WO2005049990A1 - Hydrofeder für verbrennungskolbenmaschinen aller grössen - Google Patents

Hydrofeder für verbrennungskolbenmaschinen aller grössen Download PDF

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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/22—Internal combustion engines

Definitions

  • Top dead center is the maximum of the quasi-sine movement of the piston.
  • the height of the hurdle is determined by the pressure of the fuel gas mixture.
  • To significantly lower this hurdle it requires a new design of the crank mechanism.
  • the technical solution of the problem is based on the fact that the compressibility coefficient of oil from the lubrication system of the reciprocating engine is large and almost independent of its quality.
  • the hydraulic spring - a few milliliters of oil - is trapped in an axis-parallel blind hole in the connecting rod with a movable pressure piston.
  • this hydraulic spring can be designed according to the size of the engine.
  • the spring stroke is large: Depending on the pressure in the combustion chamber, the maximum sinus height drops to a plateau that can be significantly lower (up to 5 mm), thus increasing the dead volume by up to 100%.
  • the spring travel is greatest.
  • the hydrofoil path follows the gas force on the piston with a minimum time delay, so that for each state of charge of the piston engine, an optimal setting of the flat rising plateau below the TDC is done automatically.
  • Decisive for the dynamics of the Hydrofederpleuel is the time constant of spring force (> 10 4 N) and sprung inertial mass of piston and small connecting rod eye (1 kg).
  • the time constant of the hydraulic spring of ⁇ 10 "3 sec is sufficiently small in order to be able to follow the dynamics of the crank mechanism up to speeds> 6,000 1 / min.
  • the number of advantages for a piston engine equipped with the Hydrofederpleuel is even greater. Lighter, quieter, more powerful, more economical and cleaner are the attributes. Responsible for this are the significantly extended combustion time after a possible very early ignition and the reduction of the peak pressure.
  • the fuel gas mixture expands, whereby the volume work P • V is temporarily stored in the hydraulic spring. Pressure and temperature decrease. The resulting thermodynamic state promotes the exothermic combustion reactions and slows the endothermic.
  • the rapid response of the hydrofeather to the engine dynamics is not tied to the installation in the connecting rod. Rather, the hydraulic spring can be brought into action in other engine components: Preferably in a double piston or in a piston which may be arranged in the cylinder head.
  • the graphic representation of the hydraulic spring shows the figure 1.
  • the large connecting rod 1 remains unchanged in the classical form.
  • the connecting rod 2 mutates in the form of a thick-walled pressure vessel with a bottom and is container for a few ml of motor oil 3, the compressible medium.
  • the hydraulic spring is the construction by the piston 4, which transfers the gas power from the piston via the small connecting rod 5 via the oil to the container bottom.
  • the carrying capacity of the hydraulic spring is large.
  • the shortening of the oil column 3 by about 10% requires a pressure of about 3.5 kbar; At this pressure, a piston 4 of 1 cm 2 cross-section carries a compressive force of 3.5 x 10 4 N (- 3.5 tonnes) so forces in an order of magnitude, which are state of the art in passenger car engines.
  • the sealing element 6 carries an annular seal at the lower end, which corresponds in shape and material of the known technique for high pressures and seals statically.
  • a very small flow of oil flows through the oil film between the piston 4 and the seal, which counteracts the microliter pump formed from the stepped piston 4 and the stepped bore in the sealing element 6.
  • Control channels 7 limit the pumping process and ensure a constant oil level.
  • the maximum distance between the two connecting rods is determined by the adjusting ring 8. About the holes 9 and 10, both the hydraulic spring and the slide of the small connecting rod with the Schmiersvstem the engine is connected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hydrofeder zur Abfederung grosser Kräfte, wie sie z.B. in Verbrennungskolbenmaschinen auftreten, und zur reversiblen Zwischenspeicherung von mechanischer Energie. Anders als bei einer Stahlfeder wird hier das physikalisch-chemische Phänomen der Kompressibilität der Materie (Verkürzung der Atomabstände, geringer Wärmeeffekt) genutzt. Motorenöl als Federmaterial (3) hat einen hinreichend grossen Kompressibilitätsfaktor für den Einsatz in Kolbenmotoren vorzugsweise eingebaut in die Pleuelstange Fig. 1. Im Arbeitshub des Motors, wenn am oberen Totpunkt die Verbrennung einsetzt und der Gasdruck steil ansteigt, spannt die Gaskraft auf den Kolben die Hydrofeder (3, 4) und schafft am OT eine nahezu Verdoppelung des Volumens, wobei Druck und Temperatur sinken. Die freie geleistete Volumenarbeit PV wird reversibel in der Hydrofeder gespeichert und nach OT bei günstigem Kurbelwinkel zurückgeführt. Diese Reaktion ist sehr schnell. Wegen der geringen zeitlichen Verzögerung < 1ms kann das Hydrofederpleuel der Motordynamik mit Drehzahlen über 6.000 1/min folgen. Diese verbesserte Technologie des Kolbenmotors hat mehrere günstige Wirkungen. Die Attribute sind: Leichter, leiser, leistungsstärker, sparsamer und sauberer. Sowohl in Otto- als auch in Dieselmotoren kann das Pleuel gegen ein Hydrofederpleuel ausgetauscht werden.

Description

Beschreibung Hydrofeder für Verbrennungskolbenmaschinen aller Größen
Die Weiterentwicklung der Verbrennungskolbenmaschine in die Richtung eines höheren Wirkungsgrades muss die Hürde nehmen, die die starre Verbindung zwischen der Kurbel und dem Kolben aufstellt. Der obere Totpunkt (OT) ist das Maximum der quasi Sinusbewegung des Kolbens. Die Höhe der Hürde wird durch den Druck des Brenngasgemisches bestimmt. Am oberen Totpunkt werden heute in sehr leistungsstarken Motoren (z.B. 1 ,9 1 4 Zylinder Diesel) Drücke nach der Zündung über 120 bar erreicht, zukünftig werden Drücke für eine weitere Wirkungsgradsteigerung von bis zu 200 bar angestrebt. In Ottomotoren sind die Drücke entsprechend geringer. Was bedeutet: Das Pleuel überträgt während der Kurbeldrehung von 20° vor OT bis 20° danach Kräfte von 6 x 104 N (- 6 Tonnen) auf die Kurbellager verbunden mit hohen Reibungsverlusten und fast ohne Drehmoment. Um diese Hürde deutlich zu erniedrigen, bedarf es einer neuen Konstruktion des Kurbeltriebes.
Es fehlt nicht an Vorschlägen das Sinusmaximum und die damit verbundenen Druckspitzen am OT zu senken. Ein zusätzlich gefederter Kolben im Zylinderkopf vergrößert das Totvolumen druckabhängig (J 0 1 21 60 33 A). Andere Wege gehen die Konstruktionen mit Kniehebeln und mit Doppelkolben (BICERA, DE 1 062 981 von 1959; DE 30 4402 A1 von 1981 ; US 005 755 192 A von 1998). Erfindungsgemäß wird das starre Pleuel durch ein zweiteiliges mit einer Hydrofeder (für hohe Lasten) ersetzt. Allein im Arbeitshub ist die Hydrofeder wirksam: Die Hürde des Sinusmaximums sinkt unter der Wirkung der Gaskraft ohne Zeitverzögerung auf ein breites flach ansteigendes Plateau um OT abhängig vom Ladedruck. Nach dem Einsetzten der Verbrennung steigt der Druck im Brennraum sehr steil an und drückt die Hydrofeder ein, und die geleistete freie Energie wird in der Hydrofeder reversibel zwischengespeichert.
Die technische Lösung der Aufgabe basiert auf der Tatsache, dass der Kompressibilitätskoeffizient von Öl aus dem Schmiersystem des Kolbenmotors groß ist und nahezu unabhängig von dessen Qualität. Die Hydrofeder - einige Milliliter Öl - ist in einer achsenparallelen Sacklochbohrung in der Pleuelstange mit einem beweglichen Druckkolben eingeschlossen. Durch konstruktive Vorgaben von Olvolumen und Durchmesser des Druckkolbens kann diese Hydrofeder der Motorgröße entsprechend ausgelegt werden. Zur Beherrschung der hohen Drücke (einige kbar) kann vorteilhaft das Olvolumen auf mehrere Bohrungen von kleinem Durchmesser verteilt werden. Der Federhub ist groß: Das Sinusmaximum sinkt abhängig vom Druck im Brennraum auf ein Plateau, das deutlich (bis 5 mm) darunter liegen kann und damit das Totvolumen bis zu 100 % vergrößert. Bei Volllast z.B. mit Ladeluftverdichtung ist der Federweg am größten. In nahezu linearer Funktion folgt der Hydrofederweg der Gaskraft auf den Kolben mit einer minimalen Zeitverzögerung, so dass für jeden Ladezustand der Kolbenmaschine eine optimale Einstellung des flach ansteigenden Plateaus unterhalb des OT selbsttätig erfolgt. Maßgebend für die Dynamik des Hydrofederpleuel ist die Zeitkonstante aus Federkraft (> 104 N) und gefederter Trägheitsmasse von Kolben und kleinem Pleuelauge (1 kg). Die Zeitkonstante der Hydrofeder von < 10"3 sec ist hinreichend klein, um der Dynamik des Kurbeltriebes bis zu Drehzahlen > 6.000 1/min folgen zu können.
Für die Einhaltung des Kompressionsverhältnisses wird die Hydrofeder vorgespannt, z.B. mit einigen 104 N, und wird verrastet. Außer Betrieb bleibt die Vorspannung über Jahre erhalten. Das wird möglich durch die Anwendung der bekannten Dichtungstechnik für Hochdruck. Geringe Verluste an Öl im Dauerbetrieb ersetzt eine selbsttätig wirkende Mikroliter - Pumpe. Erfindungsgemäß wird ein weiteres Verfahren vorgeschlagen: Man nutzt die Hydrofeder bereits zum Aufbau des Kompressionsdruckes. Die Gaskraft auf die sich spannende Hydrofeder stellt das Totvolumen selbsttätig ein, wobei ein Teil des Aufwandes an Freier Energie für die Kompression reversibel in der Hydrofeder gespeichert wird. Für diese Betriebsart ist eine verlängerte Pleuelstange erforderlich.
Die Anzahl der Vorteile für eine Kolbenmaschine ausgerüstet mit dem Hydrofederpleuel ist noch deutlich größer. Leichter, leiser, leistungsstärker, sparsamer und sauberer lauten die Attribute. Verantwortlich dafür sind die deutlich verlängerte Verbrennungszeit nach einer möglichen sehr frühzeitigen Zündung und die Senkung des Spitzendruckes. Während der Verbrennung um OT expandiert das Brenngasgemisch, wobei die Volumenarbeit P • V in der Hydrofeder kurzzeitig gespeichert wird. Druck und Temperatur nehmen ab. Der damit erreichte thermodynamische Zustand fördert die exothermen Verbrennungsreaktionen und bremst die endothermen. Die schnelle Reaktion der Hydrofeder auf die Motordynamik ist nicht gebunden an den Einbau in das Pleuel. Vielmehr kann die Hydrofeder auch in anderen Motorbauteilen zur Wirkung gebracht werden: Vorzugsweise in einem Doppelkolben oder in einem Kolben, der im Zylinderkopf angeordnet sein kann.
Die grafische Darstellung der Hydrofeder zeigt die Figur 1. Das große Pleuelauge 1 bleibt in der klassischen Form unverändert. Die Pleuelstange 2 mutiert in die Form eines dickwandigen Druckbehälters mit einem Boden und ist Behälter für wenige ml Motorenöl 3, das kompressible Medium. Zur Hydrofeder wird die Konstruktion durch den Kolben 4, der die Gaskraft vom Kolben über das kleine Pleuelauge 5 über das Öl auf den Behälterboden überträgt. Die Tragfähigkeit der Hydrofeder ist groß. Die Verkürzung der Ölsäule 3 um ca. 10 % erfordert einen Druck von ca. 3.5 kbar; bei diesem Druck trägt ein Kolben 4 von 1 cm2 Querschnitt eine Druckkraft von 3.5 x 104 N (- 3.5 Tonnen) also Kräfte in einer Größenordnung, die in PKW - Motoren Stand der Technik sind.
Das Dichtelement 6 trägt eine ringförmige Dichtung am unteren Ende, die in Form und Werkstoff der bekannten Technik für hohe Drücke entspricht und statisch dichtet. Im dynamischen Betrieb fließt via Ölfilm zwischen dem Kolben 4 und der Dichtung ein sehr kleiner Ölstrom, dem die Mikroliterpumpe gebildet aus dem Stufenkolben 4 und der Stufenbohrung in dem Dichtelement 6 entgegenwirkt. Steuerkanäle 7 begrenzen den Pumpvorgang und sorgen für ein konstantes Ölniveau. Dieses Detail zeigt die Figur 1a in vergrößerter Darstellung. Der maximale Abstand zwischen den beiden Pleuelaugen wird durch den Stellring 8 festgelegt. Über die Bohrungen 9 und 10 ist sowohl die Hydrofeder als auch die Gleitführung des kleinen Pleuelauges mit dem Schmiersvstem des Motors verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Hydrofeder für Verbrennungskolbenmaschinen zur schnellen Abfederung der hohen mechanischen Kräfte im Kurbeltrieb und der damit verbundenen Speicherung der Volumenarbeit insbesondere am oberen Totpunkt des Arbeitshubes dadurch gekennzeichnet, dass ein beweglicher Druckkolben 4 mechanische Kräfte auf das in einem Volumen eingeschlossene flüssige Medium Öl 3 überträgt
2. Hydrofeder nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement in die Pleuelstange Fig. 1 integriert ist und mit Öl vorzugsweise Motorenöl gefüllt ist
3. Hydrofeder nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement entweder in einen Doppelkolben oder in einen separaten und beweglichen Kolben im Zylinderkopf eingebracht ist
4. Hydrofeder nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkolben 4 als Stufenkolben in Kombination mit einer Stufenbohrung in 6 und den Steuerkanälen 7 eine Mikroliterpumpe bildet, die geringfügige Ölverluste im Betrieb kompensiert. Die Dichtung um den Hochdruckkolben bildet zugleich das Rückschlagventil zur Mikroliterpumpe
5. Hydrofeder nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass aus Gründen der Festigkeit des Werkstoffes das Olvolumen auf mehrere Kanäle verteilt wird, die vor dem Druckkolben 4 zusammenlaufen
6. Hydrofeder nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass diese Feder mit einer sehr hohen mechanischen Lebensdauer und Tragfähigkeit in vielen Applikationen als Schwerlastfeder angewendet werden kann
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