zurückgezogen : denn das wäre ja
totaler Quatsch gewesen...
wenn man es genau anschaut, entsteht ein leerlauf
Aufbauprinzip eines Motors
B e s c h r e i b u n g :
Die Erfindung betrifft ein Aufbauprinzip eines Motors, das den Wirkungsgrad eines Motores deutlich verbessern soll und gleichzeitig das Gewicht eines Motores verringern soll.
Stand der Technik:
Beim aktuellen Stand der Technik sind im Kraftfahrzeugbereich nahezu ausschliesslich Motoren mit linearer Kolbenbewegung im Einsatz. Alternativ gibt es die Anwendung von sogenannten Wankel-Motoren, deren Kolben sich exzentrisch gelagert in einem komplexen Bewegungsraum bewegt.
Der Nachteil des Wankelmotores ist die stark eingeschränkte Drehzahl aufgrund der exzentrischen Lagerung und der relativ komplexe Aufbau und Verlauf während eines Aktionszykluses. Der Einsatz des Wankelmotores hat sich im Alltag nicht bewährt und ist deshalb kaum noch im Einsatz.
Der wesentliche Nachteil eines linearen Kolbenmotores ist wiederum der eingeschränkte Wirkungsgrad und die enormen Kräfte die zum Bremsen und Beschleunigen der Kolben nötig sind.
Normale Kolbenmotoren bewegen einen Kolben in einer linearen Bewegungsbahn in einem geschlossenen Zylinder in einer Auf- und Abbewegung. Die Auf- und Abbewegung wird über ein Rotationsgestänge in eine Kreisbewegung umgeformt.
Ausgangspunkt bei einem Kolbenmotor ist eine Zustand, bei dem der Kolben sich im oberen Bereich des Zylinders mit geringem Restvolumen zwischen Kolbendecke und Zylinderdecke befindet. Im Restvolumen wird ein Kraftstoff-Sauerstoff-Gemisch gezündet, was zur Folge hat, dass aufgrund der raschen Expansion des Gases (ca 200%für Benzine) der Kolben von der festen Zylinderdecke abgestossen wird, da er der einzige bewegliche Körper ist. Nach maximaler Entfernung von der Zylinderdecke wird die Bewegungsenergie durch das Kurbelgestänge umständlich von einer linearen Bewegung in eine Kreisbewegung umgesetzt und der Kolben dabei in seiner Bewegung komplett umgedreht. Dabei wird die lineare Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie des Antriebes und in die restliche Bewegungsenergie des Kolbens mit umgekehrtem Vorzeichen aufteilt.
Problem:
Durch die Umsetzung der linearen, zyklischen Bewegung des Kolbens in eine kreisförmige Bewegung der direktverbundenen Kurbelwelle geht sehr viel Energie verlohren.
Aufgabe:
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde mit einem neuen Aufbauprinzip eines Motores einen besseren Wirkungsgrad eines Motores zu erreichen, wobei die verlustreiche Umsetzung der linearen Kolbenbewegung in eine axiale Rotationsbewegung entfallen soll.
Lösung:
Grundlegend ist die Frage warum sich beim Aufbau eines Motores der Kolben in einer anderen Bewegungsbahn befindet, als die Rotationsebene die er antreiben soll. In der Natur würde dieses als Verschwendung angesehen werden. In der Mechanik ist dieses aber der einfachste Aufbau, um einen Raum zu komprimieren und dekomprimieren und vor allem: einen massiven Gegenstand durch eine Gasexplosion von einem fixierten Punkt aus zyklisch wiederholbar zu beschleunigen.
Der erste Ansatz der Erfindung ist das angestrebte Ziel, den Kolben nicht in einer linearen Laufbahn zu belassen, sondern die Kolbenbewegung in die Rotationsbewegung der Achse zu biegen. Daduch kreist der Kolben um die Rotationsachse des Antriebes. Jetzt stellt sich aber das Problem, dass eine Gasexplosion vor der Kolbendecke sich nur gegen den Kolben und die Zylinderwand richten kann. Es besteht also keine abstossende Kraft die den Kolben bewegt.
Der zweite Schritt der Erfindung ist es, den Raum gegenüber dem Kolbendeckel zeitweise zu fixieren. Dieser Schritt wird ausgeführt, indem eine Stosswand zum Zeitpunkt der Explosion gegen den Kolben gestellt wird. Da der Kolben eine Rotationsbewegung ausführt, muss diese Wand auch zyklisch entfernt und wieder eingebracht werden. Der Stosswand beschreibt also ebenfalls eine Rotationsbewegung und wird deshalb in einem Zylinder aufgebaut, der sich möglichst maximal überschneidet.
(siehe Abbildung1: Basisaufbau Rotationskolben und Stosswand)
Die zwei Rotationskörper sind mit einer 1 zu 1 Umsetzung der Drehzahl aber in umgekehrtem Richtungssinn verbunden, was nicht in der Abbildung eingezeichnet ist. Die Verbindung kann über Zahnräder erfolgen
Wird nun der Rotationskolben von der Stosswand wegbeschleunigt, so bleibt dennoch der Raum der Expansion geschlossen, da sich der Rotationskolben und Stosskörper ständig gegenseitig berühren. Der Stosskörper muss hierbei in seiner Nachlauffläche erweitert werden, damit der Raum geschlossen bleibt. Die Nachlauffläche wird zunächst mit 45° angenommen.
(siehe Abbildung 2 und Abbildung 3 sowie Abbildung 4: 1/8 bis 3/8)
Nach der Expansion kann das verbrauchte Gas durch eine Abluftöffnung abgeführt werden.
(siehe Abbildung 5: Zustand 4/8 bis 6/8)
Die Bewegungsenergie des Rotationskolbens sowie die restliche Expansion des Gases treibt den Kolben weiter, bis er nach eine einer kompletten Umdrehung wieder den Zustand 1/8 der Startposition erreicht.
(siehe Abbildung 4: Zustand 6/8 bis 8/8 und 1/8)
Während der gesamten Bewegung kann durch eine geschickte Plazierung des Einlassbereiches eine ungestörte Zufuhr von Luft erfolgen.
(siehe Abbildung 5 : Zustand 4/8 bis 8/8)
Oberflächenverlauf der Rotationskörper: die Abbildungen sind nur grobe funktionserläuternde Schemata. Der exakte Oberflächenverlauf der Rotationskörper muss im Detail angepasst und optimert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die beiden Körper während der Expansionsphase einen geschlossenen Körper mit der Zylinderwand bilden und während einer ganzen Umdrehung sich wiederum nicht gegenseitig überschneidend behindern. Problematisch sind hierbei die Phasen 2/8+3/8 und 7/8+8/8 nach Abbildung 4.
In diesen kritischen Bewegungsphasen ist auf eine optimale Formgebung beider Rotationskörper zu achten.
Bestehende Ähnlichkeiten:
Der Aufbau und Rotationsverlauf ähnelt in grober Weise einem Roots-Verdichter der Daimler-Motoren-Gesellschaft aus den Jahren 1920/21 sowie dem Halbwalzengebläse der Firma Wankel R&D GmbH. Dabei führen ebenfalls zwei Rotationskörper in sich überschneidenen Bewegungsräumen einen fliessenden Rotationsverlauf durch.
(siehe: Quelle 1)
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich aber dadurch, dass die Form des einen Rotationskörper eine begrenzende, statisch erscheinende Wand erzeugt, die zugleich mit der Zylinderwand und dem rotierenden Kolbenkörper einen geschlossenen Raum erzeugt. Dieser Raum wird mit Kraftstoff und Luft gefüllt. Eine Gasexpansion in diesem Raum kann nur durch das Wegdrücken des anderen Rotationskörpers erfolgen. Es ist also wichtig, die fließende Oberflächenform beider Körper so anzupassen, dass für gewünschte Zeiten-/Zustandsverläufe entsprechende geschlossene oder geöffnete Rauminhalte entstehen. Die grobe funktionelle Formgebung wird aber in Abbildung 1 und erweitert in Abbildung 2 und 3 erläutert. Die Abbildung 4 und 5 zeigen zwei grob optimierte Rotationskörper schon mit der Berücksichtigung von Gegengewichten und Abrundung des Stossblattes aufgrund der beschneidenden Berührung mit der Rotationskolben-Erweiterung (Zustand 2/8).
Durch aufweisen eines Gegengewichtes kann der Rotationsschwerpunkt in der Mitte gehalten werden und somit Unwuchten vermieden werden.
Reibungs- und Dichtungsoptimierung: Es empfiehlt sich, den kritischen Ablauf beider Rotationskörper im Randbereich durch gefederte Rollenlager zu verbessern, da hierdurch der Reibungsverlust verringert wird und zugleich eine bessere Dichtung erreicht werden kann.
(siehe Abbildung 6). Die einfachste Optimierung kann in dem rotierenden Kolbenelement stattfinden.
Abwandlungen: Am Sinnvollsten ist es, die zwei Zahnräder über zwei stirnseitige Zahnräder mit dem halben Durchmesser auf das Verhältnis 1:1 zu syncronisieren. Wird diese Syncronisation aber mit Nockenscheiben oder sogar mit komplexen Scheibenformen durchgeführt, ändert sich eventuell auch die Form des Stossblattes und des Rotationskolbens.
Dimensionierung: Ähnlich der Dimensionierung eines LinearKolbens kann der Radialkolben in seiner Zylinderlänge und seinem Zylinderdurchmesser geändert werden. Da hier aber kein begrenzendes Umsetzgestänge vorhanden ist, kann der Zylinder extrem lang gezogen werden.
Wird der Zylinder dabei in mehrere Abschnitte mit einfachen Trennwänden parallel zur Bewegungsrichtung unterteilt, können sogar während dem Betrieb einige Teilabschnitte aktiv oder passiv geschaltet werden und somit im Fahrbetrieb skaliert werden. Die Rotationsenergie bleibt hierbei erhalten.
Erweiterungen der Anzahl: Aufgrund des symmetrischen Aufbaus des Rotationskolbenzylinders und des Stossblattzylinders kann auf der gegenüberliegenden Seite des Stossblattzylinders ebenfalls ein Rotationskolbenzylinder platziert werden. Dieser Zylinder dreht dann in die gleiche Richtung wie der erste Rotationszylinder.
Erwartete Vorteile:
Durch die Optimierung der Bewegungsbahn entfällt der Leistungsverlust, der durch die Brems- und Beschleunigungsmomente bei normalen Kolbenmotoren entsteht. Da mit der vorliegenden Erfindung auch die Fliehkräfte und Torsionskräfte reduziert werden, kann auch das einfassende Gehäuse in der Masse verringert werden.
Da die Rotationskörper zentrisch gelagert sind und der Rotationsschwerpunkt mit Gegengewichten ausgeglichen werden, können mit diesem Motor auch hohe Drehzahlen erreicht werden.
Ist der Motor einmal beschleunigt, entwickelt die rotierende Masse eine erhaltende, eigene Rotationsenergie, die sich wesentlich stabiler verhält bei Leistungsschwankungen während des Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges als lineare Umkehrsysteme.
Durch die immensen Fliehkräfte während der Rotationen wird der Rotationskolben tendenziell gegen die Zylinderwand gepresst, sodass sich hierdurch Undichtigkeiten reduzieren. Dichtigkeit des Volumens spielt hauptsächlich im Expansionsraum eine Rolle, der wiederum einen durchgehend geschlossenen Raum während der Expansion darstellt.
Durch eine geschickte Platzierung des Einlass und Auslassbereiches kann eventuell die übliche Anwendung von Ein- und Auslassventilen entfallen, was wiederum eine deutliche Entlastung des Motors und dessen Reibungsverlusten zur Folge hätte.
Zusammenfassend kann also der effektive Wirkungsgrad des Motors erhöht werden und dabei auch noch die Masse reduziert werden. Beide Verbesserungen führen wiederum zu einer deutlichen Verringerung des Kraftstoffverbrauches und somit gerade in Zeiten des voranschreitenden Treibhauseffektes zu einer Verringerung des Treibhauseffektes durch den geringerem Ausstoß von Treibhausgasen.
Anwendungsbereiche:
Die vorliegende Erfindung kann auf alle Motoren und Antriebe angewandt werden, die mit handelsüblichen Kraftstoffen angetrieben werden. Die Erfindung soll vorallem bei Kraftfahrzeugen angewandt werden, um den Ausstoss von Treibhausgasen zu reduzieren.
Quellen:
vdi-verlag, Ein Jahrhundert der Automobiltechnik, Seite 290, ISBN: 3-18-400620-4
Zeichnungen:
Abbildung1: Basisaufbau Rotationskolben und Stosswand
Abbildung2: Erweiterung des Stossblattes in der Expansionsphase
Abbildung3: Erweiterung des Kolbens in der Expansionsphase
Abbildung 4: Zustandsbilder einer Rotation
Abbildung 5: Flussbilder der Gasströme
Abbildung 6: Dichtungs und Reibungsoptimierung durch Rollenlager