urbelwellenaπordnung '

Die Doppelkurbelwelle ist eine Vorrichtung, mit deren Hilfe - die geradlinige Bewegung eines Kolbens in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Bei gegenwärtig verwendeten Kolbenmotoren (Verbrennungsmotoren) wird hierzu die "Einfache Kurbelwelle" verwendet. Die Auf- und Abbewegung des Kolbens wird von der Kurbelwelle gesteuert, die Bewegung des Kolbens in dem Zylin¬ der entspricht einer einfachen Winkelfunktion.

Die Doppelkurbelwelle wurde entwickelt, um einen anderen Ab¬ lauf der Kolbenbewegung zu bewirken mit dem Ziel, eine ver¬ besserte Verbrennung beim Verbrennungsmotor verbunden mit ei¬ nem höheren Drehmoment zu erreichen.

Zu diesem Zweck wurde zwischen dem Exzenter der Kurbelwelle und dem Pleuellager ein Hebel eingeführt, der um das Lager auf dem Exzenter der Kurbelwelle umläuft und dessen Bewegung mit der Drehung der Kurbelwelle gekoppelt ist.

Diese Kopplung kann gleich- oder gegenläufig zur Kurbelwel- lendrehrichtung erfolgen. Es ist ein unterschiedliches Unter¬ setzungsverhältnis möglich und zwischen den Bewegungen kann eine Phasenverschiebung gegeben sein.

Bei einem Motor dieser Bauart ist das Zwischenstück, das zwi¬ schen Kurbelwelle und Pleuel geschaltet ist, durch eine me¬ chanische Koppelung (z.B. Zahnradgetriebe) von der Kurbelwel¬ le zwangsgeführt. Dabei laufen die Kurbelwelle und das Zwi¬ schenstück mit den Winkelgeschwindigkeiten Omega 1 und Omega 2 gleich oder entgegengerichtet um und sind dabei um den Pha¬ senwinkel ny gegeneinander verschoben.

Fig. 1 zeirt schematisch die Anordnung.

Je nach Wahl der Kurbelwellenexzentrizität r _x und der Länge des Zwischenstücks r ₂ , sowie der Wahl der Winkelgeschwindig¬ keiten und der Phasenverschiebung ny verändert sich der Ver¬ lauf des Kolbenhubs über dem Kurbelwinkel.

ERSATZBLATT

Bei geschickter Wahl der Parameter ist es möglich, den Kolben so zu steuern, daß er etwas länger im oberen Totpunkt stehen bleibt. Dadurch ließe sich ein besserer Verbrennungsablauf und damit ein höheres Drehmoment erzielen.

Es galt nun herauszufinden, ob es einen oder mehrere solcher Kurbeltriebkonfigurationen gibt, die einen flachen Verlauf des Kolbenhubs im oberen Totpunkt besitzen und für welche Pa¬ rameterwerte dies dann zutrifft.

Fig. 2 zeigt qualitativ einen solchen gewünschten Kolbenver¬ lauf über dem Kurbelwinkel.

Weiterhin ist von grundsätzlichem Interesse, wie sich die Stellung von Kurbelwelle und Zwischenstück auf das Drehmoment auswirken. Dazu wird der Motor in der wichtigen Expansions¬ phase betrachtet. Um das Verhalten dieser geänderten Motor¬ bauart dort abzuschätzen zu können, wird dieser mit einem Mo¬ tor mit herkömmlicher Bauart des Kurbeltriebs aber gleichem Hub-/Bohrungsverhältnis verglichen. Als Vergleichsprozesse dienen die Idealprozesse von Otto und Seiliger, wobei für beide Motoren die Annahme getroffen wird, daß die Energiezu¬ fuhr gleich groß ist.

Um den geänderten Motor mit einem normalen Motor vergleichen zu können, müssen von beiden sowohl die Formeln für die Kol¬ benstellung als auch für das Drehmoment als Funktionen des Kurbelwinkels bekannt sein.

Für den geänderten Motor gilt:

Kolbens eilung y (Fig. 3)

y = r _x * cos(phi) + r _a * cos(psi) + r, * cos(beta) = y(phi) Um eine Funktion zu erhalten, die nur von phi abhängig ist muß beta eliminiert werden.

ERSATZBLATT

Es gilt : r ₃ * sin ( beta ) = r _x * sin ( phi ) + r ₂ * sin ( psi ) => sin ( beta ) =

( r _x * sin ( phi ) + r ₂ * sin ( psi ) ) /r,

Weiterhin gilt: cos(beta) = 1 l-(sin(beta) )* ^*

Wird der Sinus eingesetzt so folgt damit; cos(beta) = -J l-( (r _x * sin(phi) + r ₂ * sin(psi) )/r ₃ ) * ^*

Damit folgt die Kolbenstellung über dem Kurbelwinkel y zu: y = r _x * cos(phi) + r ₂ * cos(psi) + r ₃ * -J l-( (r _x * sin(phi) + r ₂ * sin(psi) )/r ₃ ) ² = y(phi)

Der Kolbenhub errechnet sich aus den Extremwerten der Kolben¬ stellung zu:

Diese Werte werden im Programm in einer Schleife, die mit ei¬ ner Schrittweite von 0.01° Kurbelwinkel arbeitet ausreichend genau ermittelt.

Drehmoment des geänderten Motors (Fig. 4)

Das Drehmoment ergibt sich zu Kraft x Hebelarm. Dazu wird von der auf den Kolben wirkenden Gaskraft die in Pleuelachse wir¬ kende Komponente ermittelt und mit dem für diese Kraft wir¬ kenden Hebelarm zur Kurbelwelle multipliziert.

Zur Vereinfachung wird die Kraft in x- und y-Richtung zerlegt und die Hebelarme parallel zu den Achsen genommen, so daß sich das Gesamtmoment aus zwei Anteilen zusammensetzt.

Der im Verbrennungsraum herrschende Druck p(phi) wird über die Formeln des idealen Kreisprozesses nach Seiliger errech¬ net.

ER _S ATZBLATT

A

S _x = S * sin(beta) = F/cos(beta) * sin(beta) = F * tan(beta) S _y = S * cos(beta) = F/cos(beta) * cos(beta) = F mit Gaskraft F = p(phi) * A ^* ■ ^* - p(phi) * d ² * pi / 4

Das Moment M _d um die Kurbelwelle ergibt sich also zu:

eingesetzt ergibt sich: _d = F *** tan(beta) * (r * cos(phi) + r ₂ * cos(psi)) + F *

(r _x * sin(phi) + r ₂ * sin(psi))

Jetzt muß man nur noch beta durch phi ausdrücken: tan(beta) = sin(beta) / cos(beta)

= sin(beta) / 4_ l-(sin(beta) ) ²

mithin gilt sin(beta) ^**** ■ (r _t * sin(phi) + r ₂ * sin(psi))/r ₃

r _x * sin(phi) + ₂ * sin(psi) => tan(beta) = r ₃ * -/ l-( F[ * sin(phi)+ r ₂ * sin(psi) )/r ₃ )

Damit läßt sich nun M _d als Funktion von phi ausdrücken: M _« , = S _x * y + S _y * x

= p(phi) * A * (r _x * sin(phi) + r ₂ * sin(psi)) *

, r, * cos(phi) + r ² * cos(psi) . r ₃ * 1/ l-( ( ^" r * sin(phi) + r ₂ * sin(psi) ) /r ₃ ) ^z

Analog wird für den Motor herkömmlicher Bauart gerechnet:

Kolbenstellung y (Fig. 5)

Als Annahme gilt hier, daß der Motor den gleichen Kolbenhub aufweist wie der geänderte Motor um sinnvolle Vergleiche der beiden Motoren in der Expansionsphase zu ermöglichen. Das Verhältnis r/L sei mit 0.30 angenommen. Damit ergibt sich die Kurbelwellenexzentrizität r zu:

ERSATZBLATT

r = -< / 2 . = ( y _{m J χ} - y _{m i n} ) / 2 . y = r * cos ( phi ) + L * cos ( beta ) = y ( phi )

Um eine Funktion zu erhalten, die nur von phi abhängig ist muß beta eliminiert werden.

Es gilt:

L * sin(beta) = r * sin(phi)

•=> sin(beta) = r * sin(phi) / L

Weiterhin .gilt: cos(beta) = 1 l-(sin(beta) ) ²

Daraus folgt durch Einsetzen des Sinus(beta) die Kurbelstel¬ lung über dem Kurbelwinkel : y = r * cos(phi) + L * •/ l-(r * sin(phi) / L) ²

Drehmoment des normalen Motors (Fig. 6)

S _x = S * sin(beta) = F/cos(beta) * sin(beta) = F * tan(beta) S _y = S * cos(beta) = F/cos(beta) * cos(beta) = F mit Gaskraft F = p(phi) * A = p(phi) * d ² * pi / 4

Das Moment M _d um die Kurbelwelle ergibt sich also zu: M _d = S _x * y + S _y * x-

eingesetzt ergibt sich:

M _d = F * tan(beta) * r * cos(phi) + F * r * sin(phi }

Jetzt muß man nur noch beta durch phi ausdrücken: tan(beta) = sin(beta) / cos(beta)

= sin(beta) / • ^■ / l-(sin(beta) )

mithin gilt ssiinn((bbeettaa)) == r * sin(phi) / L r * sin(phi) = > tan(beta) •*■ ^* •

L * l-(r * sin(phi) / L) ²

ER _S A _T ZBLATT

Damit läßt sich nun M _d als Funktion von phi ausdrücken: _d ■» S _x * y + S„ *

= p(phi) * A * r * sin(phi) *

,

Bahnkurve des Gelenks zwischen Zwischenstück und Pleuel (Fig. 7)

Um die Bahn des Zwischengelenks im Kurbelgehäuse am Bild¬ schirm darstellen zu können wird der Bahnvektor bestimmt r _x (phi) •= r _x * sin(phi) + r ₂ * sin(psi) r _y (phi) = r _x * cos(phi) + r ₂ * cos(psi)

Daraus folgt die Länge des Vektors zu: r(phi) = r _x ² + r y,,

Formeln und Annahmen zum Motorvergleichsprozeß

Um Aussagen über die beiden Motorversionen in der Expansions¬ phase machen zu können, ist es notwendig den Druckverlauf bei der Verbrennung und der anschließenden Entspannung zu kennen. Da dies aber nur über ein Indikatordiagramm beim gebauten Mo¬ tor genau möglich ist, müssen hier vereinfachende Annahmen getroffen werden.

Als Vergleichsprozeß dient ein Idealprozeß nach Otto bzw. Seiliger. Für den gewöhnlichen Motor wird der Druckverlauf nach Otto berechnet (Gleichdruckprozeß) mit der Annahme schlagartiger isochorer Wärmezufuhr im oberen Totpunkt und anschließender adiabater Entspannung. Der Kraftstoff wird durch ein ideales Gas mit kappa = 1.4 ersetzt. Dabei wird vor der Verdichtung Raumtemperatur von 20° Celsius und ein Druck von 1.0 bar angenommen. Die zugeführte Energiemenge des Kraftstoffes wird anhand des Druckanstiegs auf maximalen Gas¬ druck errechnet. Der Anwender gibt dazu einen maximalen Ver-

E _R S _A TZBLATT

brennungsdruck ein. Die errechnete Energiemenge (im Idealpro-, zeß Wärmemenge genannt) bleibt für den geänderten Motor gleich.

Um den vermutlich besseren Verbrennungsablauf durch den nahe¬ zu Stillstand des kolbens im oberen Totpunkt zu berücksichti¬ gen, wird angenommen, daß der Druck anstatt abzufallen solan¬ ge konstant bleibt, bis der Kolben wieder einen gewissen Weg nach unten zurückgelegt hat. Als Vergleichsprozeß wird dazu der Seiligerprozeß verwendet, wobei die Wärmemenge sowohl isochor als auch isobar zugeführt wird, bevor die adiabate Entspannung eintritt.

Da die zugeführte Wärmemenge der des normalen Motors gleich ist, wird der Maximaldruck im geänderten Motor stark davon bestimmt, wo man die Schranke für die Kolbenbewegung, ab dem oberen Totpunkt, nach unten setzt. Aus diesem Grunde wurde eine kolbenbewegung von 1.5 mm nach unten als ausreichend an¬ gesehen, da das dann erzeugte Volumen sehr klein ist und in grober Näherung die Annahme eines konstanten Drucks erlaubt. Eine Vergrößerung dieses Wertes erscheint nicht sinnvoll, da sich der Kolben dann zu weit nach unten bewegt und ein kon¬ stanter Druck dann nicht mehr anzunehmen ist. Eine ver¬ schleppte Verbrennung ist ohnehin von Nachteil.

Zweifelsohne bringt eine Rechnung nach dem Ottoprozeß für den geänderten Motor einen höheren Verbrennungsdruck und damit ein höheres Drehmoment, aber eine zu erwartende vollständige Verbrennung läßt sich damit aufgrund der extrem kurzen Ener¬ giezufuhrzeit noch weniger erfassen.

Die kennzeichnenden Parameter für den Motor mit Doppelkurbel¬ welle sind:

- Kurbelwellenexzentrizität

- Zwischenstangenlänge

ERSATZBLATT

- Länge der Pleuelstange

- Kopplung der U laufrichtung von Zwischenstange und Kurbel¬ welle

- Phasenverschiebung zwischen der Drehung der Kurbelwelle und der Zwischenstange

Es gibt nur für eine genau berechenbare Konfiguration dieser Parameter einen flachen Verlauf der Kolbenbewegung in der des oberen Totpunktes.

Zunächst muß die Zwischenstange gegenläufig zur Kurbelwelle umlaufen. Insbesondere ergibt sich für ein bestimmtes Stan¬ genverhältnis L, das das Verhältnis von Kurbelwellenexzenter- länge plus Zwischenstangenlänge zur Länge der Pleuelstange ist, ein ganz bestimmter Wert der Phasenverschiebung zwischen der Drehbewegung der Kurbelwelle und der Drehbewegung der Zwischenstange, wenn man einen flachen Verlauf der Kolbenbe¬ wegung in der Nähe des oberen Totpunktes wünscht. Außerdem hat sich gezeigt, daß für Verbrennungsmotoren nur eine Kopp¬ lung von 1:1 zwischen der Kurbelwellendrehung und der Drehung der Zwischenstange in Frage kommt .

Weiterhin wurde festgestellt, daß das aktuelle Drehmoment über dem Kurbelwinkel in der Expansionsphase des geänderten Motors erheblich über dem des vergleichbaren normalen Motors liegt. Vorteilhaft ist dabei, daß der maximale Hebelarm schon kurz nach der Stellung im oberen Totpunkt zur Verfügung steht. Nachteilig ist der Nulldurchgang der Momentenkennlinie über dem Kurbelwinkel noch in der Expansionsphase. Dieser dürfte sich aber nicht mehr allzu stark auswirken, da der Ex¬ pansionsdruck dort schon auf etwa ein Viertel seines Aus¬ gangswertes abgesunken ist. Für den Momentenverlauf ist eben¬ falls eine Abhängigkeit vom Schubstangenverhältnis erkennbar. Je größer dieses gewählt wird desto geringer werden die Un¬ terschiede der maximalen Momente der beiden vergleichbaren Motorversionen.

_ER SATZBLATT

Für konstruktive Ausführungen ergeben sich neben den _. Ein¬ schränkungen in der Wahl der Längen r _x und r ₂ , diese vor al¬ lem bezüglich der Umlaufrichtung und der Winkelgeschwindig¬ keiten von Kurbel und Zwischenstück.

Das erheblich höhere Moment des geänderten Motors kann aber auch dann noch abgenommen werden, wenn konstruktive Maßnahmen einen idealen Kurbeltrieb mit gleichen Längen von r _x und r ₂ nicht zulassen. Bei geringen Abweichungen der beiden Längen ist zwar kein flacher Verlauf des Kolbens im oberen Totpunkt mehr möglich, aber das Drehmoment bleibt dennoch höher. Das folgende Bild zeigt qualitativ einen Momentenverlauf für gleiche Längen von Kurbelwellenexzentrizität und Zwischen¬ stange r _x = r ₂ = 35.0 mm Gegenlauf, Verdichtungsverhältnis = 9.0, Maximaldruck = 55.0 bar.

Weiterhin ist zu bemerken, daß eine Vergrößerung der Längen r _x und r ₂ zwar auch erheblich mehr Bauraum im Kurbelgehäuse beanspruchen, daß aber gleichzeitig das Moment aufgrund der größeren Hebelarme erheblich anwächst und die Differenz der Maximalmomente der beiden vergleichbaren Motorversionen noch weiter zunimmt.

Fig. 8a) und b) zeigen die Abhängigkeit des Kolbenhubs und der Kolbenstellung vom Stangenverhältnis.

Die Kurve werden für einen Idealfall mit flachem Verlauf im

OT erzeugt. Folgende Werte wurden verwendet: r _x = 35.00 mm r ₂ •= 35.00 mm Gegenlauf

Omega der Zwischenwelle = -1.0 * Omega der Kurbelwelle.

Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der Phasenverschiebung ny _{0 p i} vom Stangenverhältnis. Um einen glatten Verlauf im oberen

Totpunkt zu erhalten, ist eine gewisse Phasenverschiebung ny notwendig, die sich mit den Stangenverhältnis verändert.

Folgende Werte wurden verwendet: r _x = 35.00 mm r _a - 35.00 mm Gegenlauf

Omega der Zwischenwelle = -1.0 * Omega der Kurbelwelle.

ERSATZBLATT

Fig. 10 zeigt die Abhängigkeit des Momentenverhältnisses des geänderten zum normalen Motor vom Stangenverhältnis. Es wur¬ den jeweils Maximalwerte berücksichtigt. Es zeigt sich, daß sich die Kurven für sowohl variables als auch konstantes Stangenverhältnis r/L des normalen Vergleichsmotors keine großen Änderungen ergeben. Das Drehmomentenverhältnis wird mit steigendem Stangenverhältnis kleiner. Die Kurven wurden für einen Idealfall mit flachem Verlauf im OT erzeugt. Fol¬ gende Werte wurden verwendet: r _x -*= 35.00 mm r, = 35.00 mm Gegenlauf

Omega der "Zwischenwelle - -1.0 * Omega der Kurbelwelle. Sinngemäß gilt für andere Größenwerte von r _x und r ₂ , solange r _t und r.. gleich bleiben und der Verlauf des Kolbens durch entsprechende Phasenverschiebung im oberen Totpunkt flach ge¬ halten wird dasselbe.

Fig. 11 bis 13 zeigen einige Verläufe geeigneter und ungeeig¬ neter Kurbeltriebkonfigurationen.

Die obere Graphik zeigt dabei den Kolbenverlauf über 2 * pi bzw. bei unregelmäßigem Kolbenverlauf über 6 * pi -12 * pi Kurbelwinkel .

Die untere Graphik zeigt zusätzlich den Verlauf des Gelenks zwischen Zwischenstück und Pleuel. Der innere Kreis ent¬ spricht der Kurbelwellenexzentrizität, der äußere Kreis hat den Radius der Längen von Kurbelwellenexzentrizität r _x und Zwischenwelle r ₂ .

Es gelten folgende Werte für brauchbare Antriebe:

Fig. 11 (Idealfall) r _x ^** ■ ^* 35.00 r ₂ = 35.00 r ₃ = 155.56 mm

Gegenlauf

Omega der Zwischenwelle - -1.0 * Omega der Kurbelwelle gefundenes nue = 2.31619

E _RSA TZBLATT

Fig . 12 r _x = 32.00 r ₂ = 35.00 r ₃ = 148.89 mm

Gegenlauf

Omega der Zwischenwelle = -1.0 * Omega der Kurbelwelle gefundenes nue = 2.26892

Fig. 13 r _x = 35.00 r ₂ = 38.00 r ₃ = 162.22 mm

Gegenlauf

Omega der Zwischenwelle = -1.0 * Omega der Kurbelwelle gefundenes nue = 2.26892

Die Doppelkurbelwelle ist eine Kurbelwelle mit Exzentern, auf denen Lager angebracht sind. Diese Lager werden bei herkömm¬ lichen Kurbelwellen als Pleuellager verwendet. Bei der Dop¬ pelkurbelwelle wird in den Exzentern eine weitere Kurbel ge¬ lagert. Die Drehung dieser Kurbel in den Exzentern ist je¬ weils mit der Drehung der Kurbelwelle gekoppelt.

In Fig. 14 ist das System dargestellt. Das feste Lager (1) und die Wandung der Zylinder (8) befinden sich in einer fe¬ sten, unveränderlichen Relation, wie sie z.B. durch den Ein¬ bau in ein Gehäuse entsteht.

Um das Hauptlager (1) rotiert der Exzenter (2) mit der Länge r _x , an dessen Ende befindet sich das Exzenterlager (3). Um dieses rotiert der Exzenter (4) mit der Länge r ₂ . Das Ende dieses Exzenters (5) ist wieder als Lager ausgebildet für das Pleuel (6) mit der Länge r _s , das die Verbindung zum Kolbenla¬ ger (7) herstellt. Die Winkelgeschwindigkeit des Kurbelwel¬ lenexzenters äf f dt (9) und des Exzenterlagers ist durch eine Vorrichtung fest gekoppelt. Vorzugsweise sind beide Umlauf¬ frequenzen gleich und durch eine Phase u gegeneinander ver¬ schoben.

Die Kurbelwelle ist eine herkömmliche Kurbelwelle wie sie z.B. in Verbrennungsmotoren (Kolbenmotoren) Verwendung fin-

ERSATZBLATT

det. Die bei einer herkömmlichen Kurbelwelle als Pleuellager bezeichneten Lager dienen als Kurbellager.

Die Kopplung der Drehung der Kurbeln in den Kurbellagern mit der Drehung der Kurbelwelle erfolgt für jede Kurbel über eine feste Untersetzung. Diese Untersetzung wird vorzugsweise durch ein Zahnradgetriebe erzeugt.

Die Kopplung erfolgt stets so, daß bei der gleichen Phase der Vorgänge im Verbrennungsraum die gleiche Gesamtkon iguration auftritt. -

Wird an der Kurbel, die im Exzenter gelagert ist, ein Pleuel¬ lager angebracht, dann kann von diesem Lager aus über ein Pleuel die Bewegung eines Kolbens gesteuert werden, der in einem Zylinder beweglich ist und dessen vom Pleuel abge¬ wandtes Ende der Verbrennungsraum ist.

über die Bemessung der Exzentrizität des Exzenters der Kur¬ belwelle sowie über dessen Winkel im Verhältnis zu einem vor¬ gegebenen Koordinatensystem, über die Länge der Kurbel sowie der Kopplung von deren Drehung mit der Drehung der Kurbelwel¬ le sowie über die Länge des Pleuels, erfolgt jetzt eine neu¬ artige Steuerung des Kolbenhubes als Funktion der Zeit. Hier¬ durch kann bei zweckmäßiger Wahl der genannten Parameter ein verbesserter Verbrennungsablauf und ein höheres Drehmoment erzielt werden.

Insbesondere kann erreicht werden, daß bei jedem -Kolbenhub der Kolben wesentlich länger als beim vorangehenden in der Nähe des oberen Totpunktes verbleibt.

Die Kopplung der Bewegung der Kurbelwelle und des Exzenterla¬ gers kann durch ein Zahnradgetriebe erfolgen. Hierbei ist ein Zahnrad fest mit dem Kurbelwellenlager verbunden, hat also stets die gleiche Stellung zu dem Gehäuse, in dem das Kurbel¬ wellenlager und der Zylinder eingebaut sind. Ein zweites Zahnrad, das in das erste eingreift, ist fest mit der Achse

E _RSA T _Z BLATT

des Exzenterlagers verbunden. Hierdurch wird -eine an die Dre¬ hung der Kurbelwelle gekoppelte Rotation des Exzenterlagers erreicht.

Die Doppelkurbelwelle besteht aus einer einfachen Kurbelwel¬ le, bei der das auf dem Kurbelwellenexzenter angebrachte Pleuellager dazu verwendet wird, um einen Zusatzhebel zu la¬ gern, der am anderen Ende des Pleuellager trägt. Dieser Zu¬ satzhebel wird um das am Kurbelwellenexzenter angebrachte La¬ ger in kreisförmige Bewegung versetzt. Diese kreisförmige Be¬ wegung ist mit der Kurbelwellendrehung fest gekoppelt.

Das Lager auf dem Kurbelwellenexzenter kann wiederum als ein Exzenter ausgebildet sein, der im Kurbelwellenexzenter gela¬ gert ist und auch gekoppelt mit der Kurbelwellendrehung dreht.

Die Kopplung der Drehung der Verbindungsstange bzw. des gleichwertigen Exzenters muß mit der Drehung der Kurbelwelle durch eine geeignete Verbindung sichergestellt sein. Beson¬ ders geeignet sind hierzu Zahnradgetriebe oder Kettengetrie¬ be.

Die Kopplung der Drehung der Zusatzstange bzw. des Exzenters und der Kurbelwelle kann eine unterschiedliche Untersetzung und einen unterschiedlichen Phasenwinkel aufweisen.

Die Doppelkurbelwelle ist besonders dazu geeignet," durch die Überlagerung der Drehung der Kurbelwelle und Zusatzstange bzw. des Exzenters einen flachen Verlauf der Kolbenbewegung in der Nähe des oberen Totpunktes zu bewirken.

Ein flacher Verlauf des Kolbens in der Nähe des oberen Tot¬ punktes wird durch die Doppelkurbelwelle nach einem oder meh¬ reren vorangehenden Ansprüchen nur dann bewirkt, wenn der Drehsinn der Zusatzstange bzw. des Exzenters dem Drehsinn der Kurbelwelle entgegengesetzt ist.

_ER SATZBLATT

Der flache Verlauf des Kolbens in der Nähe des oberen Tot¬ punktes wird nur dann erreicht, wenn der Phasenwinkel zwi¬ schen Kurbelwellendrehung und der Drehung der Zusatzstange bzw. des Exzenters einen ganz bestimmten Wert hat. Bei vorge¬ gebener Anordnung hängt dieser Winkel nur von dem Standenver- hältnis ab. Dieses Stangenverhältnis ist das Verhältnis aus der Summe der Länge des Exzenters der Kurbelwelle und der Länge der Zusatzstange bzw. Exzenters zu der Länge der Pleu¬ elstange.

Ein Motor mit einer Doppelkurbelwelle nach einer oder mehre¬ ren der vorangehenden Ausbildungen erzeugt für den Fall, daß der Drehsinn gegenläufig ist und der optimale Phasenwinkel aus dem Stangenverhältnis bzw. mit Hilfe eines Berechnungs¬ verfahrens ermittelt worden ist, bei gleicher Energiezufuhr wie beim konventionellen Otto-Motor ein wesentlich höheres maximales Drehmoment .

Durch den flachen Verlauf der Kolbenbewegung in der Nähe des oberen Totpunktes wird eine wesentlich bessere Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches im Brennraum erreicht.

Die Fig. 14 zeigt die Anordnung.

Der Kolbenhub h errechnet sich aus folgenden Anteilen:

a: Anteil der Kurbelwellenkurbel b: Anteil der Exzenterkurbel c: Anteil des Pleuels.

Die Gleichungen, die diese Bewegung beschreiben, sind in der Fig. 14 zusammengestellt.

Der Fall -f = + ( y> + ) bedeutet den gleichgerichteten Umlauf. Der Fall γ = - (y + u ) den entgegengerichteten Umlauf.

u ist der Phasenwinkel zwischen den beiden Drehungen.

ERSATZBLATT

Fig. 15 zeigt Beispiele für die gleichgerichtete Drehung.

Fig. 16 zeigt Beispiele für die entgegengesetzt gerichtete Drehung.

2

Hier zeigt der Verlauf für υ = ± -r π einen wesentlichen Un¬ terschied zwischen den aufeinanderfolgenden halben Umdrehun¬ gen. Insbesondere wird die Verweildauer in der Nähe der auf¬ einanderfolgenden Totpunkte sehr unterschiedlich.

In Fig. 17 ist dieses Verhalten in der Nähe des Falles ± ^• _ ^• =

2

— π nun eingehend untersucht. Die Stellung des Kolbens der

Kurbelwellenkurbel, der Exzenterkurbel und des Pleuels ist

2 für den Fall y = — π in den Fig. 18 bis 20 in 12 Schritten schematisch dargestellt.

Fig. 21 zeigt eine Ausführungsform der Kurbelwellenanordnung nach der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind Festräder 100 auf den Kurbelwellenlagern 102 drehfest angeordnet. Ab¬ rollräder 110, die auf den Festrädern 100 abrollen, sind in der Kurbelwelle 112 drehbar gelagert, wobei die Abrollräder 110 bei Drehung der Kurbelwelle 112 von dieser zwangsgeführt werden, eine Lagerung der Abrollräder 110 kann auch fest mit der Kurbelwelle 112 verbunden Ausgleichsmassen 114 erfolgen.

Auf der Welle eines jeden Abrollrades 110 ist außerdem ein Antriebsrad 120 vorgesehen, das die gleichen Drehbewegungen vollführt, wie das Abrollrad 110. die Antriebsräder 120 trei¬ ben Innenräder 130 an, die mit den Kurbelzapfen 132 verbunden sind. Dreht sich nun die Kurbelwelle 112 um ihre Achse, so müssen die Abrollräder 110 von denen je eines auf einer Seite angeordnet ist, jeweils zwangsweise auf dem zugehörigen Fest¬ rad 100 abrollen. Dabei werden die Antriebsräder 120 ange¬ trieben und treiben ihrerseits die Innenräder 130 an, wodurch sich für die Innenräder eine zur Kurbelwellendrehung synchro¬ ne, gegenläufige Bewegung ergibt.

Ein weiteres Getriebe zur Erzeugung'der synchronen, gegenläu¬ figen Bewegung zeigt Fig. 22. Hierbei ist ein zumindest ab¬ schnittsweises hohlzylindrisches Außenmaß 210 vorgesehen, das von zumindest einem Korrekturrad 208 an seinem Außenumfang angetrieben wird. Auf dem Innenumfang des Außenrades 210 läuft ein Innenrad 206 ab, da sich dadurch um seine eigene Achse 204 und gleichzeitig um die Kurbelwellenachse 202 der Kurbelwelle 200 dreht.

Fig. 23 zeigt eine ähnliche Ausführungsform der Kurbelwellen¬ anordnung ^" wie Fig. 21. Hierbei laufen auf den drehfest mit den Kurbelwellenlagern 302 verbundenen Festrädern 300 die Ab¬ rollräder 310 ab, welche in einem Kurbelwellenelement 312 drehbar gelagert sind. Die Welle eines jeden Abrollrades 310 ist mit einem Exzenter 330 verbunden, wobei jeder der beiden Exzenterschenkel 331 mit einer Welle eines gegenübergelegenen Paares von Antriebsräder 310, 311 verbunden ist und sich zwi¬ schen den Exzenterschenkeln exzentrisch zur gemeinsamen Achse beider Wellen ein Exzentermittelteil 332 erstreckt.

eäSATZBLATT

den en ε ^* esεns ^* erichteten Umlauf.

V ist der Pfc_.asenwink.el zwischen den beiden Drehungen.

f~'S _> 5 -si-ϊ BeisOieie für ie ßleichgerichtete Dre g. F _ι< \. d zeigt Beispiele für die entgegengesetzt gerichtete Drehung.

Hier zeig- der Verlauf für -=-=■ __ ~-zr / einen

<__ ^** wesentlichen Unterschied zwischen den aufeinanderfolgenden halben Umdrehungen. Insbesondere wird die Verweildauer in der ϊförie der aufeinanderfolgenden Totpunkte sehr unterschiedlic .

In te.J7 ist dieses Verhalten in der ärie des Falles 2. ιP = ___2. ^r nu eingehend untersucht. Die Stellung des Kolbens der Kurbelwellenkurbel, der Ex- zenterkurbel und des leuls ist für den Fall V ^~ ~~r ft in den \Q. A2 b 2-0 in 12 Schritten schemaτisc dargestellt.

Figur 21 zeigt eine Ausführungsform der Kurbelwellenanord¬ nung nach der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind Festräder 100 auf den Kurbelwellenlagern 102 drehfest ange¬ ordnet. Abrollräder 110, die auf den Festrädern 100 abrol¬ len, sind in der Kurbelwelle 112 drehbar gelagert, wobei die Abrollräder 110 bei Drehung der Kurbelwelle 112 von dieser zwangsgeführt werden. Eine Lagerung der Abrollräder 110 kann auch in fest mit der Kurbelwelle 112 verbundenen Aus- gleichs assen 114 erfolgen.

Auf der Welle eines jeden Abrollrades 110 ist außerdem ein Antriebsrad 120 vorgesehen, das die gleichen Drehbewegungen vollführt, wie das Abrollrad 110. Die Antriebsräder 120 trei¬ ben Innenräder 130 an, die mit den Kurbelzapfen 132 ver¬ bunden sind. Dreht sich nun die Kurbelwelle 112 um ihre Achse, so müssen die Abrollräder 110 von denen je eines auf einer Seite angeordnet ist, jeweils zwangsweise auf dem zugehörigen Festrad 100 abrollen. Dabei werden die Antriebsräder 120 angetrieben und treiben ihrerseits die Innenräder 130 an, wodurch sich für die Innenräder eine zur Kurbelwellendrehung synchrone, gegenläufige Bewegung ergibt.

Ein weiteres Getriebe zur Erzeugung der synchronen, gegenläu¬ figen Bewegung zeigt Figur 22. Hierbei ist ein zumindest ab¬ schnittsweises hohlzylindrisches Außenrad 210 vorgesehen, das von zumindest einem Korrekturrad 208 an seinem Außenum¬ fang angetrieben wird. Auf dem Innenumfang des Außenrades 210 läuft ein Innenrad 206 ab, das sich dadurch um seine eigene Achse 204 und gleichzeitig um die Kurbelwellenachse 202 der Kurbelwelle 200 dreht.

Figur 23 zeigt eine ähnliche Ausführungform der Kurbelwellen¬ anordnung wie Figur 21. Hierbei laufen auf den drehfeεt mit den Kurbelwellenlagern 302 verbundenen Festrädern 300 die Abrollräder 310 ab, welche.in einem Kurbelwellenelement 312

drehbar gelagert sind. Die Welle eines jeden Abrollrades 310 ist mit einem Exzenter 330 verbunden, wobei jeder der beiden ExzenterSchenkel 331 mit einer Welle eines gegenüberge¬ legenen Paares von Antriebsrädern 310, 311 verbunden ist und sich zwischen den Exzenterschenkeln exzentrisch zur ge¬ meinsamen Achse beider Wellen ein Exzentermittelteil 332 erstreckt.