DE10107921B4

DE10107921B4 - Vierzylinder-Verbrennungsmotor System Otto oder Diesel mit Kraftübertragung von den Brennräumen über vier starr mit einem Kulissenschieber verbundenen Kolben - Kulissenstein - Kurbelwelle

Info

Publication number: DE10107921B4
Application number: DE2001107921
Authority: DE
Inventors: Werner Fiebich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: DE10107921A1

Abstract

Otto- oder Diesel-Verbrennungsmotor (10) mit Zylindern (16, 18, 20, 22) und zugeordneten Kolben (24, 26, 28, 30), die mit einem Kulissenschieber (36) starr verbunden sind, wobei der Kulissenschieber (36) eine Kulisse (54) aufweist, in der ein Kulissenstein (38), der auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle (32) gelagert ist, beweglich geführt ist, so dass in einem Brennraum eines Zylinders (16, 18, 20, 22) erzeugte Energie über den zugeordneten Kolben (24, 26, 28, 30) über den Kulissenschieber (36) und den Kulissenstein (38) auf die Kurbelwelle (32) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse der den Kulissenstein (38) führenden Kulisse (54) in einem Winkel alpha zur Bewegungsrichtung der Kolben angeordnet ist, der von 90° abweicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Otto- oder Diesel-Verbrennungsmotor mit Zylindern und zugeordneten Kolben, die mit einem Kulissenschieber starr verbunden sind, wobei der Kulissenschieber eine Kulisse aufweist, in der ein Kulissenstein, der auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gelagert ist, beweglich geführt ist, so dass in einem Brennraum eines Zylinders erzeugte Energie über den zugeordneten Kolben über den Kulissenschieber und den Kulissenstein auf die Kurbelwelle übertragen wird.

Ein solcher Verbrennungsmotor ist aus der DE 100 07 346 A1 bekannt. Weiterer Stand der Technik, der ähnliche Konzepte zeigt, ist aus der FR 1 056 016 A , der DE 152 084 A , der FR 1 283 108 A , der DE 39 22 986 A1 sowie der DE 44 44 767 A1 bekannt.

Bei den genannten Schriften, die den Stand der Technik repräsentieren, liegt die Längsachse der Kulisse, längs der sich der Kulissenstein bewegt, in einem Winkel von 90° zur Kolbenbewegung. Dadurch besitzt die resultierende der Gaskräfte in den Totpunkten der Kolbenbewegung eine Richtung, die ebenfalls um 90° versetzt zur Längsachse der Kulisse und damit parallel zur Bewegungsrichtung des Kulissensteins wirkt. Dadurch entsteht in den Totpunkten der Kolbenbewegung aus den Gaskräften kein Drehmoment. Erst wenn die Kolben durch Trägheitskräfte aus der Totpunktlage ausgelenkt werden, entsteht durch den dann existierenden Hebelarm ein Drehmoment.

Zur Zeit werden Verbrennungsmotoren, die nach dem System Otto oder dem System Diesel arbeiten, in der Luft, auf dem Wasser, auf der Straße und Schiene, als Antrieb für die vielfältigsten Maschinen, auch ortsfest, eingesetzt. Entsprechend ihrem Verwendungszweck vom Spielzeugmotor bis zum Schiffsdiesel gibt es vielerlei Varianten, zum Beispiel Zwei- oder Viertaktverfahren, Benzin-, Gas-, Diesel- oder Schweröl als Betriebsstoff usw..

Die Kraftübertragung herkömmlicher Motoren vom Brennraum zur Kurbelwelle ist mit dem System aus Kolben, bei Großmotoren dem System aus Kolben plus Kreuzkopf (geradlinige Bewegung) – Pleuel – Kurbelwelle – (rotierende Bewegung) nicht optimal gelöst. Außerdem ist diese Bauweise aufwendig in der Anzahl und Komplexität der benötigten Bauteile, dem Fertigungsaufwand und in der notwendigen Materialqualität. Das Gewicht der kraftübertragenden Teile ist hoch, der Platzbedarf reduzierbar und der Wirkungsgrad verbesserungsfähig.

Der aus den eingangs genannten Schriften bekannte Stand der Technik weist gegenüber diesen herkömmlichen Verbrennungsmotoren bereits den Vorteil auf, dass die Zahl der beweglichen Teile des Verbrennungsmotors reduziert ist.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Verbrennungsmotoren der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Längsachse der den Kulissenstein führenden Kulisse in einem Winkel zur Bewegungsrichtung der Kolben angeordnet ist, der von 90° abweicht.

Dadurch ist auch in den Totpunkten der Kolbenbewegung eine in Richtung der Bewegung des Kulissensteins wirkende Kraftkomponente (Tangentialkraftkomponente) vorhanden, die die Kurbelwelle auch ohne Trägheitskräfte (d.h. ohne Schwungmasse) über den Totpunkt der Kolbenbewegung hinwegdreht. Dadurch wird das Anlaufen und der Gleichlauf des Motors verbessert und ein Rückdrehen des Verbrennungsmotors beim Start (Rückwärtslaufen) verhindert.

Es ist bevorzugt, dass die Anzahl der Zylinder vier oder ein Mehrfaches von vier beträgt.

Es ist ein Vorteil des vorgestellten Motorenkonzepts, dass bei einer Erweiterung um jeweils vier Zylinder die Kurbelwelle nur um eine Kröpfung und ein Hauptlager erweitert werden muss.

Diese Variante ist für Motoren größerer Leistung vorteilhaft oder wenn auf optimale Laufruhe Wert gelegt wird.

Bevorzugt ist auch, dass die Kurbelwelle einseitig fliegend gelagert wird.

Diese Ausgestaltung ist bei vertikaler Einbaulage und bei Motoren kleiner Leistung vorteilhaft. Außerdem werden die Vorteile bei den Herstellungskosten und dem Gewicht des Verbrennungsmotors bei dieser Variante maximiert.

Bevorzugt ist auch, dass bei einem Vierzylindermotor die Zylinder eins und drei als Motor und die Zylinder zwei und vier als Kompressor oder Pumpe für flüssige oder gasförmige Stoffe betrieben wird.

Die preiswerte Fertigung, die kompakte Form und das geringere Gewicht bieten, besonders bei mobilen Geräten, deutliche Vorteile.

Ferner ist bevorzugt, dass anstelle des Kulissensteins ein Wälzlager eingesetzt wird.

Diese Ausgestaltung ist bei Kleinmotoren (Modell- und Spielzeugmotoren) vorteilhaft, da die Leichtlaufeigenschaft verbessert wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gewicht des Kulissenschiebers an mitlaufenden Rollen hängend auf eine Schiene übertragen wird.

Diese Ausgestaltung ist bei Groß-Motoren vorteilhaft, da die Reibung der Kolben in den Zylindern dadurch beträchtlich reduziert wird.

Ferner ist bevorzugt, dass das Gewicht des Kulissenschiebers auf mitlaufenden Rollen stehend auf eine Schiene übertragen wird.

Diese Bauart ist vorteilhaft bei Groß-Motoren, da die Reibung der Kolben in den Zylindern beträchtlich reduziert wird.

Im Folgenden werden Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:

1 das Grundkonzept eines Verbrennungsmotors der eingangs genannten Art, wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist;

2 eine obere Hälfte einer an Rollen geführten Halbkulisse;

3 eine untere Hälfte einer an Rollen geführten Halbkulisse; und

4 einen Kulissenschieber mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung (Schräganordnung) der Kulisse.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem zweiteiligen Gehäuse 12, 14 und Zylindern 16, 18, 20 und 22, in denen Kolben 24, 26, 28 und 30 beweglich geführt sind. Die vier Zylinder 16, 18, 20 und 22 liegen paarweise im rechten Winkel zur Kurbelwelle 32 angeordnet, die sich um einen Drehpunkt 34 dreht, im Boxersystem. Anders als bei konventionellen Vierzylinder-Boxermotoren liegen sie nicht axial hintereinander zur Kurbelwelle, sondern übereinander. Die in den Brennräumen (Zylinder 16, 18, 20, 22) erzeugte Energie wird vom jeweiligen Kolben 24, 26, 28, 30 über den zentralen Kulissenschieber 36/Kulissenstein 38 zur Kurbelwelle 32 übertragen. Alle vier Kolben 24, 26, 28, 30 sind starr mit dem Kulissenschieber 36 verbunden. Der Kulissenstein 38 sitzt auf dem Kurbelzapfen 40 und dient gleichzeitig als Lager. Das Motorgehäuse 12, 14 ist zweiteilig. Wie bereits erwähnt, bezeichnet die Ziffer 34 den Drehpunkt oder die Mittelachse der Kurbelwelle 32.
Funktion
Zustand zum Beginn der Funktionsbeschreibung

Kolben 24 und 28 sind ganz links im oberen Totpunkt.
Brennraum 16 (Zylinder 16) = komprimiertes Gemisch.
Brennraum 18 (Zylinder 18) = gefüllt mit Gemisch.
Brennraum 20 (Zylinder 20) = leer
Brennraum 22 (Zylinder 22) = mit Abgas gefüllt.
Zündung Brennraum 16 (Zylinder 16)
Brennraum 16 (Zylinder 16) = Explosion treibt Kolben 24 nach rechts. Brennraum 18 (Zylinder 18) = Gemisch wird verdichtet.
Brennraum 20 (Zylinder 20) = Gemisch wird eingesaugt.
Brennraum 22 (Zylinder 22) = Abgas wird ausgestoßen.
Die Kurbelwelle 32 wird um 180 Grad im Uhrzeigersinn gedreht.

Zustand nach der Explosion (Verbrennung) im Brennraum 16 (Zylinder 16)

Kolben 26 und Kolben 30 sind ganz rechts im oberen Totpunkt.
Brennraum 16 (Zylinder 16) = mit Abgas gefüllt.
Brennraum 18 (Zylinder 18) = komprimiertes Gemisch.
Brennraum 20 (Zylinder 20) = gefüllt mit Gemisch.
Brennraum 22 (Zylinder 22) = leer
Zündung Brennraum 18 (Zylinder 18) usw.

Die Zündfolge kann 1, 2, 3, 4, oder 1, 4, 3, 2, sein, wobei die Ziffernfolge 1, 2, 3, 4 die Zylinderfolge 16, 18, 20, 22 bezeichnet.
Für die Motorsteuerung, die Kraftstoffaufbereitung, die Zündung und die Abgasentsorgung werden herkömmliche Bauteile verwendet.
Der Motor 10 kann als Gas-, Benzin- oder Dieselmotor betrieben werden.
Im Zweitaktbetrieb wäre die Zündfolge 1 und 3 (Zylinder 16, 20) gleichzeitig; nach 180 Grad Kurbelwinkel 2 und 4 (Zylinder 18, 22) gleichzeitig.
Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren mit herkömmlichem Kurbeltrieb:
1. Kosteneinsparung bei der Herstellung.

1. Weniger Bauteile. Gegenüber einem konventionellen 4-Zylinder-Reihenmotor fallen weg: vier Kolbenbolzen, acht Federringe, vier Pleuel, vier Lagerbuchsen im kleinen Pleuelauge, acht Schrauben, acht Muttern, acht Lagerhalbschalen im großen Pleuelauge. Bei Großmotoren fallen zusätzlich weg: Stößel zwischen Kolben und Kreuzkopf, der Kreuzkopf und dessen Führungselemente. Hinzu kommen Ein Kulissenschieber 38 (2-teilig) und ein Kulissenstein 36 (2-teilig).
2. Kleinere Bauteile. Die Kurbelwelle hat an Stelle von vier Kröpfungen nur noch eine Kröpfung, dadurch erübrigen sich: drei Kurbelzapfen + Wangen (Hubstücke), drei Hauptlager, sechs Lagerhalbschalen, drei Lagerböcke, sechs Schrauben. Das Kolbenhemd und die Kolbenbolzen-Bohrung entfallen, dadurch können die Kolben sehr kurz gebaut werden. Die Zylinder werden entsprechend Kürzer, die Baubreite des Motors analog dazu um das doppelte schmäler.
3. Einfachere Fertigung. Die Kolben 24, 26, 28, 30 sind einfache Drehteile. Maßnahmen gegen Verzug durch Temperatur entfallen. Der Kulissenstein 36 ist einfach zu fertigen. Der Kulissenschieber 38 und auch der Kulissenstein 36 kann bei gebauter Kurbelwelle 32 oder entsprechend konstruierter Kurbelwelle 32 auch einteilig sein. Die kürzeren Zylinder 16, 18, 20, 22 sind einfacher und schneller zu bearbeiten. Der Fertigungsaufwand an Maschinen, Werkzeugen und Material wird deutlich reduziert.
4. Geringeres Gewicht; geringerer Platzbedarf. Durch die wegfallenden und grössenreduzierten Teile (überwiegend aus Schwermetall gefertigt) wird der Motor 10 spürbar leichter. Dadurch können auch die Motoraufhängung bzw. Tragvorrichtungen leichter gebaut werden. Das geringere Gewicht ist im Flug- und Fahrzeugbau vorteilhaft.
5. Durch die kurze Bauweise (ein Vierzylinder-Motor ist so lang wie ein konventioneller Einzylinder-Motor) wird in Längsrichtung mehr Platz gewonnen als durch die liegenden Zylinder in der Breite verloren geht. Durch die kürzeren Zylinder baut der Motor 10 schmäler als ein Boxer- oder 180 Grad-V-Motor.
6. Der Motor kann sowohl in horizontaler wie in vertikaler Einbaustellung betrieben werden. Dadurch kann in vielen Fällen ein Umlenkgetriebe entfallen, was die Vorteile nach Punkt 1 vermehrt.
7. Betriebskostenreduzierung. Durch die Gewichtsreduzierung ergeben sich in Flug- und Fahrzeugen niedrigere Verbräuche.
8. Der Motor hat deutlich weniger Schmierflächen, dadurch sinkt der Schmiermittel-Verbrauch.
9. Die hin und her zu bewegende Masse ist niedriger, was den Wirkungsgrad erhöht und der Laufruhe zugute kommt. Verdreh-Schwingungen der Kurbelwelle sind geringer, dadurch ergibt sich eine höhere Lebensdauer.
10. Sonstiges. Schräg wirkende Kräfte werden von allen vier Kolben gleichzeitig aufgenommen und eliminiert, was der Laufruhe zugute kommt.

Die Luftverwirbelung im Motor ist geringer, da ein Teil der Luft im Motor nur hin und her geschoben wird.
2 zeigt eine obere Hälfte 42 eines zweigeteilten Kulissenschiebers 36, wobei das das Gewicht des Kulissenschiebers (36) an mitlaufenden Rollen 44 hängend auf eine Schiene 46 übertragen wird.
Entsprechend zeigt die 3 eine untere Hälfte 48 eines Kulissenschiebers 36 mit einer anderen Ausgestaltung einer Paarung aus Rollen 50 und Schiene 52 (stehende Rollen 50).
4 zeigt einen Kulissenschieber 36 mit einer erfindungsgemäßen Schräganordnung einer Kulisse 54, die um einen Winkel alpha aus einer rechtwinkligen Anordnung der Kulissenlängsachse zur Bewegungsrichtung von Kolben 24, 26, 28, 30 aus 1 verdreht angeordnet ist.

Claims

Otto- oder Diesel-Verbrennungsmotor (10) mit Zylindern (16, 18, 20, 22) und zugeordneten Kolben (24, 26, 28, 30), die mit einem Kulissenschieber (36) starr verbunden sind, wobei der Kulissenschieber (36) eine Kulisse (54) aufweist, in der ein Kulissenstein (38), der auf einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle (32) gelagert ist, beweglich geführt ist, so dass in einem Brennraum eines Zylinders (16, 18, 20, 22) erzeugte Energie über den zugeordneten Kolben (24, 26, 28, 30) über den Kulissenschieber (36) und den Kulissenstein (38) auf die Kurbelwelle (32) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse der den Kulissenstein (38) führenden Kulisse (54) in einem Winkel alpha zur Bewegungsrichtung der Kolben angeordnet ist, der von 90° abweicht.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zylinder (16, 18, 20, 24) vier oder ein Mehrfaches von vier beträgt.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Kurbelwelle (32) einseitig fliegend gelagert wird.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Vierzylindermotor die Zylinder (16, 20) eins und drei als Motor und die Zylinder (18, 20) zwei und vier als Kompressor oder Pumpe für flüssige oder gasförmige Stoffe betrieben werden.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Kulissensteins (38) ein Wälzlager eingesetzt wird.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Gewicht des Kulissenschiebers (36) an mitlaufenden Rollen (44) hängend auf eine Schiene (46) übertragen wird.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht des Kulissenschiebers (36) auf mitlaufenden Rollen (50) stehend auf eine Schiene (52) übertragen wird.