DE10054523C2 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kolben, mit einer mit dem Kolben verbundenen und translatorisch mit dem Kolben bewegbaren Kolbenstange, mit mindestens einem achsparallel zur der Kolbenstange angeordneten drehbaren Abgreifzylinder, der auf seiner Mantelfläche mindestens eine in sich geschlossene Steuerbahn aufweist, welche mit mindestens einer mit der Kolbenstange verbunbenen Führungseinrichtung zusammenarbeitet.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist aus der DE 24 49 419 A1 bekannt. In dieser ist eine Brennkraftmaschine beschrieben, welche anstelle der üblichen Pleuelstange eine Kolbenstange aufweist. Diese ist am Kolben nicht gelenkig, sondern starr befestigt. Insoweit führt sie also eine rein translatorische Bewegung aus, ohne bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens gegenüber diesem zu verschwenken. Ein seitlich von der Kolbenstange angeordnetes Wälzlager greift in eine Steuerbahn in einem Abgreifzylinder ein, welcher achsparallel zur Kolbenstange neben dieser angeordnet ist.

Die Abwicklung der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders ist symmetrisch sinusförmig. Auf diese Weise versetzt eine Abwärtsbewegung des Kolbens den Abgreifzylinder in eine Drehung, wohingegen die Aufwärtsbewegung des Kolbens durch den sich weiter drehenden Abgreifzylinder bewirkt wird. Die mit dem Abgreifzylinder verbundene rotierende Masse ist insgesamt größer als die des Kolbens und der Kolbenstange, so dass sich am Abgreifzylinder eine im Wesentlichen gleichmäßige Drehgeschwindigkeit einstellt, und die Auf- und Abbewegung des Kolbens wird entsprechend der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders gesteuert.

Der Vorteil der bekannten Brennkraftmaschine gegenüber einer Brennkraftmaschine mit einem schwenkbaren Pleuel besteht darin, dass sie sehr stabil und schmal baut und die Drehbewegung achsparallel zur Längsachse des Kolbens erzeugt wird. Ihr Nachteil ist jedoch, dass ihr Wirkungsgrad begrenzt ist.

Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie mit größerem und besserem Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Abwicklung der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders so ausgebildet ist, dass die Bewegung des Kolbens an den jeweiligen Takt der Brennkraftmaschine angepasst ist.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Ursache für den unbefriedigenden Wirkungsgrad der bekannten Brennkraftmaschine darin liegt, dass die Bewegung des Kolbens nicht den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Arbeitstaktes der Brennkraftmaschine angepasst ist. Insbesondere die durch die streng sinusförmige Abwicklung bei der bekannten Brennkraftmaschine erzeugte Bewegung des Kolbens kann nur einen Kompromiss bereitstellen, da die Aufwärts- und die Abwärtsbewegungen des Kolbens jeweils das gleiche Geschwindigkeitsprofil und die gleiche Dauer aufweisen.

Die Anforderungen einzelner Arbeitstakte einer Brennkraftmaschine an die Kolbenbewegung unterscheiden sich jedoch: So besitzen beispielsweise die nach der Verbrennung im Brennraum vorliegenden heißen Abgase eine geringere Viskosität und können daher relativ schnell ausgestoßen werden, wohingegen das Ansaugen kalter Frischluft möglicherweise langsamer erfolgen muss. Dem wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme Rechnung getragen, bei der die Abwicklung der Steuerbahn speziell auf die Anforderungen des jeweiligen Arbeitstaktes innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine angepasst ist. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erheblich erhöht werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Bei einer ersten Weiterbildung ist die Abwicklung der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders innerhalb eines Arbeitszyklus asymmetrisch ist, so dass sich ein Leistungstakt der Brennkraftmaschine von mindestens einem anderen Takt unterscheidet. Eine solchermaßen asymmetrische Abwicklung der Steuerbahn entspricht sehr gut den ebenfalls "asymmetrischen" Anforderungen während der einzelnen Arbeitstakte innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine.

Besonders bevorzugt ist, dass die Abwicklung der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders im Bereich jenes oberen Totpunkts des Kolbens, in dem in etwa die Zündung erfolgt, abgeflacht ist, so dass der Kolben nach der Zündung zunächst keinen oder nur wenig Weg macht, wodurch die Druckaufbauphase verlängert wird. Diese Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht den Aufbau eines sehr hohen Druckes im Brennraum der Brennkraftmaschine, was die vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches im Brennraum fördert und hierdurch das Emissionsverhalten und den Wirkungsgrad verbessert. Zu beachten ist allerdings, dass durch die Abflachung zu keinem Zeitpunkt eine Blockierung des Kolbens zu befürchten ist.

Günstig ist auch, wenn die Abwicklung der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders so ausgebildet ist, dass ein Leistungstakt, insbesondere der Expansionstakt, länger dauert als mindestens einer der anderen Takte. Der Grundgedanke dieser Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist, dass nur bei einem Leistungstakt, im allgemeinen der Verbrennung und Expansion der Verbrennungsgase und der hierdurch angetriebenen Bewegung des Kolbens, kinetische Energie erzeugt wird. Dieser Zustand sollte daher möglichst lange dauern, wohingegen die anderen Takte (auch "Hilfstakte" genannt), bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine also der Ausstoß der Abgase, das Ansaugen von Luft und die Kompression der Gase im Zylinder, im Allgemeinen möglichst kurz dauern sollten. Dies ist auch deshalb besonders vorteilhaft für den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, da dann der Leistungstakt mit möglichst geringen Strömungs- und Reibungsverlusten ablaufen kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Kolben sich mit möglichst geringer Geschwindigkeit nach unten bewegt, was wiederum bei einer möglichst langen Dauer des Leistungstaktes der Fall ist.

Möglich ist auch, dass die Abwicklung der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders so ausgebildet ist, dass im Expansionstakt im Wesentlichen ein konstantes Drehmoment erzeugt wird. Auf diese Weise werden die Belastungen auf die mechanischen Teile, z. B. das Getriebe, welches an den Abgreifzylinder angeschlossen ist, reduziert. Ein solches konstantes Drehmoment wird im Allgemeinen durch einen in ertwa geradlienigen Verlauf der Steuerbahn erzeugt.

Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, dass die Kolbenstange mit einer Abstützung verbunden ist, die der Führungseinrichtung im Wesentlichen gegenüberliegt. Hierdurch werden die Querkräfte auf die Kolbenstange reduziert und die Zusammenarbeit zwischen der Führungseinrichtung an der Kolbenstange und der Steuerbahn auf der Mantelfläche des Abgreifzylinders sichergestellt.

Dabei wird besonders bevorzugt, dass die Abstützung ein Rollenlager umfasst, welches in einer zur Kolbenstange achsparallelen Führung verschieblich gehalten ist. Ein solches Rollenlager ermöglicht eine besonders widerstandsarme Führung der Kolbenstange, was den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine insgesamt nochmals erhöht.

Bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass der Abgreifzylinder auf seiner Mantelfläche mindestens zwei Steuerbahnen aufweist. Da die Belastunggen auf die Steuerbahnen und die Führungseinrichtungen reduziert werden, ist eine solche Brennkraftmaschine besonders robust und langlebig.

Besonders bevorzugt ist dabei, dass eine Kolbenstange mit mindestens zwei Führungseinrichtungen verbunden ist. In diesem Fall werden ebenfalls die Belastungen einerseits auf die Führungseinrichtungen und andererseits auf die Steuerbahn vermindert, was die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und auch deren Wirkungsgrad erhöht.

Möglich ist auch, dass am gleichen Abgreifzylinder Führungseinrichtungen mehrerer Kolben angreifen. Eine solche mehrzylindrige Brennkraftmaschine hat eine große Leistung und baut relativ klein. Darüber hinaus ist kein zusätzliches Getriebe erforderlich, welches die Leistungen der unterschiedlichen Zylinder und ihrer Kolben miteinander verbindet.

Mehrzylindrige Brennkraftmaschinen der erfindungsgemäßen Art können besonders platzsparend dadurch ausgebildet werden, dass die Kolben in gleichem Winkelabstand um die Längsachse des Abgreifzylinders herum angeordnet sind. Diese "sternförmige" Anordnung der Kolben (bei achsparaller Bewegungsrichtung der einzelnen Kolben zueinander) ist darüber hinaus schwingungstechnisch relativ günstig.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kolbenstange an jedem Ende mit mindestens einem Kolben verbunden ist. Eine solche Brennkraftmaschine arbeitet also mit mindestens zwei Kolben, welche im Gegentakt arbeiten. Sie ist relativ einfach aufgebaut und baut sehr schmal.

Die seitlichen Abmessungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können weiter dadurch vermindert werden, dass der Abgreifzylinder hohl und die Steuerbahn auf seiner inneren Mantelfläche ausgebildet ist.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn eine Kolbenstange mit mehreren Führungseinrichtungen verbunden ist, die gleichmäßig über den Umfang der Kolbenstange verteilt angeordnet sind, und mindestens eine Steuerbahn auf der inneren Mantelfläche des hohlen Abgreifzylinders eine Anzahl von Perioden aufweist, die der Anzahl der Führungseinrichtungen oder einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl an Führungseinrichtungen entspricht.

Bei einer solchen Brennkraftmaschine fluchtet die Längsachse des Kolbens bzw. der Kolbenstange und die Längsachse des Abgreifzylinders miteinander. Querkräfte an der Kolbenstange treten überhaupt nicht oder nur in geringem Umfang auf, obwohl keine separate Abstützung vorgesehen ist, da die Kolbenstange gleichmäßig über ihren Umfang bereits durch entsprechende Führungseinrichtungen an der inneren Mantelfläche des hohlen Abgreifzylinders abgestützt ist. Eine solche Brennkraftmaschine baut zum einen sehr schmal und lässt andererseits eine hohe Lebensdauer erwarten, da die Kolbenstange nur in Längsrichtung belastet wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2: eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;

Fig. 3: eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines dritten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;

Fig. 4: eine schematische Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine;

Fig. 5: eine Schnittansicht auf einen Teilbereich eines fünften Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;

Fig. 6: eine mögliche Abwicklung einer Steuerbahn für eine der Brennkraftmaschinen der Fig. 1 bis 5; und

Fig. 7: eine Darstellung ähnlich Fig. 6 einer anderen Ausbildung einer Steuerbahn.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine trägt insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Zylinder 12, welcher auf seiner Außenseite mit Kühlrippen 14 versehen ist. Unterhalb des Zylinders ist ein Gehäuse 15 vorgesehen. Im Innern des Zylinders 12 ist ein zylindrischer Brennraum 16 gebildet, in dem ein Kolben 18 verschieblich geführt ist.

In seinem oberen Bereich trägt der Zylinder 12 eine Zündkerze 20, welche im Betrieb ein im Brennraum 16 vorhandenes Gemisch aus Luft und Kraftstoff entzünden kann. In Fig. 1 sind auf der linken und auf der rechten Seite des Zylinders 12 Durchlässe gezeigt, welche einen Einlass 22 und einen Auslass 24 bilden. Der in Fig. 1 auf der linken Seite des Zylinders 12 dargestellte Auslass 24 ist axial etwas höher angeordnet als der in Fig. 1 auf der rechten Seite dargestellte Einlass 22. Die Brennkraftmaschine 10 arbeitet also nach dem Zweitaktverfahren.

An dem Kolben 18 ist auf in der Figur nicht näher dargestellte Art und Weise eine Kolbenstange 26 befestigt. Möglich ist eine starre Befestigung, günstiger ist jedoch eine gelenkige, gegebenenfalls sogar kardanische Befestigung, da hierdurch vermieden werden kann, dass im Betrieb von der Kolbenstange 26 Querkräfte auf den Kolben 18 übertragen werden. Die Kolbenstange 26 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, rechteckigen Querschnitt aufweisen, möglich ist selbstverständlich aber auch ein runder Querschnitt.

Mit ihrem in Fig. 1 unteren Ende erstreckt sich die Kolbenstange 26 bis in das Gehäuse 15. An ihrem unteren Ende trägt die Kolbenstange 26 eine Führungseinrichtung 28. Diese umfasst einen Lagerblock 30, an dem auf beiden Seiten jeweils eine Lagerrolle 32 bzw. 34 drehbar gelagert ist. Zur Führungseinrichtung 28 gehört allerdings nur die Lagerrolle 34, wohingegen die Lagerrolle 32 zu einer Abstützung 35 gehört, die weiter unten genauer beschrieben ist. Die Drehachsen der Lagerrollen 32 und 34 fluchten also miteinander und sind insgesamt in einem rechten Winkel zur Längsachse der Kolbenstange 26 ausgerichtet.

Seitlich von der Kolbenstange 26 ist ein Abgreifzylinder 36 angeordnet. Dieser sitzt auf einer Lagerwelle 38, die auf in Fig. 1 nicht näher dargestellte Art und Weise am Gehäuse 15 drehbar gelagert ist. Die Drehachse der Lagerwelle 38 verläuft parallel zur Längsachse der Kolbenstange 26. In die äußere Mantelfläche 40 des Abgreifzylinders 36 ist eine Steuerbahn 42 eingearbeitet. Bei dieser handelt es sich um eine Rille, welche in etwa rechteckigen Querschnitt aufweist. Sie verläuft über die gesamte Umfangserstreckung der Mantelfläche 40 und ist in sich geschlossen, also endlos.

Die Steuerbahn 42 weist zwei abfallende Bereiche 44 und zwei ansteigende Bereiche 46 auf (auf der in. Fig. 1 sichtbaren Vorderseite des Abgreifzylinders 36 ist jeweils nur ein Bereich sichtbar). Die beiden abfallenden Bereiche 44 sind identisch zueinander. Gleiches gilt für die ansteigenden Bereiche 46. Die Weite der Steuerbahn 42 ist so bemessen, dass die rechte Lagerrolle 34 in der Steuerbahn 42 bei geringstmöglicher Reibung geführt ist. Auch wenn dies in Fig. 1 nicht dargestellt ist, so kann die Führungseinrichtung 28 auch gegenüber der Basis der Steuerbahn 42 durch entsprechende Lager abgestützt sein.

An die in Fig. 1 linke Innenwand des Gehäuses 15 ist ein Lagerblock 48 angeformt, welcher U-förmigen Querschnitt aufweist. Die Längsrichtung des Lagerblocks 48 verläuft achsprallel zur Längsachse der Kolbenstange 26. Die Weite zwischen den beiden Schenkeln 50 des Lagerblocks 48 entspricht in etwa dem Durchmesser der linken Lagerrolle 32 aus Lagerblock 30 der Kolbenstange 26. Diese ist somit im Lagerblock 48 in einer Richtung parallel zur Längsrichtung der Kolbenstange 26 geführt. Die Lagerrolle 32 und der Lagerblock 48 bilden zusammen die Abstützung 35. Auch hier gilt, dass auch zwischen der Basis des Lagerblocks 48 und dem Lagerblock 30 entsprechende Lagermittel vorgesehen sein können.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 wird folgendermaßen betrieben:
Liegt im Brennraum 16 des Zylinders 12 ein zündfähiges Gemisch vor, was dann der Fall ist, wenn sich der Kolben 18 in etwa im oberen Totpunkt befindet, wird dieses Gemisch von der Zündkerze 20 gezündet, wodurch sich der Kolben 18 aufgrund des Explosionsdrucks der expandierenden Verbrennungsgase nach unten bewegt. Hierdurch wird auch die Kolbenstange 26 translatorisch, d. h. in Richtung ihrer Längsachse, nach unten bewegt. Mit der Kolbenstange 26 bewegen sich auch die Führungseinrichtung 28 und die Lagerrollen 32 und 34 nach unten. Die rechte Lagerrolle 34 bewegt sich dabei längs des abfallenden Bereichs 44 der Steuerbahn 42 in der Mantelfläche 40 des Abgreifzylinders 36. Daher wird der Abgreifzylinder 36 um die Längsachse der Lagerwelle 38 in Drehung versetzt, entsprechend dem Pfeil 52 in Fig. 1.

Auf seinem Weg gibt der Kolben 18 zunächst den Auslass 24 auf der linken Seite des Zylinders 12 frei. Durch diesen können somit die heißen Verbrennungsabgase entweichen. Im weiteren Verlauf seiner Bewegung nach unten gibt der Kolben 18 auch den Einlass 22 auf der rechten Seite des Zylinders 12 frei, so dass ein neues Kraftstoff-Luftgemisch durch den Einlass 22 in den Brennraum 16 gelangen kann. Dieser Vorgang wird auch als "Spülung" bezeichnet.

Während der Abgreifzylinder 36 während der Expansionsphase des explodierenden Gemisches im Brennraum 16 durch den sich nach unten bewegenden Kolben 18 in Drehung versetzt wird, wird, sobald die heißen Verbrennungsabgase und mit diesen der Druck durch den Auslass 24 aus dem Brennraum 16 entwichen ist bzw. sind, der Kolben 18 im Wesentlichen ausschließlich durch die Drehbewegung des Abgreifzylinders 36 weiterbewegt. Dies ist aufgrund der Massenträgheit des Abgreifzylinders 36 und anderer mit diesem verbundener Komponenten, welche in Fig. 1 nicht dargestellt sind, möglich. Im Verlaufe dieser Drehbewegung des Abgreifzylinders 36 gelangt die rechte Lagerrolle 34 in den ansteigenden Bereich 46 der Steuerbahn 42 in der Mantelfläche 40 des Abgreifzylinders 36, wodurch der Kolben 18 über die Kolbenstange 26 wieder nach oben gedrückt wird.

Im Verlaufe dieser Bewegung werden zunächst der Einlass 22 und dann der Auslass 24 vom Kolben 18 abgedeckt, so dass der Brennraum 16 nach außen hin abgeschlossen ist und die Kompression des eingeströmten Kraftstoff-Luftgemisches erfolgen kann. Hat der Kolben 18 seinen oberen Totpunkt erreicht, befindet sich also die rechte Lagerrolle 34 in dem in Fig. 1 auf der rechten Seite des Abgreifzylinders 36 dargestellten Übergangsbereich zwischen dem ansteigenden Bereich 46 und dem abfallenden Bereich 44 der Steuerbahn 42, kann wieder die Zündung des komprimierten Kraftstoff- Luftgemisches durch die Zündkerze 20 erfolgen. Im Betrieb wird durch die Steuerbahn 42 auf die Lagerrolle 34 eine Kraft ausgeübt, deren Wirklinie in einem Winkel zur Längsachse der Kolbensstange 26 liegt. Die Kolbenstange 26 erfährt somit eine Querkraft, welche sich, ohne geeignete Gegenmaßnahme, auf den Kolben 18 übertragen würde und u. a. zu dem Risiko führen könnte, dass der Kolben 18 gegenüber dem Zylinder 12 verkantet.

Dem wird dadurch entgegengewirkt, dass die Lagerrolle 32 zwischen den Schenkeln 50 des Lagerblocks 48 gehalten ist. Auf diese Weise wird die Querkraft an Ort und Stelle, d. h. in der Führungseinrichtung 28, aufgefangen, so dass der Kolben 18 im Wesentlichen querkraftfrei ist. Es versteht sich, dass anstelle der Lagerrolle 32 auch ein umlaufendes Kugel- oder Wälzlager oder ein Lineallager vorgesehen werden kann. Auch ist eine Abstützung der Führungseinrichtung 28 senkrecht zur Basis des Lagerblocks 48 möglich, z. B. mit einem Wälzlager, dessen Drehachse senkrecht zur Längsachse der Kolbenstange 26 und senkrecht zur Drehachse der Lagerrolle 32 ist. Analoges gilt im Übrigen auch für die Abstützung der Führungseinrichtung 28 gegenüber der Steuerbahn 42 am Abgreifzylinder 36.

Es versteht sich, dass aufgrund der größeren Masse des Abgreifzylinders 36 und/oder der mit der Lagerwelle 38 verbundenen anzutreibenden Teile die Bewegung des Kolbens 18 durch den Abgreifzylinder 36 erfolgt und nicht umgekehrt. Der Abgreifzylinder 36 wird im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 also eine im Wesentlichen gleichmäßige Drehgeschwindigkeit aufweisen (unter dem Begriff "gleichmäßig" wird hier nur verstanden, dass die Drehgeschwindigkeit des Abgreifzylinders 36 innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine 10 in etwa gleichmäßig ist; natürlich ist insgesamt die Drehzahl des Abgreifzylinders 36 veränderbar).

Die Bewegung des Kolbens 18 wird also durch die Form der Steuerbahn 42 bestimmt. Diese ist so gewählt, dass die Bewegung des Kolbens 18 an den jeweiligen Takt der Brennkraftmaschine 10 angepasst ist. So kann es z. B. gewünscht sein, ein möglichst gleichmäßiges Drehmoment während der Expansionsphase 54 im Brennraum 16 des Zylinders 12 zu erhalten. In diesem in Fig. 6 dargestellten Fall wird während der Expansionsphase die Abwicklung der Steuerbahn 42 im abfallenden Bereich 44 im Wesentlichen linear sein. Sobald der Kolben 18 in den Bereich des Auslasses 24 gelangt, kann der Kolben 18 beschleunigt nach unten geführt werden, um möglichst viel Zeit für die Spülung des Brennraums 16 mit neuem Kraftstoff-Luftgemisch zur Verfügung zu haben. Dies wird durch eine Vergrößerung der Steigung der Steuerbahn 42 im letzten Abschnitt 62 des abfallenden Bereichs 44 ermöglicht (vgl. Fig. 6).

Während der Spülung des Brennraums 16 wiederum soll der Kolben 18 möglichst lange in seinem unteren Totpunkt verbleiben. Dies wird durch den relativ flachen Anstieg mit geringer Steigung im Übergangsbereich 56 zwischen dem abfallenden Bereich 44 und dem ansteigenden Bereich 46 verwirklicht. In ähnlicher Weise ist auch am Ende des ansteigenden Bereichs 46, also im oberen Totpunkt des Kolbens 18, die Steuerbahn 42 relativ flach, d. h. der Kolben 18 verbleibt relativ lange stationär (Bereich 60).

Wird zu Beginn dieses flachen Abschnitts oder gegebenenfalls bereits gegen Ende der Kompressionsphase bereits gezündet, steht relativ viel Zeit zur Verfügung, während der der Druckaufbau im Brennraum 16 stattfinden kann. Dies ist für den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 10 ebenso wie für deren Emissionseigenschaften ebenfalls sehr vorteilhaft. Anschließend erfolgt wieder eine Expansionsphase 54 mit einem im Wesentlichen linearen Verlauf der Steuerbahn 42 auf der Mantelfläche 40 des Abgreifzylinders 36.

Aus den Fig. 1 und 6 ist ersichtlich, dass die Steuerbahn 42 auf der Mantelfläche 40 des Abgreifzylinders 36 insgesamt zwei Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine 10 entspricht (in Fig. 6 ist allerdings aus Symmetriegründen nur ein Zyklus dargestellt). Innerhalb eines Arbeitszyklus dreht sich der Abgreifzylinder 36 also nur um 180°.

In Fig. 7 ist die Abwicklung einer Steuerbahn 42 dargestellt, wie sie bei einem Viertaktmotor eingesetzt werden könnte. Ein solcher Motor ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Er wäre jedoch im Hinblick auf den Abgreifzylinder 36 sowie die Führungseinrichtung 28 identisch zu der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 ausgebildet.

Nach einem relativ flachen Verlauf der Steuerbahn 42 zwischen Kompression 58 und Expansion 54, also im oberen Totpunkt (Zündung) des Kolbens 18 (Bereich 60), erfolgt eine relativ langgestreckte Expansionsphase, welche durch das Bezugszeichen 54 angedeutet ist. Durch eine solchermaßen lange Expansionsphase 54 werden die Strömungs- und Reibungsverluste der Brennkraftmaschine 10 minimiert, was deren Wirkungsgrad erhöht. Nach der Expansion 54 erfolgt ein relativ schneller Ausstoß der heißen Verbrennungsgase (Phase 62). Dies ist ohne weiteres möglich, da die heißen Verbrennungsgase eine relativ geringe Viskosität aufweisen, so dass trotz hoher Strömungsgeschwindigkeit die Strömungsverluste gering sind. Der obere Totpunkt des Kolbens 18 nach dem Ausstoß der Verbrennungsgase liegt dabei unterhalb des oberen Totpunkts bei der Zündung 60. Hierdurch wird es ermöglicht, dass ein Anteil an Verbrennungsgasen im Brennraum verbleibt, was für das Emissionsverhalten einer Brennkraftmaschine günstig ist. Anschließend wird der Kolben 18 wieder relativ schnell nach unten bewegt, so dass Frischluft und Kraftstoff angesaugt werden können (Phase 64). Insgesamt wird durch diese Ausbildung der Steuerbahn also auch eine Brennkraftmaschine, welche nach dem Viertaktverfahren arbeitet, so gesteuert, dass die Bewegung des Kolbens an den jeweiligen Takt der Brennkraftmaschine angepasst ist.

In den Fig. 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen von Brennkraftmaschinen 10 dargestellt. Solche Teile, welche äquivalente Funktionen zu Elementen aufweisen, die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert worden sind, tragen die gleichen Bezugszeichen. Auf sie wird hier nicht nochmals im Detail Bezug genommen.

Die in Fig. 2 dargestellte Brennkraftmaschine 10 zeigt einen Abgreifzylinder 36, welcher auf seiner Mantelfläche 40 zwei zueinander parallele Steuerbahnen 42a und 42b aufweist. Entsprechend sind an der Kolbenstange 26 auch zwei Führungseinrichtungen 28a und 28b angeordnet, mit entsprechenden Lagerrollen 34a und 34b, sowie zwei Abstützungen 35 mit Lagerrollen 32a und 32b. Die obere rechte Lagerrolle 34a greift in die Steuerbahn 42a, wohingegen die untere rechte Lagerrolle 34b in die untere Steuerbahn 42b eingreift. Die linken Lagerrollen 32a und 32b sind zwischen den Schenkeln 50 des Lagerblocks 48 geführt. Durch diese Anordnung werden die Belastungen auf die einzelnen Führungseinrichtungen 28a und 28b reduziert, im Extremfall sogar halbiert. Gleiches gilt auch für die Belastungen der Steuerbahnen 42a und 42b am Abgreifzylinder 36. Durch diese Maßnahme kann die Robustheit der Brennkraftmaschine 10 erheblich erhöht werden.

Die in Fig. 3 dargestellte Brennkraftmaschine 10 unterscheidet sich von jener, welche in Fig. 2 dargestellt ist, dadurch, dass die Kolbenstange 26 an beiden Enden mit Kolben 18a und 18b verbunden ist. Auf diese Weise wird eine einfache zweizylindrige Brennkraftmaschine 10 geschaffen, welche äußerst schmal baut. Es versteht sich, dass die Kolben 18a und 18b in den Zylindern 12a und 12b im Gegentakt arbeiten.

In Fig. 4 ist eine Brennkraftmaschine 10 mit insgesamt sechs Zylindern 12a bis 12f dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 10 sind die Kolben (nicht dargestellt) in gleichem Winkelabstand um die Längsachse des Abgreifzylinders 36 herum angeordnet. Mit in Fig. 4 nicht dargestellten Führungseinrichtungen greifen sie in eine oder mehrere Steuerbahnen auf der Mantelfläche 40 des Abgreifzylinders 36. Entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Anordnung gegenüberliegender Zylinder 12 kann aus der in Fig. 4 dargestellten Anordnung auch leicht eine zwölfzylindrige Brennkraftmaschine hergestellt werden.

Fig. 5 zeigt einen Abgreifzylinder 36, welcher hohl ausgebildet ist. Der Abgreifzylinder 36 ist über kombinierte Radial-/Axiallager 66 um eine Längsachse 38 drehbar gehalten. Auf seiner innen liegenden Mantelfläche 40 trägt der Abgreifzylinder 36 eine Steuerbahn 42, welche sich über zwei Arbeitszyklen, also zwei Perioden, erstreckt.

In das Innere des Abgreifzylinders 36 erstreckt sich von oben herein eine Kolbenstange 26, welche in Fig. 5 nur symbolisch dargestellt ist. Gleiches gilt für die am unteren Ende der Kolbenstange 26 angeordneten zwei Führungseinrichtungen 28a und 28b, die ebenfalls nur schematisch dargestellt sind. Jedenfalls sind die beiden Führungseinrichtungen 28a und 28b diametral gegenüberliegend zur Kolbenstange 26 angeordnet und arbeiten jeweils mit der gleichen Steuerbahn 42 zusammen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung aus Abgreifzylinder 36 und Kolbenstange 26 bzw. Führungseinrichtung 28 treten keinerlei oder nur geringe Querkräfte auf, welche von der Kolbenstange 26 an den Kolben 18 übertragen werden können. Daher kann auf eine Abstützung mit einem Lagerblock, welcher bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen vorgesehen ist, vollständig verzichtet werden. Die Anzahl der möglichen Führungseinrichtungen 28 ist nur durch den technischen Aufwand bzw. die geometrischen Verhältnisse innerhalb des Abgreifzylinders 36 beschränkt.

Die Anzahl der Perioden bzw. Arbeitszyklen, welche von der Steuerbahn 42 abgebildet werden, muss jedoch mindestens der Anzahl der Führungseinrichtungen oder einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl an Führungseinrichtungen 28 entsprechen. Es versteht sich dabei, dass der Abgreifzylinder 36 in diesem Fall nicht bei jedem Arbeitstakt eine volle Umdrehung macht, sondern bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeipiel mit zwei Perioden und zwei Führungseinrichtungen 28a und 28b pro Arbeitszyklus bzw. Periode nur eine Umdrehung um 180° ausführt.

Claims (14)

1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kolben (18), mit einer mit dem Kolben (18) befestigten und translatorisch mit dem Kolben (18) bewegbaren Kolbenstange, mit mindestens einem achsparallel zu der Kolbenstange (26) angeordneten drehbaren Abgreifzylinder (36), der auf seiner Mantelfläche (40) mindestens eine in sich geschlossene Steuerbahn (42) aufweist, welche mit mindestens einer mit der Kolbenstange (26) verbundenen Führungseinrichtung (28) zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwicklung der Steuerbahn (42) auf der Mantelfläche (40) des Abgreifzylinders (36) so ausgebildet ist, dass die Bewegung des Kolbens (18) an den jeweiligen Takt der Brennkraftmaschine (10) angepasst ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwicklung der Steuerbahn (42) auf der Mantelfläche (40) des Abgreifzylinders (36) innerhalb eines Arbeitszyklus asymmetrisch ist, so dass sich ein Leistungstakt (54) der Brennkraftmaschine von mindestens einem anderen Takt (58, 62, 64) unterscheidet.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwicklung der Steuerbahn (42) auf der Mantelfläche (40) des Abgreifzylinders (36) im Bereich (60) jenes oberen Totpunkts des Kolbens (18), in dem in etwa die Zündung erfolgt, abgeflacht ist, so dass der Kolben (18) nach der Zündung zunächst keinen oder nur wenig Weg macht, wodurch die Druckaufbauphase verlängert wird.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwicklung der Steuerbahn (42) auf der Mantelfläche (40) des Abgreifzylinders (36) so ausgebildet ist, dass ein Leistungstakt, vorzugsweise der Expansionstakt (54), länger dauert als mindestens einer der anderen Takte (58, 62, 64).

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwicklung der Steuerbahn (42) auf der Mantelfläche (40) des Abgreifzylinders (36) so ausgebildet ist, dass im Expansionstakt (54) im Wesentlichen ein konstantes Drehmoment erzeugt wird.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (26) mit einer Abstützung (34, 48) verbunden ist, die der Führungseinrichtung (28) im Wesentlichen gegenüberliegt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung ein Rollenlager (34) umfasst, welches in einer zur Kolbenstange (26) achsparallelen Führung (48) gehalten ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgreifzylinder (36) auf seiner Mantelfläche (40) mindestens zwei Steuerbahnen (42a, 42b) aufweist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (26) mit mindestens zwei Führungseinrichtungen (28a, 28b) verbunden ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am gleichen Abgreifzylinder Führungseinrichtungen mehrerer Kolben (18a-18f) angreifen.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (18a-18f) in gleichem Winkelabstand um die Längsachse des Abgreifzylinders (36) herum angeordnet sind.

12. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (26) an jedem Ende mit mindestens einem Kolben (18a, 18b) verbunden ist.

13. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgreifzylinder (36) hohl ist und die Steuerbahn (42) auf seiner inneren Mantelfläche (40) ausgebildet ist.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (26) mit mehreren Führungseinrichtungen (28a, 28b) verbunden ist, die gleichmäßig über den Umfang der Kolbenstange (26) verteilt angeordnet sind, und mindestens eine Steuerbahn (42) auf der inneren Mantelfläche (40) des hohlen Abgreifzylinders (36) eine Anzahl von Perioden aufweist, die der Anzahl der Führungseinrichtungen (28a, 28b) oder einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl an Führungseinrichtungen (28a, 28b) entspricht.