um 92° (= 495 - 403) länger als bei einem HM, bei dem das Auslassventil üblicherweise mit 495°KW erst öffnet, obwohl sein Kobenweg erst 89,58 % des Hubes erreicht hat. Bei einem HM wird ein solcher frühzeitiger Abbruch des Arbeitstakts vorgenommen, um das Ausstoßen der Abgase zu erleichtern, wobei hierdurch ein Expansionsverlust von 9,38 % entsteht. Dies ist bei einem HM auch gerechtfertigt, da die Wirtschaftlichkeit des Motors nicht alleine von der Wirtschaftlichkeit des Arbeitstaktes, sondern von der Wirtschaftlichkeit des Zyklus insgesamt abhängt. Beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor kann das Auslassventil später oder brauch erst gar nicht vor dem Erreichen des UT geöffnet werden, wenn eine Versetzung der Zylinderachsen vorgenommen wird (siehe Kurve 8 in
4. AUSSTOßEN von ca. 403 °KW bis 720 KW°, Dauer: 317°. Das Ausstoßen läuft beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor quasi in zwei Phasen ab: der passiven Ausströmungsphase (die ersten ¾ Umdrehungen der Kurbelwelle) und der aktiven Phase der Abgasverdrängung, dem eigentlichen Ausstoßen (die letzte Achtelumdrehung der Kurbelwelle vor dem OT). In seiner ersten passiven Ausströmungsphase legt der Kolben aus der Stellung der Motorkurbelwelle von 403 °KW, wenn das Auslassventil beim Erreichen seines 95-prozentigen Hubes geöffnet wird, enorm verlangsamt in etwa ⅜ Umdrehungen der Kurbelwelle die restlichen 5 % seines Hubes zum UT zurück. Im UT (540 °KW) wechselt er seine Richtung und durchläuft in den nächsten ⅜-Umdrehungen der Kurbelwelle erneut langsam die ersten 5 % seines Hubes zum OT. In dieser Phase, während welcher sich der Kolben ¾-Umdrehungen der Motorwelle fast regungslos in der Nähe des UT aufhält und das Auslassventil geöffnet ist, werden die Abgase aus dem Zylinder abgelassen. In der zweiten aktiven Phase des Ausstoßens werden die sich jetzt ausgedehnten restlichen Gase vom Kolben aus dem Zylinder ausgestoßen. Das Ausstoßen des Ruck-Kurbeltrieb-Motors beträgt insgesamt 141 % der Dauer eines HM. Weil sich aber hier im Vergleich zum HM eine über dreieinhalbmal längere Abgas-Ausströmungsphase (274° gegen 76°) ergibt, ist der Restdruck der Abgase im Zylinder vor seiner zweiten aktiven Phase viel niedriger und sie können mit minimalem Energieaufwand aus dem Zylinderraum verdrängt werden. Dadurch wird auch dieser Takt entlastet und trägt zusätzlich zum Steigern des Wirkungsgrads im Zyklus bei.4. EXTERIORS from approx. 403 ° KW to 720 KW °, duration: 317 °. Ejection in the jerk-crank drive engine is basically in two phases: the passive outflow phase (the first ¾ revolutions of the crankshaft) and the active phase of the exhaust displacement, the actual ejection (the last 1/8 turn of the crankshaft before TDC). In its first passive outflow phase, the piston from the engine crankshaft position of 403 ° CA, when the exhaust valve is opened upon reaching its 95 percent lift, slows the remaining 5% of its stroke back to UT in about ⅜ revolutions of the crankshaft. In the UT (540 ° CA), he changes direction and goes through in the next ⅜ revolutions of the crankshaft again slowly the first 5% of his stroke to TDC. During this phase, during which the piston stops ¾ revolutions of the motor shaft almost motionless near the BDC and the exhaust valve is open, the exhaust gases are discharged from the cylinder. In the second active phase of the ejection, the remaining gases now exhausted are expelled from the cylinder by the piston. The total ejection of the jerk crank motor is 141% of the duration of an HM. However, because compared to the HM results in over three and a half times longer exhaust gas outflow phase (274 ° to 76 °), the residual pressure of the exhaust gases in the cylinder before its second active phase is much lower and they can be displaced with minimal energy expenditure from the cylinder chamber. This also relieves this cycle and additionally contributes to increasing the efficiency in the cycle.
VentilsteuerzeitenValve timing
Abgesehen von der statischen grundlegenden Nockenwelleneinstellungen bei ihrer Installation, die zur Anpassung der Ventilsteuerzeiten an einer realen Konstruktion beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor allemal durchgeführt werden muss, wird auch eine dynamische Ventilsteuerung nach der veränderlichen Drehzahl und dem wechselhaften Lastverhalten sich positiv auf die Steigerung seiner Effizienz auswirken. Je nach Bedarf kann diese variable Ventilsteuerung im Betrieb zur Leistungssteigerung, Drehmomentgewinn oder Treibstoffeinsparung benutzt werden. In diesem Aspekt ist das Verbesserungspotenzial des flexibleren Ruck-Kurbeltrieb-Motors im Vergleich zum starren HM bei heutigem Stand des Know-hows viel größer. Erstens löst das ruckartige Ausschieben der Restabgase in der Endphase des Ausstoßtaktes beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor direkt am OT zuletzt noch einen kurzen Druckanstieg der Abgase im Zylinder aus. Dieser verursacht einen intensiven und hilfreichen Sogeffekt im Auspufftrakt unmittelbar nach dem der Kolben seinen OT passiert. In Kombination mit der ruckartigen Kolbenbewegung zum UT, welche direkt im Anschluss zum Ausstoßen mit wesentlich kleinerer Verzögerung als bei einem HM eintritt, weil der Kolben den GW-OT beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor viel schneller passiert, wirkt es sich erstens positiv auf das Spülen aus, wenn das Auslassventil bei offenem Einlassventil mit abgestimmter auf die momentane Drehgeschwindigkeit Verzögerung, schließt. Zweitens, dank starker Abwärtsbeschleunigung des Kolbens in der Nähe des OT und zugleich dem gleichgerichteten ruckartigen Untertauchen der(s) Einlassventilteller(s) beim Öffnen, wird das Frischgas von diesen Körpern hauptsächlich in die Richtung der Zylinderachse mitgerissen. Mit den restlichen am Zylinderkopf des Verbrennungsraums gebliebenen Abgasen werden sie sich in dieser Phase nicht wesentlich vermischen, weil Abgase im Verbrennungsraum mit verliehenem ihnen vom Kolben Schwung in der letzten Phase seiner Aufwärtsbewegung bereits in Richtung Auslassventilöffnung ausströmen und zusätzlich von der Saugwirkung des Auspufftrakts zum Auslassventil herangezogen werden. Dieses zweckmäßige Zusammentreffen dieses Sogs mit der hier schnelleren Abwärtsbewegung des Kolbens ruft ein saubereres Spülen als bei einem HM hervor, wodurch die Abgase fast restlos und nahezu ohne Spülverluste entfernt werden können, wenn das Auslassventil mit passender Verzögerung geschlossen wird.Apart from the static basic camshaft settings at their installation, which must always be done to adapt the valve timing to a real design in the jerk crank engine, dynamic variable valve timing and variable load behavior also has a positive effect on increasing its efficiency impact. As needed, this variable valve timing control can be used to increase performance, torque gain, or fuel economy during operation. In this aspect, the potential for improvement of the more flexible jerk crank-drive engine is much greater than that of the rigid HM in the present state of the art. First, the jerky pushing out of the residual exhaust gases in the final phase of the exhaust stroke triggers the jerk-crank drive engine directly on the TDC last still a short increase in pressure of the exhaust gases in the cylinder. This causes an intense and helpful suction effect in the exhaust tract immediately after the piston passes its OT. In combination with the jerky piston movement to the UT, which occurs immediately after ejection with a much lower delay than an HM, because the piston passes the GW-OT much faster in the jerk crank drive engine, it firstly has a positive effect on purging off when the exhaust valve closes with the intake valve open with deceleration to the instantaneous rotational speed deceleration. Secondly, thanks to a strong downwards acceleration of the piston near the TDC and at the same time the rectified jerky submersion of the intake valve disk (s) on opening, the fresh gas from these bodies is entrained mainly in the direction of the cylinder axis. With the remaining remaining at the cylinder head of the combustion chamber exhaust gases, they will not mix significantly in this phase, because exhaust gases in the combustion chamber with imparted them from the piston momentum in the last phase of its upward movement already flow towards exhaust valve opening and additionally used by the suction of the exhaust to the exhaust valve become. This convenient combination of this suction with the faster downward movement of the piston causes cleaner purging than with a HM, whereby the exhaust gases can be removed almost completely and with virtually no flushing losses when the exhaust valve is closed with the appropriate delay.
Ein Ruck-Kurbeltrieb-Motor ist quasi ein HM, der beim gleichmäßigen Umlauf seiner Motorwelle im Zyklus, dank seinem periodisch schwankenden Übersetzungsverhältnis seines Kurbeltriebs, einzelne Takte mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten ausführen lässt. Der Kolben wird passend zum Ablauf der thermodynamischen Prozesse im Zylinder zweimal beschleunigt und zweimal verlangsamt. Dadurch lässt sich der Zyklusablauf viel effektiver und wirtschaftlicher im Vergleich zu einem HM durchführen:
- a. sein Ansaugen dauert etwa 41 % länger: 317°
gegen 225°; - b.
das Verdichten passier 3,44-mal schneller: in 43°gegen 149°; - c. die Expansion passiert ebenfalls 3,44-mal schneller: in 43°
gegen 149°; - d. sein Ausstoßen dauert etwa 41 % länger: 317°
gegen 225°.
- a. its intake takes about 41% longer: 317 ° to 225 °;
- b. the compression happened 3.44 times faster: in 43 ° against 149 °;
- c. the expansion also happens 3,44 times faster: in 43 ° to 149 °;
- d. its discharge lasts about 41% longer: 317 ° to 225 °.
Die Berechnung der Steigerung des Wirkungsgrads des Ruck-Kurbeltrieb-Motors.The calculation of the increase in the efficiency of the jerk crank engine.
Die gesamten Umwandlungsverluste eines Verbrennungsmotors sind in der Tabelle 7 aufgestellt:
- sie berechnen sich aus dem Wert des theoretisch möglichen Wirkungsgrads minus den Wert des faktischen Wirkungsgrads. Ein gängiger Ottomotor mit einem gebräuchlichen Expansionsgrad 10 (Verdichtungsverhältnis 10:1) hat einen theoretischen
Wirkungsgrad von rund 0,60: - Zeile 3:
- Zeile 4:
0,30Bereich von bis 0,35: - Zeile 5:
0,30 absolut:bis - Zeile 8:
- they are calculated from the value of the theoretically possible efficiency minus the value of the actual efficiency. A common gasoline engine with a common degree of expansion 10 (compression ratio 10: 1) has a theoretical efficiency of around 0.60:
- Line 3:
- Line 4:
- Line 5:
- Line 8:
Ein gängiger herkömmlicher LKW-Dieselmotor mit einem typischen Verdichtungsverhältnis von 22:1 hat einen theoretischen Wirkungsgrad von ca. 0,71:
- Zeile 18:
statistischer Wirkungsgrad von 0,35 0,40. Seine summarischen Verluste liegen damitbis im Bereich von 0,31bis 0,36: - Zeile 20:
der Dissipationsverluste von 5 % absolut liegen die Werte seiner Wärmeverluste im Bereich von ca. 0,26 bis ca. 0,31: - Zeile 23:
- ω und ψ
- umschließen hierbei den Drehwinkelbereich, welcher derjenigen Zeitspanne entspricht, in der die Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsgas (Gemisch) und den Zylinderwandungen stattfindet.
- α
- der Wärmeübertragungswert zwischen dem Arbeitsgas und den Zylinderwandungen bleibt konstant (unabhängig vom Druck),
- S
- die Arbeitsgase umschließende Fläche ändert sich mit dem Kolbenhub,
- ΔT
- die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsgas mit Temperatur T1 und den Zylinderwandungen mit Temperatur T2 ändert sich mit der Kompression bzw. Expansion des Arbeitsgases.
- Line 18:
- Line 20:
- Line 23:
- ω and ψ
- in this case enclose the rotation angle range, which corresponds to the time period in which the heat transfer between the working gas (mixture) and the cylinder walls takes place.
- α
- the heat transfer value between the working gas and the cylinder walls remains constant (independent of pressure),
- S
- the working gas enclosing surface changes with the piston stroke,
- .DELTA.T
- the temperature difference between the working gas at temperature T 1 and the cylinder walls at temperature T 2 changes with the compression or expansion of the working gas.
Auf diese Weise berechneter Grad der Senkung der Wärmeverluste erreicht nämlich beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor einen Wert von 3,56, oder die Wärmeverluste machen nur 28,09 % der Wärmeverluste eines HM aus. Dabei beträgt der Anteil der gesamt ersparten Wärmeverlusten im Zyklus im Arbeitstakt knapp 89 % und im Verdichtungstakt gut 11 %. Diese Resultate bekommt man bei Annahme, dass die Temperatur des Frischgemischs 70°C und die Temperatur der Zylinderwandungen 100°C betragen. Interessiert man sich für Werte von QRKM / QHM ausgehend von anderen Temperaturparametern, so beachte, dass der Wert von QRKM / QHM um weniger als 1,5 % von dem berechneten Wert 28,09 % abweicht, solange die Temperatur des Frischgemischs (Tm) und der Zylinderwandungen (T2) innerhalb folgender Grenzen gewählt werden:
Der eingesparte Anteil der Wärmeverluste durch Beschleunigung des Arbeits- und Verdichtungstaktes beträgt daher 71,91 %:
Dieser Anteil wird in mechanische Arbeit umgewandelt und trägt der Steigerung des Wirkungsgrads des Motors bei. Die Steigerung des Wirkungsgrades für den Otto-Ruck-Kurbeltrieb-Motor beträgt dadurch mindestens 18,11 % und höchstens 21,71 % absolut:
und sein absoluter Wirkungsgrad erreicht einen Wert von 46,71 bis 48,11 %:
Zeile 9:
Ein Ruck-Kurbeltrieb-Ottomotor steigert damit seinen Wirkungsgrad relativ zum HM alleine durch die Optimierung des Arbeits- und Verdichtungstakts um 60,38 % bis 86,84 %:
Zeile 11:
Sein spezifischer Treibstoffverbrauch sinkt auf ein Niveau von 53,52 % bis 62,35 % vom Verbrauch eines HM:
Zeile 15:
The saved share of heat losses through acceleration of the working and compression stroke is therefore 71.91%:
This fraction is converted into mechanical work and contributes to increasing the efficiency of the engine. The increase in efficiency for the Otto-Jerk crank drive engine is thereby at least 18.11% and at most 21.71% absolute:
and its absolute efficiency reaches a value of 46.71 to 48.11%:
Line 9:
A jerk crank-drive gasoline engine thus increases its efficiency relative to the HM alone by optimizing the working and compression stroke by 60.38% to 86.84%:
Line 11:
Its specific fuel consumption drops to a level of 53.52% to 62.35% of the consumption of a HM:
Line 15:
Eine identische Kalkulation der Wärmeverluste des Ruck-Kurbeltrieb-Dieselmotors zeigt, dass in seinem Zyklus der Anteil der Wärmeverluste auf ein Niveau von 18,67 % bis 22,26 % der Wärmeverlusten eines HM absolut sinkt:
Damit erreich der Wirkungsgrad eines Ruck-Kurbeltrieb-Dieselmotors einen Wert von 57,26 bis 58,67 % absolut
Zeile 24:
was einer Steigerung seines realen relativen Wirkungsgrads gegenüber dem herkömmlichen Dieselmotor von 46,67 bis 63,61 % entspricht:
Zeile 26:
Der Treibstoffverbrauch eines Ruck-Kurbeltrieb-Dieselmotors sinkt damit auf ein Niveau von 61,12 % bis 68,18 % des Verbrauchs eines herkömmlichen Dieselmotors:
Zeile 30:
Thus, the efficiency of a jerk-crank-diesel engine reaches a value of 57.26 to 58.67% absolute
Line 24:
which corresponds to an increase in its real relative efficiency over the conventional diesel engine from 46.67 to 63.61%:
Line 26:
The fuel consumption of a jerk-crank-diesel engine thus drops to a level of 61.12% to 68.18% of the consumption of a conventional diesel engine:
Line 30:
Berechnung der Leistungssteigerung des Ruck-Kurbeltrieb-Motors.Calculation of the power increase of the jerk crank engine.
Die sparsame Realisierung des Arbeits- und Verdichtungstakts, verlängertes und effizienteres Ansaugen mit ergiebigerer Zylinderladung bei gleichzeitig entlastetem Ausstoßen des Ruck-Kurbeltrieb-Motors steigern sein Drehmoment und erhöhen seinen Wirkungsgrad. Die zugenommene Zyklusleistung eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors ermöglicht es, ihn in niedrigerem Drehzahlbereich zu betreiben, als einen vergleichbaren HM, um die gleiche Arbeit zu realisieren. Dies verringert zusätzlich die mechanische Verluste und den Verschleiß des Motors, da er für das Verrichten derselben Arbeit weniger Zyklen benötigt. Andererseits erreicht ein Ruck-Kurbeltrieb-Motor durch qualitative Verbesserung der Funktionen jedes seiner einzelnen Takte bei gleicher Drehgeschwindigkeit eine deutliche Leistungssteigerung. Also steht der etwas schwereren Konstruktion des Mechanismus des Ruck-Kurbeltrieb-Motors außer gestiegener Effizienz auch noch eine erhebliche Senkung des Leistungsgewichts gegenüber.The economical realization of the working and compression stroke, extended and more efficient intake with a more efficient cylinder charge and at the same time relieved ejection of the jerk-crank drive engine increase its torque and increase its efficiency. The increased cycle performance of a jerk crank motor allows it to operate at a lower RPM range than a comparable HM to accomplish the same work. This additionally reduces the mechanical losses and wear of the motor as it requires fewer cycles to perform the same job. On the other hand, a jerk-crank motor achieves a significant increase in performance by qualitatively improving the functions of each of its individual clocks at the same rotational speed. Thus, the somewhat heavier construction of the mechanism of the jerk-crank drive engine is in addition to increased efficiency compared to a significant reduction in the power weight.
Hinsichtlich der Leistung, kann man behaupten, dass bei einer Erhöhung der Drehzahl eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors um 41 % über die Drehzahl eines HM am Punkt seines Spitzendrehmoments, kann er immer noch mindestens ein gleich hohes Drehmoment wie ein HM liefern, weil die tatsächliche Dauer des Ansaugens, welche bei ihm im Zyklus um 41 % länger ist, dadurch sich nicht verringert und der Grad seiner Zylinderfüllung beibehalten bleibt (dabei wird nur die Dauer berücksichtigt, die angestiegene Intensivierung des Ansaugens des Ruck-Kurbeltrieb-Motors bleibt außer Acht!). Die Erhöhung der Drehzahl um 41 % und dadurch auftretende Verkürzung des Ausstoßens kompensiert sich ebenfalls durch das grundsätzlich um 41 % längeres Ausstoßen dieses Taktes beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor und bleibt daher auch der Dauer des Ausstoßens eines HM gleich. Diese Tatsachen erlauben überzeugt zu bestätigen, dass auch dieser Takt sich nicht erschwert und die gesamten Zyklusverluste eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors bei erhöhter um 41 % Rotationsgeschwindigkeit mindestens gleich mit denen eines HM bleiben. Andererseits steigt das Drehmoment eines Ruck-Kurbeltrieb-Ottomotors um 60 % bis 87 % und eines Ruck-Kurbeltrieb-Diesels von 47 % bis 64 % durch Senkung der Wärmeverluste (s. Tabelle 7). Daher steigt die Leistung des Ruck-Kurbeltrieb-Motors bei Drehgeschwindigkeit, die seinem maximalen Drehmoment entspricht erstens durch Erhöhung der Drehzahl und zweitens durch die Steigerung des Drehmoments. Dies ergibt eine 2,26- bis 2,63-Fache Leistungssteigerung des Ruck-Kurbeltrieb-Ottomotors bzw. eine 2,07- bis 2,31-Fache Leistungssteigerung eines Ruck-Kurbeltrieb-Diesels:
- Zeile 14:
- Zeile 29:
- Line 14:
- Line 29:
Die präsentierte Kalkulation der Steigerung des Wirkungsgrads und der Leistung eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors berücksichtigt nur die Verminderung der Wärmeverluste, welche durch Beschleunigung des Arbeits- und Verdichtungstaktes zustande kommen, die wegen der zweckmäßigerer Funktion des Ruck-Kurbeltrieb-Motors vorfallen. Dabei wurde aber nicht berücksichtigt:
- 1. dass außer der Reduzierung der Wärmeverluste, die aus der Verkürzung des Drehwinkelbereiches in welchem die Gasexpansion bei gleichmäßiger Rotation der Motorwelle durchgeführt wird resultiert, zusätzlich eine Reduzierung der Wärmeverluste durch die Verkürzung der Zeit hinzukommt, in welcher der bereits verkürzte Drehwinkelbereich durchlaufen wird, hinzu;
- 2. dass durch Erhöhung der Effektivität des Gaswechsels die Zylinderladung angestiegen ist (höherer Spül-, Fang- und Liefergrad), wodurch größeres Drehmoment und größere Zyklusarbeit verrichtet wird;
- 3. dass die Leistung des Kühlsystems, wegen der gesunkenen Wärmeverlusten gesenkt werden kann (sinkender interner Eigenverbrauch, Gewichtsreduzierung);
- 4. dass der Expansionsgrad im Arbeitstakt bei den Ruck-Kurbeltrieb-Motoren von 95 % bis 100 % seines geometrischen Hubes beträgt gegen 89,58 % beim HM, was den Wirkungsgrad des Otto-Ruck-Kurbeltrieb-Motors um 0,86
1,60 % absolut (% bis von 3,44bis 5,33 % rel.) und des Diesel-Ruck-Kurbeltrieb-Motors um 0,67% bis 1,24 % absolut ( 1,91von bis 3,74 % rel.) verbessert; - 5. dass die Abdichtungsverluste wegen der enorm verkürzten Dauer des Arbeits- und Verdichtungstakts minimiert werden.
- 1. That, in addition to the reduction of the heat losses resulting from the shortening of the rotation angle range in which the gas expansion is performed with uniform rotation of the motor shaft, in addition to reducing the heat losses by shortening the time is added, in which the already shortened rotation angle range is traversed added ;
- 2. that by increasing the efficiency of the gas exchange, the cylinder charge has risen (higher rinsing, catching and delivery), whereby greater torque and cycle work is done;
- 3. that the performance of the cooling system can be lowered because of the reduced heat losses (decreasing internal self-consumption, weight reduction);
- 4. That the degree of expansion in the power stroke in the jerk crank engine from 95% to 100% of its geometric stroke amounts to 89.58% in the HM, which increases the efficiency of the Otto-Jerk crank-drive engine by 0.86% to 1 , 60% absolute (from 3.44 to 5.33% rel.) And the diesel jerk crank-drive engine by 0.67% to 1.24% absolute (from 1.91 to 3.74% rel.) improved;
- 5. That the sealing losses are minimized because of the enormously shortened duration of the working and compression cycle.
Umweltverträglichkeit und Emissionen.Environmental compatibility and emissions.
Der Ruck-Kurbeltrieb-Motor ist erstens effizienter als die konventionellen Verbrennungsmotoren und hat daher kleinere spezifische Wärmeemissionen, damit trägt er weniger zur direkter Klimaerwärmung bei. Zweitens ist das Leistungsgewicht des Ruck-Kurbeltrieb-Motors schätzungsweise mindestens um 1/3 höher als des eines HM. Dies bedeutet, dass für die Produktion von Ruck-Kurbeltrieb-Motoren mit einer äquivalenten summarischen Leistung auf heutigem Niveau, 1/3 weniger Metall benötigt wird, deswegen werden auch die CO2-Emissionen für die Herstellung dieses Materials für den Motorenbau um 1/3 senken. Drittens, seine Gasemissionen, die indirekt die Klimaerwärmung durch Treibhauseffekt beeinflussen, sind auch niedriger. Die Emissionen des CO2 werden beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor proportional dem spezifischen Treibstoffverbrauch vermindert und betragen damit einen Wert:
Viertens sinken die Schadstoffemissionen eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors, außer des CO2 überproportional, weil:
- a. sie nehmen proportional zum spezifischen Treibstoffverbrauch ab, welcher beim Ottomotor von ca. 38 bis 47 % und beim Dieselmotor von 32 bis 39 % geringer werden, wie auch der CO2-Ausstoß;
- b. die Bedingungen zur Bildung von gesundheitsschädlichen thermischen NOx, die sowohl von den hohen Temperaturen als auch von der Verweilzeit positiv beeinflusst werden, sich im Verbrennungs- und Expansionsraum eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors wesentlich verschlechtern, denn:
- i. die Temperatur der Arbeitsgase, dank schnellerer Expansion, weil der Arbeitstakt im Ruck-Kurbeltrieb-Motor-Zyklus generell etwa dreieinhalbmal schneller abläuft, nimmt schneller ab;
- ii. die Reaktionszeit mit hohen Gastemperaturen, bei welcher sich diese Schadstoffe verstärkt bilden, wird dabei exponentiell schnell reduziert.
- a. they decrease in proportion to the specific fuel consumption, which is about 38 to 47% lower for gasoline engines and 32 to 39% for diesel engines, as well as CO2 emissions;
- b. The conditions for the formation of harmful thermal NO x , which are positively influenced by both the high temperatures and the residence time, deteriorate significantly in the combustion and expansion space of a jerk-crank drive engine, because:
- i. the temperature of the working gases, due to faster expansion, because the power stroke in the jerk-crank-drive-engine cycle generally runs about three and a half times faster, decreases faster;
- ii. the reaction time with high gas temperatures, at which these pollutants increasingly form, is reduced exponentially fast.
Nach dem thermischem „NO-Mechanismus“ von Zeldovich, der die Oxidation des atmosphärischen Stickstoffs beschreibt, welcher auch für Verbrennungsprozesse der Motoren verwendet wird, ist bekannt, dass mit der Bildung von thermischen NOx ab ca. 1300K zu rechnen ist. Dabei nimmt die Bildungsrate bei Temperaturen oberhalb 2200K und einer ausreichender Sauerstoffkonzentration (λ>1) exponentiell zu. Analyse des Temperaturverlaufs bei der Expansion der Arbeitsgase im Arbeitstakt der zu vergleichenden Motoren zeigt, dass bei angenommener Anfangstemperatur der Arbeitsgase im Brennraum beim Arbeitstakt von 2273K (2000°C), die Temperatur über der Grenze von 2200K, bei welcher sich Stickoxide exponentiell bilden, beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor 1,1 ° und beim HM 9,9° andauert, hält also beim HM neunmall länger an. Hier bleibt aber der Bereich mit Temperaturen über 2200K, wo sich eine exponentielle Stickoxidbildung ereignet, wegen der komplizierten Kalkulation und der kurzen Phase dieses Zustands (etwa 15 % von der Dauer des Arbeitstaktes mit Temperatur der Abgase über 1300°C) außer Betracht, was zum Nachteil für die Erfindung ist. Die Bewertung der gesamten Zeitspanne der Expansion mit der Anfangstemperatur der Arbeitsgase von 2273K im Arbeitstakt bis zum Abflauen der Temperatur bis zu 1300K wird so vorgenommen, als ob in dieser Zeitspanne nur eine lineare Stickoxidbildung stattfindet. Beim HM sinkt die Temperatur vom Anfang des Arbeitstaktes bis zur Grenze von 1300K mit 62,7°KW, ein Ruck-Kurbeltrieb-Motor-1,25/3 erreicht diese untere Temperaturgrenze schon mit 7,7°KW. Beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor-1,25/3 ist die Zeitspanne bis zur Abkühlung auf das Niveau von 1300K um 8,143 (= 62,7 : 7,7) Mal kürzer. Dadurch entsteht auch eine entsprechend kleinere Menge von Stickoxiden als beim HM. Berücksichtigt man die Treibstoffsenkung, hinsichtlich der Steigerung des Wirkungsgrades, wird eine komplette Reduzierung der spezifischen Emissionen von NOx (g/kWh) mindestens um 13,13 bis 15,36 Mal beim Otto-Ruck-Kurbeltrieb-Motor und mindestens um 11,97 bis 13,35 Mal beim Diesel-Ruck-Kurbeltrieb-Motor erreicht:
Wird ein Motor mit inneren Gemischbildung in Volllast betrieben, kann das Gemischs problemlos bei stöchiometrischem Verbrennungsverhältnis (λ = 1) gehalten werden. Im Betriebszustand Teillast und im Leerlauf (besonders beim Diesel) bewirken die überflüssige Luftmengen, dass nur mageres Gemisch gebildet wird und ein großer Überschuss von Sauerstoff entsteht (λ > 1), was die unerwünschte NOx-Bildung begünstigt. Diesem Prozess kann man wirksam entgegenwirken, indem für die Spülung ein Teil der Restabgase ohne Sauerstoff statt Frischluft zur Zylinderfüllung benutzt werden, also kann die bekannte Abgasrückführung verwendet werden.If an engine with internal mixture formation is operated at full load, the mixture can easily be maintained at a stoichiometric combustion ratio (λ = 1). In part-load and idling (especially diesel) operating modes, the superfluous air volumes cause only lean mixture to form and produce a large excess of oxygen (λ> 1), favoring unwanted NOx formation. This process can be effectively counteracted by using a portion of the residual exhaust gases without oxygen instead of fresh air for cylinder filling for cylinder filling, so the known exhaust gas recirculation can be used.
Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, welche sich mit bekannter Abgasnachbehandlung per Katalysator heute beinahe problemlos oxidieren lassen, werden hier nicht behandelt.Emissions of hydrocarbons and carbon monoxide, which today can be oxidized with known exhaust aftertreatment by catalyst almost without problems, are not treated here.
Ausführungsbeispiele des Ruck-Kurbeltrieb-Motors.Embodiments of the jerk crank drive motor.
Ein Ruck-Kurbeltrieb-Motor kann genauso beliebig gebaut werden, wie auch ein HM: als Einzylinder-, Boxer-, V-, Reihen-, X-, H-, Sternmotor; nach Zwei- und Viertaktverfahren gestaltet werden; als Otto-, Gas- oder Dieselmotor ausgelegt werden; als Saugmotor oder mit Aufladung ausgeführt werden. Bei gleichem Hubraum erreicht ein Ruck-Kurbeltrieb-Motor aber einen viel größeren Spitzenwert des Drehmoments im Arbeitstakt als ein HM. Diese Pulsation des Drehmoments ruft eine höhere Drehungleichförmigkeit der Motorwelle in seinem Zyklus hervor, was ein größeres Schwungrad erfordert. Um bessere Laufruhe zu bekommen, ist es vorteilhaft einen Ruck-Kurbeltrieb-Motor als Mehrzylindermotor zu bauen. Erstens erhöht sich dabei die rotierende Masse insgesamt und das Gewicht des Schwungrads kann dadurch verringert werden. Zweitens kann auch der notwendige Ausgleich der rotierenden Massenkräfte bei geschickter Anordnung der Zylinder zum größten Teil mit der Masse der gegenüberliegenden rotierenden Konstruktionsteilen realisiert werden und muss nur noch die restliche unausgewuchtete Masse mit ergänzenden Gegengewichten ausbalanciert werden, womit ein besseres Leistungsgewicht erreicht wird. Beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor ist der Massenausgleich wegen der doppelter Kurbelwellenzahl mit mehreren rotierenden und oszillierenden Gliedern komplizierter als beim HM. Aber bei Mehrzylinder-Boxermotoren lassen sich die Massenkräfte mit optimaler Anordnung der Zylinder meistens gut oder vollständig ausgleichen.A jerk-crank motor can be built just as any, as well as a HM: as a single-cylinder, boxer, V, series, X, H, radial engine; designed according to two- and four-stroke procedures; be designed as gasoline, gas or diesel engine; be carried out as a naturally aspirated or charged. However, with the same displacement, a jerk crank motor achieves a much greater peak in torque in the power stroke than a HM. This pulsation of torque causes a higher rotational irregularity of the motor shaft in its cycle, which requires a larger flywheel. To get better smoothness, it is advantageous to build a jerk crank engine as a multi-cylinder engine. First, the rotating mass increases in total and the weight of the flywheel can be reduced thereby. Secondly, the necessary balance of the rotating mass forces can be realized with skillful arrangement of the cylinder for the most part with the mass of the opposing rotating structural parts and only the remaining unbalanced mass needs to be balanced with complementary counterweights, thus a better power to weight is achieved. With the jerk-crank drive engine, the mass balance is more complicated than with the HM because of the double number of cranks with several rotating and oscillating links. But in multi-cylinder boxer engines, the mass forces with optimal arrangement of the cylinder can usually compensate well or completely.
Beim 2-Zylinder-Boxermotor mit Zweitaktverfahren, der sich bei durchdachten gespiegelten Anordnung der Zylinder gut ausbalancieren lässt, geschehen die Arbeitstakte in den gegenüberliegenden Zylindern gleichzeitig und können nicht gleichmäßig in einer Umdrehung verteilt werden. Dadurch ist seine Laufruhe mit der eines Einzylindermotors vergleichbar, aber er ist vibrationsarm.In the 2-cylinder boxer engine with two-stroke process, which can be well balanced with well thought-out mirrored arrangement of the cylinder, the working cycles in the opposite cylinders occur simultaneously and can not be distributed evenly in one revolution. As a result, its smoothness is comparable to that of a single-cylinder engine, but it is low in vibration.
Eine bessere Laufruhe weist ein 2-Zylinder-Boxerblock im Viertaktverfahren auf (siehe
Die Höhe eines herkömmlichen Kreuzkopfmotors, besonders bei langhubigen Zweitaktern, ist relativ groß. Wird er mit einem Ruck-Kurbeltrieb versehen, vergrößert sich seine Höhe unvorteilhaft zusätzlich. Um dieses Problem umzugehen, kann ein Motor mit einem Ruck-Kurbeltrieb, welcher mit seiner Achse in einem Winkel zu seiner Zylinderachse steht, gebaut werden. Dadurch vergrößert sich seine Höhe nur geringfügig oder gar nicht, wenn der gebildete zwischen den Achsen Winkel δ ≤ 90° ist.
- Skizze a) stellt eine Einzylinder-Konstruktion mit einer unter der Zylinderkurbel (6) liegenden Motorwelle (5) dar, wo sie mit dem Gelenk (3-7) gekoppelt ist, welches von dem einzigen Hubzapfen der Zylinderwelle (6) im Kreise geführt wird;
- Darstellung b) zeigt eine seitlich platzierte Motorwelle (5), welche mittels Koppel (7) an der zusätzlichen Kröpfung (6/3) der Zylinderwelle (6) gekoppelt ist, welche um Winkel δ zur Kröpfung (6/2) versetzt ist. Das Pleuel-Gelenk (3-6/2) wird von der Kröpfung (6/2) geführt;
- Zeichnung c) offenbart eine Boxer-Motor-Konstruktion, wo die Zylinderkurbelwelle (6), welche zwei zusätzliche in einer Ebene gegenüberliegende Kröpfungen (6/2
und 6/4) für die Pleuel (3/1und 3/2) und eine senkrecht zu dieser Ebene ausgerichtete Kröpfung (6/3), an welcher die Motorkurbelwelle (5) mittels der Koppel (7) gekoppelt wird, benötigt; - Zeichnung d) zeigt einen Vierzylinder H-Motor, welcher aus zwei parallel an Motorkurbelwelle (5) gekoppelten Einheiten, genau wie in c) dargestellt ist, gebildet wurde. Die zwei Zylinderkurbelwellen (6 und 9) jedes Kolbenpaars sind mit ihren Kröpfungen (6/3
und 9/3) per Koppeln (7/1und 7/2) an die dazwischen liegende Motorkurbelwelle (5) gekoppelt.
- Sketch a) represents a single-cylinder construction with a motor shaft (5) lying under the cylinder crank (6), where it is coupled to the joint (3-7), which is guided by the single crank pin of the cylinder shaft (6) in a circle ;
- Representation b) shows a laterally placed motor shaft (5), which is coupled by means of coupling (7) on the additional crank (6/3) of the cylinder shaft (6), which is offset by angle δ to the crank (6/2). The connecting rod joint (3-6 / 2) is guided by the crank (6/2);
- Drawing c) discloses a boxer engine design where the cylinder crankshaft (6) has two additional in-plane opposed cranks (6/2 and 6/4) for the connecting rods (3/1 and 3/2) and one vertical to this plane aligned crank (6/3) to which the engine crankshaft (5) is coupled by means of the coupling (7) required;
- Drawing d) shows a four-cylinder H engine, which was formed of two parallel to engine crankshaft (5) coupled units, exactly as in c). The two cylinder crankshafts (6 and 9) of each pair of pistons are coupled with their cranks (6/3 and 9/3) by coupling (7/1 and 7/2) to the intermediate engine crankshaft (5).
Eine solche Vierzylinder-Einheit ist beinahe perfekt ausbalanciert (außer des umlaufendes Massenmoments durch Versetzung der Zylinder entlang ihrer Zylinderwellen) und erlaubt die gleichmäßige Verteilung der Arbeitstakte im Zyklus und den Gaswechsel auf die gegenüberliegende Zylinderbänke. Bei Bedarf könnte die Vergrößerung der Zylinderzahl entlang der Motorkurbelwellenachse fortgesetzt werden, wenn man weitere Vierzylinder-Einheit an eine verlängerte Motorkurbelwelle anschließt.Such a four-cylinder unit is almost perfectly balanced (except for the circumferential mass momentum due to displacement of the cylinders along its cylinder shafts) and allows for uniform distribution of power strokes in the cycle and gas exchange to the opposite cylinder banks. If desired, the increase in the number of cylinders along the engine crankshaft axis could be continued by connecting another four-cylinder unit to an extended engine crankshaft.
Die Radien der verkoppelten miteinander Kröpfungen der Wellen in
Gegenkolben Ruck-Kurbeltrieb-Motor.Opposite piston jerk crank drive motor.
Der verschiebbare im Zylinder (1/1) Kolben (2/1) ist per Pleuel (3/1) mit dem Hubzapfen der in den Lagern (15/1) des Gehäuses betteten Ruckkurbel (6/1) gekoppelt.The displaceable cylinder (1/1) piston (2/1) is coupled by connecting rod (3/1) with the crank pin of the crank arm (6/1) embedded in the bearings (15/1) of the housing.
Der verschiebbare im Zylinder (1/2) Kolben (2/3) ist per Pleuel (3/3) mit dem Hubzapfen der in den Lagern (15/3) des Gehäuses betteten Ruckkurbel (6/3) gekoppelt.The displaceable in the cylinder (1/2) piston (2/3) is coupled by connecting rod (3/3) with the crank pin of the in the bearings (15/3) of the housing Ruckkurbel (6/3).
Die Motorkurbelwelle (5/1), die unter der Ruckkurbel (6/1a) liegt (nicht dargestellt), bildet mit der Motorkurbelwelle (5/3) (s. Ansicht C-C) mittels der dazwischen liegenden Kröpfung (30/1) des Parallelkurbelgetriebes (30) eine untrennbare Einheit, die in Lagern (14/1 und 14/3) im Gehäuse bettet und unter den Zylinderkurbeln auf der linken Seite des Motors liegt.The engine crankshaft (5/1), which lies under the crank (6 / 1a) (not shown), forms with the engine crankshaft (5/3) (see view CC) by means of the intermediate crank (30/1) of the parallel crank mechanism (30) an inseparable unit that seats in bearings (14/1 and 14/3) in the housing and is located under the cylinder cranks on the left side of the engine.
Die Koppel (7/1) verbindet drehbar die Zusatzkröpfung (6/1a) der Ruckkurbel (6/1), die um 90° gegen ihren Pleuelhubzapfen versetzt ist, mit der Motorkurbelwelle (5/1), welche unter der Zylinderkurbelwelle (6/1) liegt, analog, wie die im Schnitt A-A gezeigte Koppel (7/2) die Zusatzkröpfung (6/2a) der Ruckkurbel (6/2), die um 90° gegen den Pleuelhubzapfen der Zylinderkurbelwelle (6/2) versetzt ist, mit der Motorkurbelwelle (5/2) koppelt.The coupling (7/1) rotatably connects the additional crank (6 / 1a) of the crank (6/1), which is offset by 90 ° against its Pleuelhubzapfen, with the engine crankshaft (5/1), which under the cylinder crankshaft (6/1). 1), analogously, as the coupling (7/2) shown in section AA, the Zusatzkröpfung (6 / 2a) of the crank (6/2), which is offset by 90 ° against the Pleuelhubzapfen the cylinder crankshaft (6/2), coupled with the engine crankshaft (5/2).
Ansicht C-C zeigt: die Koppel (7/3) verbindet die Zusatzkröpfung (6/3a) der Ruckkurbel (6/3), die um 90° gegen ihren Pleuelhubzapfen versetzt ist mit dem Hubzapfen der Motorkurbelwelle (5/3).View C-C shows: the coupling (7/3) connects the Zusatzkröpfung (6 / 3a) of the crank (6/3), which is offset by 90 ° to its Pleuelhubzapfen with the crankpin of the engine crankshaft (5/3).
Analog ist der rechts im Zylinder (1/1) verschiebbare Kolben (2/2) per Pleuel (3/2) mit dem Hubzapfen der in den Lagern (15/2) des Gehäuses betteten Ruckkurbel (6/2) gekoppelt.Analogously, the right in the cylinder (1/1) displaceable piston (2/2) by connecting rod (3/2) with the crank pin in the bearings (15/2) of the housing bedded return crank (6/2) coupled.
Der verschiebbare im Zylinder (1/2) Kolben (2/4) ist per Pleuel (3/4) mit dem Hubzapfen der in den Lagern (15/4) des Gehäuses betteten Ruckkurbel (6/4) gekoppelt.The displaceable in the cylinder (1/2) piston (2/4) is coupled by connecting rod (3/4) with the crank pin in the bearings (15/4) of the housing Ruckkurbel (6/4).
Die Motorkurbelwelle (5/2) bildet mit der Motorkurbelwelle (5/4) mittels der dazwischen liegenden Kröpfung der Kurbel (30/2) des Parallelkurbelgetriebes (30) eine untrennbare Einheit, die in Lagern (14/2 und 14/4) im Gehäuse bettet und unter den Zylinderkurbeln auf der rechten Seite des Motors liegt.The engine crankshaft (5/2) forms with the engine crankshaft (5/4) by means of the intermediate crank of the crank (30/2) of the parallel crank mechanism (30) an inseparable unit in bearings (14/2 and 14/4) in the Housing embeds and lies under the cylinder cranks on the right side of the engine.
Die Koppel (7/4) verbindet die Zusatzkröpfung (6/4a) der Ruckkurbel (6/4), die um 90° gegen ihren Pleuelhubzapfen versetzt ist mit der Motorkurbelwelle (5/4), s.
Die Drehbewegung von der gemeinsamen linken (5/1 & 5/3) und der gemeinsamen rechten Motorwellen (5/2 & 5/4) wird mit den Schubstangen (31/1 & 31/2) von den Kurbeln (30/1 & 30/2) im Parallelkurbelgetriebe (30) zusammengeführt und an die Motorwelle (5/0) geleitet.
Im Parallelkurbelgetriebe (30) ist der Hubzapfen der Schubstange (31/2) gegen den Hubzapfen der Schubstange (31/1) zur Überwindung der Totlage um 90° versetz und alle drei Wellen haben die gleiche Drehrichtung.The rotation of the common left (5/1 & 5/3) and the common right motor shafts (5/2 & 5/4) is made with the push rods (31/1 & 31/2) from the cranks (30/1 & 30/2) in the parallel crank gear (30) brought together and passed to the motor shaft (5/0).
In the parallel crank gear (30) of the crank pin of the push rod (31/2) against the crank pin of the push rod (31/1) to overcome the dead center offset by 90 ° and all three waves have the same direction of rotation.
Der Arbeitstakt des Zylinders (1/1) wird mit dem Arbeitstakt des Zylinders (1/2) um 180° versetzt, um die Drehungleichförmigkeit an der Motorwelle zu minimieren.The working stroke of the cylinder (1/1) is offset by the working stroke of the cylinder (1/2) by 180 ° in order to minimize the rotational irregularity on the motor shaft.
Der Zweitakt-Gegenkolbenmotor mit seiner hoher Leistungsdichte profitiert von der Ausstattung mit einem Ruck-Kurbeltrieb besonders stark:
- 1. Seine gesamten Wärmeverluste, welche dank dem fehlenden Zylinderkopf durch praktisch halbierte Brennraumoberfläche schon zur Hälfte reduziert sind, werden nunmehr seitens des Ruckkurbeltriebs durch Verkürzung der Dauer des Wärmeaustauschs mit den Zylinderwandungen zusätzlich geviertelt. Damit werden ca. ⅞ (=1 - (½ × ¼)) seiner gegenwärtigen Wärmeverluste abgewehrt und ihr Niveau sinkt auf etwa ⅛ denen eines HM. Damit wird die Differenz des praktischen und theoretischen Wirkungsgrads eines Verbrennungsmotors bei einer solchen Verquickung der Mechanismen so gering, wie nie zuvor;
- 2. Das Problem der Lebensdauer des Gegenkolbenmotors angesichts der enormen thermischen Belastung wegen der unausreichenden Kühlung der Auslassseite, insbesondere der Feuerstegoberkante des Auslasskolbens (2/2
und 2/4) und der thermisch hoch beanspruchten Auslassschlitzen des Zylinders (22/1 und 22/2), fällt vollständig weg, wenn er mit einem Ruck-Kurbeltrieb ausgestattet wird. Mit dem Ruck-Kurbeltrieb, dank seiner typischen Retardationszone, halten sich nun die Kolben länger als ¾ der Umdrehung der Motorkurbelwelle nah am UT im Bereich unter 5 % des Kolbenhubes in dieser Problemzone auf und die Dauer des Spülvorgangs verlängert sich um das Vielfache (ca. 7 Mal!). Der sich dadurch enorm verlängerte Spülvorgang, welcher üblicherweise einen großen Nachteil wegen der Treibstoffverlusten (Spülverluste) darstellt, wenn eine äußere Gemischbildung angewandt wird, erweist sich hier bei Verwendung einer inneren Gemischbildung als recht nützlich. Bei den modernen direkteinspritzenden Otto- und Dieselmotor sind die überflüssige Luftmengen, die den Zylinder durchströmen und den Verbrauch von Kraftstoff nicht erhöhen können, nicht schädlich. Im Gegenteil, ein solcher wirkungsvolle frischer Luftstrom wird, nachdem er die heißen Abgase hinausgeschoben hat, als dringend notwendige Kühlung für den Kolben und Zylinder gebraucht. Gerade dieser Effekt fehlte dem derzeitigen Gegenkolbenmotor, weil der Spülvorgang eines Zweitaktmotors mit einem konventionellem Kurbeltrieb mit annähernd sinusförmiger Bewegungskurve des Kolbens enorm kurz ist (etwa 1/5 des Ansaugtaktes eines herkömmlichen Viertaktmotors bei gleicher Drehgeschwindigkeit). Dieser begrenzte Zeitraum ist nur beim verwenden eines Gebläses mit Überdruck gerade noch für eine befriedigende Spülung ausreichend und keineswegs genügend, eine wirksame Kühlung instand zu setzen. Bei 2-Takt-Motoren mit einem Ruck-Kurbeltrieb kann aber schon alleine durch seine enorm verlängerte Spülung ein wirksamer Kühlungseffekt sogar ohne Gebläse erreicht werden. Bei großen Ladermotoren kann das Spülgebläse sehr wohl diese zusätzliche wirksame Kühlfunktion ausführen. Läuft z.B. ein Dieselmotor in Volllast, kann das Gemisch problemlos bei stöchiometrischem Verbrennungsverhältnis (λ = 1) gehalten werden. Bei Teillast oder im Leerlauf bewirken die nötige überflüssige Luftmengen, im Unterschied zu einem Ottomotor, dass nur mageres Gemisch gebildet wird und Überschuss von Sauerstoff (λ > 1) entsteht, was die unerwünschte NOx-Bildung begünstigt. Dabei ist aber auch die thermische Belastung des Motors geringer und man kann ohne Risiko diesem Prozess einschneidend entgegenwirken, indem die Spülung - zugleich auch die Kühlung - risikolos gedämmt wird. Zweckmäßig ist dabei, die Spülung statt mit Frischluft zum Teil mit den Abgasen ohne Sauerstoff zur Zylinderfüllung verwenden, was als Abgasrückführung bekannt ist. Bei großen Motoren, deren vorwiegender Betriebszustand Volllast ist, ist es sinnvoll durch sensorische Überwachung der Temperatur der Auslassseite die Fördermenge der Frischluft mit einem Gebläse automatisch zu steuern, um erstens den Motor nicht zu überhitzen und zweitens den eigenen Energieverbrauch durch übermäßige Luftzufuhr nicht unnötig zu steigern; - 3. Bei den Gegenkolbenmotoren mit zwei Kurbelwellen wird die Kaskade von Zahnrädern durch den Ruck-Kurbeltrieb-Mechanismus mit dem Parallelkurbelgetriebe ersetzt und braucht keinen Zusatzraum längs der Zylinderachse. Die Ausdehnung entlang der Kurbelwellen vergrößert sich nur unwesentlich;
- 4. Durch das Platzieren von mehreren Zylindern parallel kann mit jeweils zwei Zylinderkurbelwellen an den Zylinderenden, welche mit einer dazwischen liegender Motorkurbelwelle verkoppelt werden, diese Konstruktion betrieben werden, was ein niedriges Leistungsgewicht ermöglicht;
- 5. Bei dieser Synthese entsteht annähernd ein idealer Massenausgleich für beide Mechanismen.
- 1. Its total heat losses, which are already reduced by half due to the lack of cylinder head by practically halved combustion chamber surface, are now quartered by the return crank by shortening the duration of the heat exchange with the cylinder walls. This avoids approximately ⅞ (= 1 - (½ × ¼)) of its current heat losses, and its level drops to about ⅛ that of a HM. Thus, the difference of the practical and theoretical efficiency of an internal combustion engine with such a combination of mechanisms is as low as ever before;
- 2. The problem of the life of the piston engine in view of the enormous thermal load due to the insufficient cooling of the outlet side, in particular the top edge of the Auslasskolbens (2/2 and 2/4) and the highly thermally stressed exhaust slots of the cylinder (22/1 and 22/2 ) falls completely off when equipped with a jerk crank drive. With the jerk-crank mechanism, thanks to its typical retardation zone, the pistons now keep more than ¾ of the engine crankshaft revolution close to the UT in the area below 5% of the piston stroke in this problem zone and the duration of the purge increases by a multiple (approx. 7 times!). The enormously prolonged purging process, which is usually a major disadvantage due to fuel losses (flushing losses) when external mixture formation is employed, proves to be quite useful when using internal mixture formation. In the modern direct-injection gasoline and diesel engine, the superfluous amounts of air that flow through the cylinder and can not increase the consumption of fuel, are not harmful. On the contrary, such effective fresh airflow, after pushing out the hot exhaust gases, is needed as much needed cooling for the piston and cylinder. Just this effect was missing the current piston engine, because the flushing of a two-stroke engine with a conventional crank mechanism with approximately sinusoidal motion curve of the piston is extremely short (about 1/5 of the intake stroke of a conventional four-stroke engine at the same rotational speed). This limited period of time is only sufficient for satisfactory flushing when using a positive pressure blower and is not sufficient to provide effective cooling. In 2-stroke engines with a jerk crank mechanism, however, an effective cooling effect can be achieved even without a blower, simply by its enormously extended flushing. For large supercharged engines, the purge fan may well perform this additional effective cooling function. If, for example, a diesel engine is running at full load, the mixture can easily be kept at a stoichiometric combustion ratio (λ = 1). At partial or idle speed, the unnecessary superfluous air volumes, unlike a gasoline engine, cause only a lean mixture to form and excess oxygen (λ> 1) is produced, favoring unwanted NO x formation. But also the thermal load of the engine is lower and you can without risk counteract this process drastic by the irrigation - at the same time the cooling - is insulated without risk. It is expedient to use the purge instead of fresh air partly with the exhaust gases without oxygen for cylinder filling, which is known as exhaust gas recirculation. With large engines, the predominant operating condition of which is full load, it makes sense to automatically control the flow rate of the fresh air with a fan by means of sensory monitoring of the temperature of the exhaust air in order firstly not to overheat the engine and secondly not to unnecessarily increase the own energy consumption through excessive air supply ;
- 3. In the twin-piston engines with two crankshafts the cascade of gears is replaced by the jerk-crank mechanism with the parallel crank gear and needs no additional space along the cylinder axis. The expansion along the crankshaft increases only slightly;
- 4. By placing multiple cylinders in parallel, with each two cylinder crankshafts at the cylinder ends, which are coupled with an intermediate engine crankshaft, this design can be operated, allowing a low power-to-weight ratio;
- 5. This synthesis produces approximately an ideal mass balance for both mechanisms.
Zusätzliche Optimierungsoptionen der Kolbenbewegung eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors. Additional optimization options for the piston movement of a jerk-crank drive motor.
Primär hängt der Grad der Ungleichmäßigkeit der Kolbengeschwindigkeit beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor vom Verhältnis der Länge der Koppel zum Kröpfungsradius der Motorwelle, sekundär von dem Pleuelstangenverhältnis ab. Zur Veranschaulichung ist der zurückgelegte Kolbenweg bei Stellung der Motorwelle 30 °KW bei verschiedenartigen Motorarten in der Tabelle 4 angegeben. Wie man sehen kann, unterscheiden sich die Kolbenwege auffallend: der Kolben eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors legt, je nach Länge seiner Koppel und der Pleuellänge, schon bei Stellung der Motorkurbelwelle von 30°KW ungefähr das Acht- bzw. das Zehnfache der Strecke eines HM zurück. Bei einem KPM bei derselben Kurbelstellung durchläuft der Kolben nur etwa 50 % größeren Weg als ein HM. In der Tabelle 8 werden die charakteristischen Zeitspannen des Arbeitstakts, Kolben- und Expansionsgeschwindigkeiten der unterschiedlichen Kurbeltrieben verglichen und andere relevanten Werte jeder Motorart relativ zu den Werten des Basis-HM angegeben. Im Vergleich zum Basis-HM, findet der Arbeitstakt beim KPM mit einer Pleuellänge von 1,0642 und 1,0154 kl (entspricht einer max. Pleuelneigung zur Zylinderachse von 70° bzw. 80°) um 37,0 bzw. 57,4 % schneller statt. Dabei verwirklicht ein vergleichbarer Ruck-Kurbeltrieb-Motor mit einer Länge der Koppel von 1,5 bis 1,25 kl seinen vollständigen Arbeitstakt um 2,1 bis 3,9 Mal schneller als der HM. Im Unterschied zum KPM beschleunigt sich aber der Kolben eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors hier schon direkt nach dem OT wesentlich stärker. Siehe die Verhältnisse der Kolbengeschwindigkeiten vom Ruck-Kurbeltrieb-Motor in Relation zum HM: bei einem um etwa 3,5 Mal schnelleren Arbeitstakt ist die maximale Kolbengeschwindigkeit um 6 bis 7 Mal höher und dabei wird sie auch um 12 Mal früher erreicht.Primarily, the degree of non-uniformity of the piston speed in the jerk-crank motor depends on the ratio of the length of the coupling to the radius of curvature of the motor shaft, secondarily on the connecting rod ratio. By way of illustration, the recessed piston travel is shown in Table 4 with the
Eine präzisere Anpassung der Kolbenbewegungskurven an spezifische thermodynamische Prozesse, ablaufende im Zyklus eines konkreten Verbrennungsmotors, kann zur Erzielung der höchstmöglichen Effizienz, zusätzlich mittels Versetzung und (oder) Neigung der Zylinderachse zur Kurbeltriebsachse erreicht werden. So kann damit z.B. der um den OT symmetrischen Kurve eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit umlaufender Ruckkurbel eine Asymmetrie verliehen werden, welche die Expansionsgeschwindigkeit zusätzlich erhöht und das Ausstoßen erleichtert.A more precise adaptation of the piston movement curves to specific thermodynamic processes, running in the cycle of a specific internal combustion engine, can be achieved in addition to the highest possible efficiency, by means of displacement and (or) inclination of the cylinder axis to the crank pin axis. Thus, e.g. the OT-symmetric curve of a jerk-crank-drive-engine with revolving crank-crank gives an asymmetry, which additionally increases the speed of expansion and facilitates the ejection.
Bei Konstruktionen mit entsprechend versetzter oder geneigter Zylinderachse braucht der Arbeitstakt nicht vor dem Erreichen des UT beabsichtigt beendet werden. Der Doppelhub des Kolbens vom Z-OT zum GW-OT, welcher meistens eine vollständige Umdrehung der Motorwelle dauert, ist hier asymmetrisch um den UT verteilt. Der Arbeitstakt wird kürzer und die eingesparte an ihm Zeit wird dem Ausstoßen zugeteilt. Siehe z.B.
Bezeichnend ist dabei, dass das Nachjustieren bei den Ruck-Kurbeltrieb-Konstruktionen viel effektiver als bei einem HM wirkt: so bringt eine Versetzung der Achse des Zylinders gegen die Achse des Kurbeltriebs um eine Kurbellänge beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor-1,25/3 eine Verkürzung des Arbeitstakts (Ende beim 95-prozentigen Hub (0,95s)) um 44 % (sinkt von 43° auf 24°), bei einem HM verkürzt sich der Arbeitstakt (0,95s) bei derselben Versetzung nur um 9 % (sinkt von 148,7° auf 135,6°). Kurven von einigen solchen Konstruktionen sind als Beispiel in der Kurvenschar
Wunschgemäß kann ein Ruck-Kurbeltrieb mit vielfältigen Funktionen der Kolbenbewegung konstruiert werden. Kurbeltrieb, bei welchem die Zylinderachse auf einer Linie mit der Kurbeltriebsachse liegt, und eine Distanz hat, welche seiner Koppellänge gleich ist, hat bei gleichen Radien der verkoppelten Kröpfungen der Kurbelwellen eine umlauffähige Zylinderkurbelwelle (zentrische Schubkurbel auf Basis einer Doppelkurbel). Rotier die Zylinderkurbelwelle in einem solchen Mechanismus in der entgegengesetzten zur Motorkurbelwelle Drehrichtung, eignet er sich für einen Ruckkurbeltrieb und ermöglicht die Ausführung einer ruckartigen Kolbenbewegung, deren Grad der Ungleichförmigkeit im umgekehrten Verhältnis zur Distanz steht. Die Kurve der Kolbenbewegung, die solcher Mechanismus erzeugt, ist symmetrisch und ihre Spiegelachse liegt auf der Kurbeltriebsachse. Bei gleicher Drehrichtung der Zylinder- und Motorkurbelwelle unterscheidet sich die Bewegungsfunktion des Kolbens nicht von deren eines HM, unabhängig von der Distanz (aber bei D=K!). Eine solche Funktion alleine für sich ist für einen Hubkolbenmotor nutzlos, weil sie lediglich die Funktion eines herkömmlichen Kurbeltriebs kopiert, sie kann aber kombiniert mit anderen Bewegungsmodi auch sinnvoll verwendet werden. Z.B. kann nach Wunsch ein Ruck-Kurbeltrieb so konstruiert werden, dass sich der Kolben im Zyklus in einem Takt fließend und im anderen ruckartig bewegt. Solche Eigenschaften besitzen Mechanismen der Kurbelschwingen (siehe Abschnitt 7, a und b), die in Zeichnungen
Zusätzliche Optionen zum kultivieren der Eigenschaften der Kolbenbewegungskurven der Ruckkurbeltrieben bieten Neigung und Versetzung der Zylinderachse gegenüber ihrer Kurbeltriebsachse. Formt man die Funktion der Doppelkurbeln und Kurbelschwingen zusätzlich mit einer Versetzung der Zylinderachse von der Kurbeltriebsachse (bildet exzentrische Schubkurbeln), lässt sich die Bewegungskurve des Kolbens ausbauen und präzisieren. Versetzen der Zylinderachse bei einer Doppelkurbel bewirkt, dass der Pleuel im OT und im UT unterschiedliche Neigungen zur Zylinderachse bekommt, deswegen weichen seine Kolbenhübe von dem Wert von zwei Kurbellängen, der für eine zentrische Schubkurbel gilt, ab.Additional options for cultivating the characteristics of the piston movement curves of the crank drives provide inclination and displacement of the cylinder axis with respect to their crankshaft axis. Forming the function of the double cranks and rocker arms in addition to a displacement of the cylinder axis of the crank axle (forms eccentric cranks), the movement curve of the piston can be expanded and specified. Shifting the cylinder axis in a double crank causes the connecting rod to get different inclinations to the cylinder axis in TDC and in BDC, so its piston strokes differ from the value of two crank lengths that apply to a centric crank handle.
Die Wirkung einer Versetzung und (oder) Neigung der Zylinderachse gegenüber der Kurbeltriebsachse auf die Bewegungsfunktion des Kolbens wurde hier untersucht, um abzuklären, ob bei Bedarf beim Konstruieren die Versetzung oder Neigung des Zylinders überhaupt möglich ist und wie solcher Vorgang auf die Bewegungsfunktion des Kolbens sich auswirkt. Die Analyse zeigt, dass sowohl die Versetzung als auch die Neigung der Zylinderachse zur Kurbeltriebsachse keine Nachteile bringen, sondern die Bewegungskurve des Kolbens sogar verbessern. Dabei ist der Effekt von der Versetzung oder Neigung bei Mechanismen beim Ruck-Kurbeltrieb mit kleinerer Distanz größer.The effect of a displacement and (or) inclination of the cylinder axis relative to the crank axis on the motion function of the piston has been examined here to determine if the displacement or inclination of the cylinder is possible at all when needed and how such action is due to the movement function of the piston effect. The analysis shows that both the displacement and the inclination of the cylinder axis to the crank pin axis bring no disadvantages, but even improve the movement curve of the piston. The effect of the displacement or inclination is greater with mechanisms in the jerk crank mechanism with a smaller distance.
Wenn sich bei einem Ruck-Kurbeltrieb auf Basis einer Doppelkurbel die geneigte Zylinderachse mit der Achse der Wellenzapfen der Ruckkurbel kreuzt (alleinige Neigung), bleiben die Schwingungen des Pleuels um seine Zylinderachse symmetrisch. Auf eine solche Art modifizierte Mechanismus bewirkt einen verstärkten Ruck des Kolbens vom Z-OT zum UT, wobei von hier aus zum GW-OT die Kolbenbewegung fließender wird. Der Grad der erreichbaren Differenzen mit der Ursprungskurve bei alleiniger Neigung ohne Versetzung der Zylinderachse hängt vom Neigungswinkel ab. Je größer der Winkel der Zylinderachse zur Kurbeltriebsachse desto stärker diese Wirkung. Das Neigen der Zylinderachse zur Kurbeltriebsachse um 45° um die Achse der Zylinderkurbel bei einer Doppelkurbel Ruck-Kurbeltrieb-Motor-1,25/3 bewirkt z.B., dass sein 95-prozentiger Hub in 21° und sein 100-prozentiger in 35° erfolgt. Ohne Neigung geschieht bei einer solchen Konstruktion ein 95-prozentiger Hub in 43° und ein vollständiger Hub in 180°. Bei einer Doppelkurbel Ruck-Kurbeltrieb-Motor-1,5/3 (vergleiche
Das Versetzen der Achse des Zylinders gegenüber der Kurbeltriebsachse führt ähnliche Veränderungen der Kolbenbewegung herbei, aber dabei vergrößert sich der Kolbenhub zusätzlich und weicht vom doppelten Wert der Kurbellänge der Ruckkurbel ab. Beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor-1,5/3 z.B. (s.
Das nächste Beispiel (
Wirtschaftlichkeit des Ruck-Kurbeltrieb-Motors. Economy of the jerk-crank drive engine.
Die Vielgestaltigkeit und Flexibilität des Ruck-Kurbeltrieb-Mechanismus sind beachtlich und er eignet sich viel besser als die konventionelle Schubkurbel als Kurbeltrieb für einen Verbrennungsmotor. Durch das Variieren seiner im breiten Bereich wählbaren Distanz, lässt sich der Grad der Schwankungen seines Übersetzungsverhältnisses zwischen den gekoppelten Kurbeln beim Konstruieren auf die im Motor ablaufenden thermodynamischen Prozesse viel genauer abstimmen. Wenn im Vergleich zum HM bei einem KPM die ursprüngliche von der Kurbelwelle erzeugte Sinuskurve der Kolbenbewegung durch die Neigung des Pleuels am OT leicht zugespitzt und am UT moderat abgeflacht wird, wodurch der Kolben seine höhere Geschwindigkeit länger beibehält und sie erst nah am UT drosselt, ist beim Ruck-Kurbeltrieb die Kolbenkurve schon direkt am OT stark zugespitzt. Der Kolben kriegt hier einen Ruck (im Sinne der ersten Ableitung der Beschleunigung nach der Zeit). Daher nimmt die Kolbenbeschleunigung hier direkt nach dem Durchqueren des OT rasant zu. Beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor wird sowohl die vollständige Expansion als auch seine erste wichtigste Phase mit den höchsten Temperaturdifferenzen des Arbeitsgases mit den Zylinderwandungen stark beschleunigt. Dies wehrt im Arbeitstakt die gewichtigsten Wärmeverluste ab, wodurch ein außergewöhnlich hoher Spareffekt erreicht wird. (s. Diagramm in
Ein Ruck-Kurbeltrieb-Motor ist im Vergleich zu einer einfacheren Konstruktion des HM mit gleichem Hubraum zweifellos schwerer, aber sogar dann, hat er immer noch ein viel besseres Leistungsgewicht. Den höheren Herstellungskosten pro Erzeugnis eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors stehen niedrigere Herstellungskosten pro kW der Leistung und erhöhte Wirtschaftlichkeit gegenüber. Besonders lukrativ ist ein Ruck-Kurbeltrieb-Motor wegen den von 12 bis 15 Mal niedrigeren NOx-Emissionen und seiner Sparsamkeit. Die Investitionen werden schon in Kürze durch Einsparungen von Treibstoff vollständig gedeckt sein und danach Gewinne abwerfen. Die Ruck-Kurbeltrieb-Motor-Konstruktion zahlt sich sowohl durch Wirtschaftlichkeit als auch durch Umweltfreundlichkeit hochgradig aus.A jerk crank motor is undoubtedly heavier compared to a simpler design of the same capacity HM, but even then, it still has a much better power to weight ratio. The higher manufacturing costs per product of a jerk crank-type engine are offset by lower manufacturing costs per kW of power and increased economy. Particularly lucrative is a jerk crank engine due to the 12 to 15 times lower NOx emissions and its economy. Investments will soon be fully covered by fuel savings and profits will be made. The jerk-crank-motor construction pays off both by economy and by environmental friendliness highly.
Bezugslistenreference lists
Tabellenliste (gesamt 7 Blatt mit 8 Tabellen).Table list (total 7 sheets with 8 tables).
Figurenlistelist of figures
- 1.
1 Ruck-Kurbeltrieb-Motor (Tauchkolben- und Kreuzkopfversion). - 2.
1 -1 Prinzip des Ruck-Kurbeltriebs auf Basis einer Viergelenkkette. - 3.
2 -1 Ruck-Kurbeltrieb-Motor auf Basis eines Kreuzkopfmotors. - 4.
2 -2 Ruck-Kurbeltrieb-Motor auf Basis eines Tauchkolbenmotors. - 5.
3 Kurvenschar der Kolbenbewegung unterschiedlicher Kurbeltriebe. - 6.
4 - a. Stellung φ der Motorkurbelwelle, bei maximaler Expansionsgeschwindigkeit eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit umlaufender Ruckkurbelwelle in Abhängigkeit von der Distanz D bzw. der Länge L seiner Koppel.
- b. Verhältnis der Spitzengeschwindigkeiten der Expansion eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit unterschiedlichen Distanzen zu deren eines HM.
- c. Grad der Abnahme der Wärmeverlusten eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors im Vergleich zu Wärmeverlusten eines HM im Arbeitstakt in Abhängigkeit von seiner Distanz D.
- 7.
5 Funktion der Länge des aktuellen Wirkhebelarms der Motorkurbel für die Pleuelkraft des Ruck-Kurbeltriebs mit umlaufender Ruckkurbelwelle in Abhängigkeit von seiner Distanz.6 Funktion des momentanen Drehmoments im Arbeitstakt von der Stellung der Motorkurbelwelle eines Ruck-Kurbeltriebs mit umlaufender Ruckkurbelwelle bei unterschiedlichen Distanzen. - 8.
7 4-Zylinder Ruck-Kurbeltrieb-V-Motor mit um 180° versetzten Kolbenpaaren mit mittig liegender Motorkurbelwelle. - 9.
8 2-Zylinder Ruck-Kurbeltrieb-Boxermotor mit seitlich von der Kurbeltriebsachse liegender Motorkurbelwelle. - 10.
9 Ruck-Kurbeltrieb-Motor mit Zahnradsynchronisation der Kurbelwellen der Zylinderbänke. - 11.
10 Vorrichtung zum Erzeugen der entgegengesetzter Drehrichtung der Ruckkurbelwelle zur Motorkurbelwelle aus den Entweder-Oder-Punkten (Divergator). - 12.
11 Liniendiagramm des Extrem-Maximums des Übersetzungsverhältnisses beim Ruck-Kurbeltrieb-Motor in Abhängigkeit vom Abstand D zwischen seinen Kurbelwellendrehachsen. - 13.
12 Koppelkurbelgetriebe mit zentrischen Schubkurbeln mit Motorkurbelwellen, die auf der Linie der Zylinderachse liegen. - 14.
13 Koppelkurbelgetriebe mit seitlich zur Zylinderachse versetzten Motorkurbelwellen und Koppelkurbelgetriebe mit elementarer Neigung der Zylinderachse zur Kurbeltriebsachse. - 15.
14 Aufbauprinzip von Mehrzylindermotoren auf Basis der Ruckkurbeltriebe. - 16.
15 Ruckkurbeltrieb mit symmetrisch um seine Kurbeltriebsachse schwingender Ruckkurbel im abgeneigten von der MotorkurbelwelleSektor im Winkel 0<α<360°. - 17.
16 Ruckkurbeltrieb mit symmetrisch um seine Kurbeltriebsachse schwingender Ruckkurbel im zugeneigten zur MotorkurbelwelleSektor im Winkel 0<α<360°. - 18.
17 Mechanismen der asymmetrisch zur Kurbeltriebsachse schwingendenRuckkurbel im Winkel 0<α<180°. - 19.
18 Diagramm einer asymmetrisch zur Kurbeltriebsachse schwingenden Ruckkurbel. - 20.
19 Ruck-Kurbeltrieb-Motor mit geneigter und (oder) versetzter Zylinderachse. - 21.
20 Festgelegte Bezeichnung der Ruck-Kurbeltrieb-Basis-Parameter. - 22.
21 Boxer Ruck-Kurbeltrieb-Motor, Zyklusablauf. - 23.
22 Boxer Ruck-Kurbeltrieb-Motor mit versetzter Zylinderachse, Zyklusablauf. - 24.
23 Mechanismen der asymmetrisch zur Kurbeltriebsachse schwingendenRuckkurbeln im Winkel 0<α<180° mit geneigten und versetzten Zylinderachsen. - 25.
24 Vollständig ausgewuchteter 4-Zylinder-Boxerblock. - 26.
25 Zweizylinder Ruck-Kurbeltrieb-Gegenkolbenmotor. - 27.
26 Achtzylinder H180°- Ruck-Kurbeltrieb-Motor mit verlängerten Radien der Koppelkröpfungen, um 135° geneigter zur Zylinderachse Kurbeltriebsachse, mittig liegender gemeinsamen für zwei Zylinderbänke Motorkurbelwelle.
- 1.
1 Jerk-crank drive motor (plunger and crosshead version). - Second
1 -1 Principle of the jerk crank drive based on a four-bar chain. - Third
2 -1 Jerk-crank drive motor based on a cross-head motor. - 4th
2 -2 Jerk-crank drive motor based on a plunger engine. - 5th
3 Set of curves of the piston movement of different crank mechanisms. - 6th
4 - a. Position φ of the engine crankshaft, at maximum expansion speed of a jerk-crank engine with revolving crank crankshaft as a function of the distance D or the length L of his coupling.
- b. Ratio of the top speeds of the expansion of a jerk-crank engine with different distances to that of a HM.
- c. Degree of decrease in the heat losses of a jerk-crank drive motor compared to heat losses of an HM in the power stroke as a function of its distance D.
- 7th
5 Function of the length of the current effective lever arm of the engine crank for the connecting rod force of the jerk crank mechanism with revolving back-crankshaft as a function of its distance.6 Function of the instantaneous torque in the power stroke from the position of the engine crankshaft of a jerk crank mechanism with rotating crank crankshaft at different distances. - 8th.
7 4-cylinder Jerk-crank-drive V-engine with offset by 180 ° piston pairs with central engine crankshaft. - 9th
8th 2-cylinder jerk-crank boxer engine with engine crankshaft lying laterally from the crankshaft axis. - 10th
9 Jerk-crank drive motor with gear synchronization of the crankshaft of the cylinder banks. - 11th
10 Device for generating the opposite direction of rotation of the crankshaft to the engine crankshaft from the either-or points (divergent). - 12th
11 Line diagram of the extreme maximum of the transmission ratio in the jerk-crank engine as a function of the distance D between its crankshaft axes of rotation. - 13th
12 Coupling crankshaft gears with centric cranks with engine crankshafts, which lie on the line of the cylinder axis. - 14th
13 Coupling crank gear with laterally offset to the cylinder axis engine crankshaft and coupling crank gear with elementary inclination of the cylinder axis to the crank pin axis. - 15th
14 Construction principle of multi-cylinder engines based on the crank-crank mechanisms. - 16th
15 Back-crank drive with symmetrically swiveled crank arm around its crankshaft axis in the angled from the engine crankshaft sector at anangle 0 <α <360 °. - 17th
16 Back-crank drive with crank-arm swinging symmetrically about its crankshaft axis in the inclined to engine crankshaft sector atangle 0 <α <360 °. - 18th
17 Mechanisms of the crankshaft swinging asymmetrically to the crankshaft axis at anangle 0 <α <180 °. - 19th
18 Diagram of an asymmetric swinging crankshaft crank. - 20th
19 Jerk-crank drive motor with inclined and (or) offset cylinder axis. - 21st
20 Fixed name of the jerk-crank-drive-base-parameter. - 22nd
21 Boxer jerk crank drive engine, cycle cycle. - 23rd
22 Boxer jerk-crank drive engine with staggered cylinder axis, cycle cycle. - 24th
23 Mechanisms of the crank crankshaft oscillating asymmetrically to the crankshaft axis at anangle 0 <α <180 ° with inclined and offset cylinder axes. - 25th
24 Fully balanced 4-cylinder boxer block. - 26th
25 Two-cylinder jerk-crank engine piston engine. - 27th
26 Eight-Cylinder H180 ° - Jerk Cranking Motor with extended radii of the coupling offsets, 135 ° inclined to the cylinder axis Cranking Axis, centered common for two cylinder banks engine crankshaft.
Literatur: Literature:
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[1] Autorenkollektiv unter Leitung von Studienrat Dipl.-Päd. Ing.-Ök. Folkmar Kinzer, Wissensspeicher Verbrennungsmotoren, 6. Auflage, transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin
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Prof. Dr.-Ing. Walter Kleinschmidt, Neue Theorie zur Wärmeübertragung in Verbrennungsmotoren, Spektrum der Wissenschaft, Mai 1995, S. 21-30 Prof. Dr.-Ing. Walter Kleinschmidt, New Theory for Heat Transfer in Internal Combustion Engines, Spectrum of Science, May 1995, pp. 21-30 - [6] Wirkungsgrad des Ottomotors, Wirkungsgrad des Dieselmotors, Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, 1999.[6] Efficiency of the gasoline engine, efficiency of the diesel engine, Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, 1999.
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Ruck-Kurbeltrieb, sowie ausgestatteter damit Verbrennungsmotor, Ruck-Kurbeltrieb-Motor.Jerk-crank drive, as well as equipped with it internal combustion engine, jerk-crank drive engine.
Beschreibungsinhaltsverzeichnis:Description of Contents:
- 1.1.
- Einführungintroduction
- 2.Second
- Darstellung des ProblemsRepresentation of the problem
- 3.Third
- Grundgedankebasic idea
- 4.4th
- Lösung des Problemsthe solution of the problem
- 5.5th
- Realisation des Gegenlaufs der Kurbelwellen aus den Entweder-Oder-PunktenRealization of the counterrotation of the crankshafts from the either-or-points
- 6.6th
- Zyklusablauf des Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit rotierender Ruckkurbel (Doppelkurbel)Cycle sequence of the jerk crank motor with rotating crank (double crank)
- 7.7th
- Ruck-Kurbeltrieb mit nicht umlauffähigen Ruckkurbeln (Kurbelschwingen)Jerk crank mechanism with non-rotatable crankshafts (crank rockers)
- 7.17.1
- Kurbelschwingen mit Schwingungswinkeln zwischen 0° und 180°Rocker arms with oscillation angles between 0 ° and 180 °
- 7.27.2
- Kurbelschwingen mit Schwingungswinkeln zwischen 0 und 360°Rocker arms with oscillation angles between 0 and 360 °
- 8.8th.
- Vorteile eines Ruck-Kurbeltrieb-Motors mit rotierender Ruckkurbelwelle im Zyklus im Vergleich zum Basis-HMAdvantages of a jerk crank motor with rotating crankshaft in the cycle compared to the base HM
- 9.9th
- VentilsteuerzeitenValve timing
- 10.10th
- Die Berechnung der Steigerung des Wirkungsgrads des Ruck-Kurbeltrieb-MotorsThe calculation of the increase in the efficiency of the jerk crank engine
- 11.11th
- Berechnung der Leistungssteigerung des Ruck-Kurbeltrieb-MotorsCalculation of the power increase of the jerk crank engine
- 12.12th
- Umweltverträglichkeit und EmissionenEnvironmental compatibility and emissions
- 13.13th
- Ausführungsbeispiele des Ruck-Kurbeltrieb-MotorsEmbodiments of the jerk crank drive motor
- 14.14th
- Gegenkolben Ruck-Kurbeltrieb-MotorOpposite piston jerk crank drive motor
- 15.15th
- Zusätzliche Optimierungsoptionen der Kolbenbewegung eines Ruck-Kurbeltrieb-MotorsAdditional optimization options for the piston movement of a jerk-crank drive motor
- 16.16th
- Wirtschaftlichkeit des Ruck-Kurbeltrieb-MotorsEconomy of the jerk-crank drive engine
- 17.17th
- Bezugslistenreference lists
- 17.117.1
- Tabellenlistetable list
- 17.217.2
- Liste der Zeichnungen und DiagrammenList of drawings and diagrams
- 18.18th
- Literaturliterature
Claims (12)
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