CH620738A5

CH620738A5 - Multi-cylinder reciprocating piston engine, especially an internal combustion engine

Info

Publication number: CH620738A5
Application number: CH591477A
Authority: CH
Inventors: Alfred Dr Ing Gerber
Original assignee: Gerber Alfred
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1977-05-11
Publication date: 1980-12-15
Also published as: DE2723269C2; DE2723269A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, deren Kolben 6S in kraftübertragender Verbindung mit einem Endbereich eines in einer Ebene schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebels stehen.

In der Anfangszeit der technischen Entwicklung, die zu den heute allgemein üblichen und zu vielen Millionen hergestellten modernen Kraftfahrzeugmotoren geführt hat, sind verschiedene andere Konstruktionsprinzipien, z. B. auch entsprechend der eingangs genannten Art, bekannt geworden, die sich jedoch aufgrund von unausgeglichenen Massenkräften und ihrer Eignung für nur damals übliche geringe Drehzahlen in der weiteren Entwicklung nicht durchsetzen konnten. Trotz dem ständigen Streben nach einer Leistungserhöhung bzw. Erhöhung der möglichen Drehzahl beziehen sich die neusten Verbesserungen an Kraftfahrzeugmotoren überwiegend auf Motoren, deren Kolben über Pleuelstangen eine Kurbelwelle antreiben. Lediglich der Wankelmotor hat einen ernsthaften Versuch gezeigt, die zahlreichen Nachteile eines üblichen Kurbelwellenmotors zu vermeiden.

Bekanntlich hat erst eine lange technische Entwicklung und ein hoher Herstellungsaufwand zu einer Kurbelwelle geführt, bei der die dynamischen Kräfte bei üblichen Drehzahlen einigermassen beherrscht werden. Weiterhin ist die Kraftübertragung von den Kolben über Pleuelstangen auf die Kurbelwelle mit einer Geräuscherzeugung sowie mit erheblichen Reibungsverlusten und entsprechend starkem Verschleiss verbunden, so dass die Kolbengeschwindigkeiten begrenzt werden müssen. Dabei erfordert die Geradeführung der Kolben in den Zylindern aufgrund der auftretenden Querkräfte einen besonderen konstruktiven Aufwand. Die Grösse der bei Kurbelwellenmotoren durch die Kolben, die Pleuel- und Kurbelwellenlager auftretenden Reibungsverluste in Abhängigkeit von der Motordrehzahl ist beispielsweise in dem Fachbuch «Hütte» IIA, 28. Auflage, auf Seite 730 in Bild 24 graphisch dargestellt. Die Geräuscherzeugung aufgrund des Anlagewechsels und der Kippbewegung der Kolben ist in einem Artikel «Minderung des Motorgeräusches bei Personenwagen» von M. Paletschek, Weissach, beschrieben, der in der Zeitschrift «Automobil-Revue», Nr. 13 vom 24. März 1977 auf Seite 45/46, veröffentlicht wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile eines üblichen Kurbelwellenmotors zu vermeiden und eine Hubkolbenmaschine zu finden, die gegenüber bekannten Hubkolbenmaschinen eine wesentlich grössere Laufruhe, geringe Reibungsverluste und geringen Verschleiss aufweist, so dass sie hohe Kolbengeschwindigkeiten ermöglicht und ein entsprechend günstiges Leistungsgewicht. Diese Aufgabe wird mit einem überraschend geringen konstruktiven Aufwand dadurch gelöst, dass mit einander gegenüberliegenden Endbereichen des zweiarmigen Hebels jeweils gleichachsig geführte Arbeitskolben gleicher Grösse verbunden sind und dass der zweiarmige Hebel mit einem Exzenter- oder Kurbelmechanismus verbunden ist, über den die Drehmomentübertragung erfolgt, und der eine Stange aufweist, die zwischen der Lagerstelle und einem Endbereich des zweiarmigen Hebels an einem seiner Hebelarme angelenkt ist, wobei dem zweiarmigen Hebel zum Massenausgleich ein weiterer gleichartiger Exzenter- oder Kurbelmechanismus zugeordnet ist, der relativ zum anderen in bezug auf die Lagerstelle des zweiarmigen Hebels symmetrisch angeordnet und mit dem anderen gegenüberliegenden Hebelarm des zweiarmigen Hebels verbunden ist, so dass der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegter Teile der Maschine in der Hebelachse liegt.

Eine vierzylindrige Maschineneinheit dieser Art hat somit keine Kurbelwelle mit zahlreichen Kröpfungen, die der Zylinderzahl entsprechen, und aus der genannten Definition ergibt sich, dass die auf die Hebelendbereiche wirkenden Arbeitskolben zusammen mit dem Hebel in einer gemeinsamen Ebene liegen. Auf diese Weise hat die erfindungsgemässe Hubkolbenmaschine in Richtung der Hebelachse bzw. einer möglichen Antriebswelle nur eine geringe Ausdehnung, so dass mehrere Maschineneinheiten mit je vier Zylindern an einer

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gemeinsamen Welle arbeiten können und sich ohne konstruk- gemeinsam gefertigt werden, das die Form eines Hohlzylin-

tive Schwierigkeiten ein kompakter 8-Zylinder-, 12-Zylinder- ders 11 bzw. 12 aufweist. Beide Hohlzylinder sind im Bereich oder 16-Zylinder-Motor verwirklichen lässt. Es bereitet insbe- ihrer Enden fest in dem Maschincngehäuse 13 gehalten, so sondere keine konstruktiven Schwierigkeiten, eine Ausfüh- dass ihre Aussenflächen 14,15 durch Öl gekühlt werden kön-

rungsform mit einer entsprechend stark ausgebildeten Haupt- 5 nen, das über ein nicht dargestelltes Verteilsystem, ausgehend welle vorzusehen, da diese zylindrisch oder sogar hohlzylin- von einer ölpumpe, auf die Zylinderwände gespritzt wird. Im drisch ausgebildet werden kann und lediglich einen entspre- mittleren Bereich der Hohlzylinder 11,12 sind in der Zylin-

chend grossen Durchmesser aufweisen muss. derwand jeweils zwei diametral einander gegenüberliegende

Ein weiterer bedeutender Vorteil ergibt sich dadurch, dass Öffnungen 16, 17 bzw. 18,19 vorgesehen, so dass Schmieröl jeweils zwei gleichachsig geführte Arbeitskolben so miteinan- io auch an die Innenflächen der Hohlzylinder 11,12 bzw. die der verbunden werden können, dass sie sich gegenseitig füh- Laufflächen der Zylinder 7 bis 10 gelangen kann.

ren und entsprechend kurz und leichtgewichtig ausgebildet Beide Doppelkolben Î, 2 bzw. 3, 4 sind über ihre Kolbenwerden können, da sie lediglich in Richtung der Zylinderachse Stange 5 bzw. 6 mit den Enden 20, 21 eines zweiarmigen He-wirkende Kräfte aufnehmen und den Zylinderraum abdichten bels 22 verbunden, der in seiner Mitte auf einer Achse 23 gemüssen. Da somit auch jeweils die Zylinder der gleichachsig 15 lagert ist. Die hin- und hergehende Bewegung der Kolbeneingeführten und gleichgrossen Arbeitskolben gleichachsig den heiten 1, 2 bzw. 3, 4 bewirkt somit eine Pendelbewegung des gleichen Durchmesser aufweisen, lassen sie sich in einem Ar- Hebels 22 um die Achse 23. Da dabei die Hebelenden 20, 21 beitsgang aus einem Werkstück gemeinsam herstellen. gegenüber den Kolbenstangen 5, 6 sich ändernde Winkelposi-Da jeweils zwei Arbeitskolben unter Vermeidung von Kol- tionen einnehmen, ist im dargestellten Beispiel in einer Querbenbolzen auch starr miteinander verbunden sein können und 2» bohrung24, 25 emes erneuerten mittleren Bereiches 26, 27 durch den nicht erforderlichen Pleuelmechanismus an den Ar- der, Kolbenstange 5, 6 ein Pendellager 28, 29 fur die Stangen-beitskolben keine wesentlichen Querkräfte auftreten, sind die <f den f vorgesehen. Hierfür eignet sich beispielsweise Geräuschentwicklung, die Reibungsverluste und der Ver- Tdas untTcr.dc,r Handelsbezeichnung «SKF GE 25ES» bekannte schleiss entsprechend gering, und es können wesentlich höhere Lager. Fur diese Verbindung zwischen den Stangenenden und Kolbengeschwindigkeiten und damit höhere Leistungen ver- 25 den Kolbenstangen sind verschiedene Gelenkkonstruktionen wirklicht werden als bisher möglich war. Segnet, wobei die geringe Querbewegung ausführbar sein

_ , ^ , .m . cu it • muss, die durch die Bewegung der Armenden 20, 21 auf ei-

Durch die Drehmomentubertragung an einer Stelle zwi- ner Kreisbahn entstdu Auf d der Lä des Hcbels 22

sehen der Hebellagerung und einem der Hebelendbereiche er- ü die Qrgsse dieser Querb jedoch nur im Berdch cibt sich eine Hebelwirkung, durch die sich an dem an dem . , . , , , , ,

f: , .. . . j Tr i i . • f 3o von einem Millimeter, so dass sie durch das ohnehin vorhan-

Hcbel angreifenden Exzenter- oder Kurbeimechanismus ent- - " . „ . . . _ , .. .. , ,

: ° ^ , . ,. , .t , i , • • dene Spiel eines Pendellagcrs aufgenommen werden kann,

sprechend geringere Geschwindigkeiten ergeben als bei einer .

Anordnung eines Pleuelmechanismus an den Arbeitskolben. Es ist auch eine Konstruktion möglich, bei der die Dop-Weiterhin müssen durch den Exzenter- oder Kurbelmechanis- pelkolben nicht starr über die Kolbenstange 5, 6 miteinander mus nur die resultierenden Kräfte bzw. die Nutzleistung über- verbunden sind, indem jeder Kolben eine eigene Kolbentragen werden, da die Kraftübertragung von dem den Arbeits- 35 Stange hat, die durch ein Bolzenlager mit dem Armende 20 hub ausführenden Kolben auf die übrigen Kolben über den bzw- 21 verbunden ist. Dabei ergibt sich infolge der Bewe-zweiarmigen Hebel erfolgt. Es versteht sich auch, dass diese gun8 der Armenden 20, 21 auf einer Kieisbahn eine Kipp-Kraftübertragung zwischen den Kolben über den Hebel mit bewegung der Kolben, die jedoch so gering ist, dass die Abwesentlich weniger Reibungsverlusten verbunden ist als bei dichtung Der Kolben nicht beeinträchtigt wird.

der bisher üblichen Kraftübertragung über die Kurbelwelle 4o Die Zylinderköpfe 30 bis 33 sind dem jeweiligen Maschi-

und die Pleuelmechanismen der Kolben. Durch die Kon- nentyp angepasst und entsprechen beispielsweise dem Zylin-

struktion der erfindungsgemässen Hubkolbenmaschine sind derkopf eines üblichen Viertaktmotors oder eines Dieselmo-

somit weniger Hindernisse gegeben, die eine Drehzahlbegren- tors, so dass sie in der Zeichnung nicht mit allen Einzelheiten zung der Maschine erforderlich machen, und es können hohe dargestellt sind. Bei der achtzylindrigen Ausführung eines

Drehzahlen gewählt werden, die lediglich durch die gewählte 45 Viertaktmotors, d. h. mit jeweils senkrecht zur gleichen Ebene

Ventilkonstruktion und durch Massenkräfte begrenzt sind. parallel nebeneinander angeordneten Zylindern, können bei-

Für höhere Drehzahlen bzw. Kolbengeschwindigkeiten kann spielsweise Zylinderköpfe eines Alfasud-Motors verwendet z. B. auch eine an sich bekannte Ventilkonstruktion mit Dreh- werden. Die an den Zylinderköpfen sichtbaren Schraubenbol-

schiebern verwendet werden. zen 34 dienen der Befestigung der nicht dargestellten Nocken-

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den so welleneinheit für die Ventilsteuerung und der Befestigung der

Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Ansaug- und Auslassleitungen.

Es zeigt: Die Drehmomentübertragung erfolgt über einen Exzenter-

Fig. 1 eine durch die vier Zylinder geführte Querschnitts- mechanismus 35 und/oder 36, von denen je einer an einem darstellung einer Hubkolbenmaschine; und der Arme 37, 38 des Hebels 22 angelenkt ist. Einer der bei-

Fig. 2 einen Querschnitt in Richtung der Erzenterwelle 55 den Exzentermechanismen dient dem dynamischen Ausgleich durch eine Hubkolbenmaschine mit zwei parallel zueinander der Masse des anderen Exzentermechanismus, so dass der auf angeordneten Maschineneinheiten, entsprechend der Darstel- der angetriebenen bzw. antreibenden Exzentcrwellc 39 bzw.

lung in Fig. 1. 40 vorgesehene Exzenter 41 bzw. 42 eine um 180° verdrehte

Wie der Darstellung in Fig. 1 zu entnehmen ist, sind je- Position in bezug auf den Exzenter des anderen Exzenter-

weils zwei gleichachsige Arbeitskolben 1, 2 bzw. 3, 4 über mechanismus hat. Auf diese Weise liegt der gemeinsame eine Kolbenstange 5 bzw. 6 starr miteinander verbunden. Die Schwerpunkt sämtlicher bewegter Teile der Kolbenmaschine

Kolben haben eine im Vergleich zu bisher üblichen Kolben in der geometrischen Achse der Hebclachsc 23, so dass die geringe Höhe, da durch die starre Verbindung über die Kol- Laufruhe der Hubkolbenmaschine gewährleistet ist.

benstange die beiden gleichachsigen Kolben 1,2 bzw. 3,4 Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Maschine, der sich gegenseitig in den zugehörigen Zylindern 7 bis 10 füh- 65 durch die Exzenterwelle 39 und den in dem Hebelarm 37 ge-

ren. Durch die gleichachsige Anordnung von jeweils zwei lagerten Gelenkbolzen 43 geführt ist. Die Antriebsverbindung

Kolben gleicher Grösse können jeweils zwei folglich ebenfalls zwischen dem Hebelarm 37 bzw. dem Gelenkbolzen 43 und gleichachsige Zylinder 7, 8 bzw. 9, 10 aus einem Werkstück dem Exzenter 41 erfolgt über eine gegabelte Exzenterstange

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44, durch deren Gabelschenkel 45, 46 der Gelenkbolzen 43 geführt ist, so dass die Gabelschenkel den Hebelarm 37 beidseitig umfassen. Bei der achtzylindrigen Ausführung der Maschine ist die Exzenterwelle 39 und entsprechend auch die Exzenterwelle 40 des anderen Exzentermechanismus zu einem zweiten Exzenter 47 hin verlängert, an dem der Exzentermechanismus 36' bzw. 35' der zweiten Vierzylindermaschineneinheit angreift. Durch das Übersetzungsverhältnis entsprechend dem Hebelverhältnis an der Anlenkstelle des Exzentermechanismus 36 am Hebelarm 22 sind durch den Exzentermechanismus wesentlich grössere Kräfte bei geringerer Geschwindigkeit zu übertragen als an den Hebelenden 20, 21 wirken, und da die Exzentrizität der Exzenter 41, 47 verhältnismässig klein ist, wird das an der Exzenterwelle 39 wirkende Drehmoment mit einer verhältnismässig grossen Kraft übertragen, die sich durch entsprechende Dimensionierung der einfach gestalteten Welle und ihrer Lager 48, 49 und 50 ohne Schwierigkeiten beherrschen lässt. Am einen Ende der . Exzenterwelle 39 befindet sich ein Wellenzapfen 51 für den Antrieb der Nebenaggregate der Maschine, wie z. B. bei einer Brennkraftmaschine des Lüfters, der Lichtmaschine u. a. Am anderen Ende der Exzenterwelle ist ein Schwungrad 52 befestigt, in dessen Zahnkranz 53 das Ritzel eines nicht dargestellten Anlassers eines Kraftfahrzeugmotors eingreifen kann.

Da an jedem Hebelarm 37, 38 ein Exzentermechanismus 36, 35 angreift, aber nur einer von beiden der Übertragung des Nutzdrehmomentes dient, kann die Exzenterwelle des anderen Exzentermechanismus dem Antrieb der nicht darge-5 stellten Nockenwellen für die Ventilsteuerung oder von Nebenaggregaten dienen.

Um beim Anlauf der Maschine den Totpunkt des dabei nicht unmittelbar angetriebenen anderen Exzentermechanismus zu überwinden, kann zwischen beiden Exzentermecha-10 nismen z. B. durch Zahnräder oder einen Riemenantrieb eine Antriebsverbindung vorgesehen sein. Diese Antriebsverbindung kann aus drei Zahnrädern bestehen, die in Fig. 1 durch Strich-Punkt-Linien 55, 56 und 58 angedeutet sind. Die Zahnräder 55 und 58 sind auf den Exzenterwellen 39 und 40 be-15 festigt, während das Zahnrad 56 mit der Hebelachse 23 fest verbunden ist, um diese mitanzutreiben. Hierfür sind die beiden Enden der Hebelachse 23 in nichtdargestellten Lagern drehbar gelagert. Da somit die Hebelachse 23 kontinuierlich in Drehbewegung versetzt wird, kann sich zwischen der He-20 belachse 23 und dem Hebel 22 ein kontinuierlicher Schmierfilm aufbauen. Anstelle der Exzentermechanismen 35, 36 können auch Kurbelmechanismen verwendet werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Mehrzylindrige Hubkolbenmaschine, deren Kolben in kraftübertragender Verbindung mit einem Endbereich eines in einer Ebene schwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebels stehen, dadurch gekennzeichnet, dass miteinander gegenüberlie- 5 genden Endbereichen (20, 21) des zweiarmigen Hebels (22) jeweils gleichachsig geführte Arbeitskolben (1, 2; 3, 4) gleicher Grösse verbunden sind, und dass der zweiarmige Hebel (22) mit einem Exzenter- oder Kurbelmechanismus (36, 36') verbunden ist, über den die Drehmomentübertragung erfolgt, 10 und der eine Stange (44) aufweist, die zwischen der Lagerstelle und einem Endbereich (20) des zweiarmigen Hebels (22) an einem (37) seiner Hebelarme angelenkt ist, wobei dem zweiarmigen Hebel zum Massenausgleich ein weiterer gleichartiger Exzenter- oder Kurbelmechanismus (35, 35') zugeord- 15 net ist, der relativ zum anderen (36, 36') in bezug auf die Lagerstelle des zweiarmigen Hebels symmetrisch angeordnet und mît, dem anderen gegenüberliegenden Hebelarm (38) des zweiarmigen Hebels (22) verbunden ist, so dass der gemeinsame Schwerpunkt sämtlicher bewegter Teile der Maschine in der 20 Hebelachse (23) liegt.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass in mehreren Ebenen jeweils vier Kolben-Zylindereinheiten (1, 7; 2, 8; 3, 9; 4,10) angeordnet sind, wobei die Exzen-ter- oder Kurbelmechanismen (36, 36') zur Drehmomentüber- 25 tragung auf einer gemeinsamen Welle (39) angeordnet sind.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die der Drehmomentübertragung bzw. dem Massenausgleich dienenden Exzenter- oder Kurbelmechanismen (36, 35; 36', 35') jeweils der Antrieb einer Welle 30 (39,40) erfolgt.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass eine (39) der beiden mit wenigstens einem Exzenter- oder Kurbelmechanismus (36, 36') in Antriebsverbindung stehenden Wellen (39, 40) die An- bzw. Abtriebswelle der Maschine 35 bildet, und dass die Welle (40) des oder der anderen Exzenteroder Kurbelmechanismen (35, 35') in Antriebsverbindung mit mindestens einer Nockenwelle zum Antrieb der Zylinderkopfventile oder mit Nebenaggregaten der Maschine steht.
5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 40 dass die gleichachsig geführten Arbeitskolben (1, 2; 3, 4) starr miteinander verbunden sind, so dass sie sich gegenseitig in ihren zugehörigen Zylindern (7—10) führen, wobei die Verbindung zwischen jedem Endbereich (20, 21) des zweiarmigen Hebels (22) und der zugeordneten Doppelkolbeneinheit (1, 2; 45 3, 4) über ein Pendellager (28, 29) erfolgt.
6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die einer Arbeitskolbeneinheit (1, 2; 3, 4) zugehörigen Zylinder (7, 8; 9,10) aus einem gemeinsamen Hohlzylinder (11,12) gefertigt sind, in dessen mittleren Bereich sich min- 5() destens eine Durchführungsöffnung (16—19) befindet.
7. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass zur Totpunktüberwindung die Wellen (39, 40) beider Exzenter- oder Kurbelmechanismen (35, 36) miteinander in Antriebsverbindung stehen. 55
8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

dass durch die Antriebsverbindung (55, 56, 58) zwischen beiden Exzenter- oder Kurbelmechanismen (35, 36) die Hebelachse (23) mit angetrieben wird.

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