DE102004018686A1

DE102004018686A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004018686A1
Application number: DE200410018686
Authority: DE
Inventors: Hagen Dipl.-Ing. Müller; Thomas Dipl.-Ing. Stolk; Alexander Von Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2004-04-17
Filing date: 2004-04-17
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem Kolben (1) und einem zugehörigen Pleuel (2), die über eine Gleitflächenverbindung verbunden sind, wobei die Gleitflächenverbindung eine Schwenkbewegung des Pleuels um eine virtuelle Drehachse (12) ermöglicht und mindestens ein mit dem Pleuel fest verbundener Gleitschuh (7) in einer Führungskurve am Kolben geführt ist, durch deren Verlauf die virtuelle Drehachse oberhalb des Kolbens angeordnet und die wirksame Länge des Pleuels verlängert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Aus der US 5,413,074 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Kolben und Pleuel bekannt, bei der der Kolben und das Pleuel nicht wie üblich über einen Kolbenbolzen verbunden sind, sondern das obere Pleuelende mit einem Gleitschuh versehen ist, der in einer kreisförmigen Zylindergleitfläche des Kolbens schwenkbar gelagert ist. Die Drehachse, um die sich das Pleuel im Kolben dreht, wird durch die Mittellinie des kreisförmigen Zylinders der Gleitfläche gebildet und liegt im Kolben bezüglich des Kolbenbodens ähnlich wie eine Mittenlinie eines üblichen Kolbenbolzens.

Als weiterer Stand der Technik ist aus der EP 0 449 278 B1 eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Kolben und Pleuel bekannt, bei der das obere Ende des Pleuels mit einem kugelschalenförmigen Gleitschuh versehen ist, der sich in einer sphärischen Ausnehmung im Kolben bewegen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Kolben-Pleuel-Verbindung zur Verfügung zu stellen, bei der bei gegebener Oberkante des Kolbens, was gleichbedeutend ist mit einer festen Deckhöhe des dazugehörigen Zylindergehäuses, die wirksame Pleuellänge bei gleichem Hub der Kurbelwelle zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mitden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass durch den Verlauf der Führungskurve die virtuelle Drehachse oberhalb des Kolbens angeordnet und die wirksame Länge des Pleuels verlängert ist. Durch Vergrößern der wirksamen Pleuellänge wird der Quotient aus dem halben Hub der Kurbelwelle und der wirksamen Pleuellänge, das sogenannte Pleuelverhältnis lambda, kleiner, und störende freie Massenkräfte und Massenmomente aus der Kurbeltriebskinematik werden kleiner. Im Idealfall werden das Pleuelverhältnis lambda und die freien Massenkräfte und -momente so klein, dass beispielsweise bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine in Vierzylinder-Reihen-Bauart ohne Komforteinbußen auf einen Lanchester-Massenausgleich verzichtet werden kann. Mit einer Führungskurve im Kolben für den Gleitschuh am oberen Ende des Pleuels, die eine beliebige Form aufweisen kann und bei der der Gleitschuh in der Führungskurve direkt gleitet oder über Wälzkörper abgestützt ist, ist es möglich, die virtuelle Drehachse so oberhalb des Kolbens zu verschieben, dass die wirksame Pleuellänge vergrößert wird, ohne dabei die tatsächliche geometrische Pleuellänge zu verändern.

In einer Ausgestaltung der Erfindung entspricht die wirksame Länge des Pleuels mindestens dem 1,1-fachen Wert der geometrischen Länge des Pleuels. Auf diese Weise wird mit einer Verlängerung um mindestens 10% bereits eine Verringerung von lambda um mindestens 10% mit den Vorteilen der Verringerung der freien Massenkräfte und -momente erreicht, ohne einen zu großen Schwenkbereich des Pleuels vorzusehen zu müssen. Die freien Massenkräfte und -momente höherer Ordnung verringern sich entsprechend der Potenz der Ordnung. Beispielsweise bedeutet ein Verlängerungsfaktor von 1,1 bei den freien Massenkräften und -momenten der zweiten Ordnung eine Verbesserung um 1,1², d.h. eine Verbesserung von 1,21, entsprechend 21%.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung entspricht die wirksame Länge des Pleuels ungefähr dem 1,5- bis 2-fachen Wert der geometrischen Länge des Pleuels. Durch eine derartige Verlängerung der wirksamen Länge des Pleuels werden die Auswirkungen der freien Massenkräfte und -momente nochmals verbessert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Gleitschuh zwischen zwei zumindest annähernd äquidistanten Führungskurven geführt. Der Gleitschuh am oberen, d.h. kolbenseitigen Ende des Pleuels greift seitlich des Pleuels in eine Aussparung des Kolbens in einen Bereich im Kolben, in dem bei einer üblichen Ausführung eines Kolbens der Kolbenbolzen und die Kolbenbolzenaugen angeordnet sind. Um eine möglichst genaue und geräuscharme Führung des Gleitschuhs im Kolben zu ermöglichen, ist es wichtig, dass der Gleitschuh bei allen Kolbenbewegungen möglichst spielfrei im Kolben geführt ist. Dazu wird der Gleitschuh zwischen zwei Führungskurven geführt. Der Gleitschuh kann dabei direkt über die Führungskurven gleiten oder sich über eine Wälzlagerung wie beispielsweise Rollen- oder Nadellager abgestützt zwischen den Führungskurven bewegen. Da der Kolben bei seiner Hubbewegung beschleunigt und gebremst wird, ist es wichtig, dass der Gleitschuh in beiden Richtungen geführt wird. Bei einer äquidistanten Anordnung der Führungskurven ist ein spielfreier Betrieb gegeben.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Führungskurve aus Kreisbogenabschnitten, Ellipsenabschnitten, Hyperbelabschnitten, Parabelabschnitten und/oder einer beliebigen stetigen mathematischen Funktion stetig zusammengesetzt. Stetig bedeutet in diesem Falle, dass nicht nur die mathematischen Funktionen der einzelnen Führungskurvenabschnitte stetig sind, sondern auch die Übergänge zwischen den einzelnen Abschnitten sowohl tangenten- als auch krümmungsstetig sind. Dies ist notwendig, um eine ruckfreie Bewegung des Kolbens zu erzeugen. Bei einer Ausführung der Führungskurve als Kreisbogenabschnitt liegt der Schnittpunkt der-virtuellen Drehachse mit der Bewegungsebene des Pleuels auf einer Parallelen zur Zylinderlängsachse mit einem konstanten Abstand zur Kolbenoberseite. Bei einer Ausführung der Führungskurve aus einem Zusammenschluss von einem oder mehreren Ellipsenabschnitten, Hyperbelabschnitten, Parabelabschnitten und/oder einer beliebigen stetigen mathematischen Funktion liegt die virtuelle Drehachse mit einem variablen Abstand oberhalb der Kolbenoberseite, kann sich aber auch durch extreme Auslegung schwenkwinkelabhängig unterhalb der Kolbenoberseite befinden. Die wirksame Pleuellänge ist somit abhängig vom Schwenkwinkel des Pleuels und folglich abhängig von der Stellung des Hubzapfens der Kurbelwelle.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Führungskurve als Leitkurve eines Zylinderabschnittes ausgeführt, der Gleitflächen bildet, mit denen der Gleitschuh in Linienberührung steht. Um die hohe Belastung der Berührfläche zwischen dem Gleitschuh und dem Kolben zu verringern, ist vorgesehen, den Gleitschuh auf einer Zylinderfläche im Kolben zu bewegen. Auf diese Weise werden die Kolbenkräfte in einer Linienberührung auf das Pleuel übertragen und die Flächenpressung in der Verbindung verringert. Die Leitkurve des Zylinderabschnittes, auf dem sich der Gleitschuh bewegt, ist aus Kreisbogenabschnitten, Ellipsenabschnitten, Hyperbelabschnitten, Parabelabschnitten und/oder einer beliebigen stetigen mathematischen Funktion stetig zusammengesetzt. Die geometrische Auslegung des Zylinderabschnittes ist abhängig vom Schwenkwinkel des Pleuels um die virtuelle Drehachse und von der Länge des Zylinders bzw. des Gleitschuhs, die wiederum von der Belastung der Verbindung abhängig ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Gleitschuh und die Führungskurven symmetrisch zur Bewegungsebene des Pleuels ausgebildet. Auf diese Weise wird das Pleuel gleichmäßig belastet und es besteht keine Gefahr einer einseitigen Überlast und des Ausknickens des Pleuels.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Gleitschuh und die Führungskurven durch Schmieröl geschmiert, das über das Pleuel zugeführt wird. Das Schmieröl wird durch eine hohle Längsbohrung im Pleuelschaft zum oberen Ende befördert und tritt dort aus, um den Gleitschuh und die Führungskurven zu schmieren und gegebenenfalls zu kühlen. Mit diesem Öl kann auch der Kolben gekühlt werden.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur einen Kolben und ein Pleuel in einer Ansicht auf die Pleuelbewegungsebene.
In der Figur sind ein Kolben 1 und ein Pleuel 2 für eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine in einer Ansicht auf die Pleuelbewegungsebene dargestellt. Der Kolben 1 ist geschnitten dargestellt. Der Kolben 1 besteht im Wesentlichen aus einem Kolbenboden 3, einem Kolbenschaft 4 und einer Aufnahmevorrichtung 5 für das Pleuel 2. Die Aufnahmevorrichtung 5 ist unterhalb des Kolbenbodens 3 angeordnet und weist auf der dem Pleuel zugewandten Seite eine erste zylindrische Fläche 6 auf. Diese erste zylindrische Fläche 6 ist aus einer Leitkurve gebildet, die sich senkrecht zur Pleuelbewegungsebene erstreckt. Die Leitkurve der ersten zylindrischen Fläche 6 kann aus Kreisbogenabschnitten, Ellipsenabschnitten, Hyperbelabschnitten, Parabelabschnitten und/oder einer beliebigen stetigen mathematischen Funktion stetig zusammengesetzt sein und ist in der Figur aus Vereinfachungsgründen als Kreisbogen dargestellt. Die erste zylindrische Fläche 6 bildet die obere Führungskurve, auf der sich das Pleuel 2 mit seinem Gleitschuh 7 gleitend bewegt.
Der Gleitschuh 7 erstreckt sich auf beiden Seiten des Pleuels 2 senkrecht zur Pleuelbewegungsebene und ist mit dem Pleuel 2 einstückig fest verbunden. Es ist aber auch möglich, den Gleitschuh 7 nachträglich am Pleuel 2 zu befestigen und dabei aus einem anderen Material als dem Pleuelwerkstoff herzustellen. Die Krümmung des Gleitschuhs 7 an seiner oberen Seite 8 entspricht der Krümmung der ersten zylindrischen Fläche 6. Die beiden Flächen 6, 8 sind so gegeneinander abgestimmt, dass im Idealfall die gesamte obere Seite 8 des Gleitschuhs 7 an der ersten zylindrischen Fläche 6 anliegt, mindestens jedoch eine zweifache Linienberührung stattfindet. Um ein Abheben des Gleitschuhs 7 von der ersten zylindrischen Fläche 6 zu verhindern, ist der Kolben 1 an seiner Unterseite mit einem Joch 9 versehen, das eine zweite zylindrische Fläche 10 aufweist, die zur ersten zylindrischen Fläche 6 äquidistant verläuft. Auf der zweiten zylindrischen Fläche 10 bewegt sich der Gleitschuh 7 auf die gleiche Weise wie auf der ersten zylindrischen Fläche 6. Durch die äquidistante Anordnung der beiden zylindrischen Flächen 6, 10 und eine nahezu spielfreie Einpassung des Gleitschuhs 7 zwischen diesen beiden Flächen ist ein geräusch- und verschleißarmer Betrieb der Kolben-Pleuelverbindung möglich.
Das Pleuel 2 schwenkt nicht wie üblich um eine Kolbenbolzenachse unterhalb des Bereichs der Kolbenringe 11. Stattdessen ist die Drehachse 12, um die das Pleuel 7 schwenkt, in einem Bereich oberhalb des Kolbens 1 bzw. des Kolbenbodens 3 angeordnet. Bei einer Ausführung, wie in der Figur dargestellt, ist die Drehachse 12 mit einer Mittenachse der kreiszylindrischen Flächen 6, 10 deckungsgleich. Durch die Verschiebung der Drehachse 12 in einen Bereich oberhalb des Kolbens 1 wird die wirksame Pleuellänge gegenüber einer konventionellen Kolben-Pleuelverbindung über einen Kolbenbolzen wesentlich verlängert. Eine Verlängerung der wirksamen Pleuellänge ermöglicht neben einer Verringerung der Deckhöhe des Zylindergehäuses vor allem einen wesentlich laufruhigeren Betrieb der Brennkraftmaschine, da mit kleiner werdendem Pleuelverhältnis lambda die freien Massenkräfte und -momente aus der Kurbeltriebsmechanik ebenfalls geringer werden.
Das Pleuelverhältnis kennzeichnet das Verhältnis des Radius der Hubzapfenbewegung der Kurbelwelle zu der wirksamen Länge des Pleuels. Die wirksame Länge des Pleuels ist der Abstand der Drehachse 13 des Pleuels 2 um den Hubzapfen der Kurbelwelle zu der Drehachse 12 des Pleuels am oberen Ende im Bereich des Kolbens 1. Bei einer Ausführung mit kreiszylindrischen Flächen 6, 10 ist die Drehachse 12 immer auf dem gleichen Abstand zum Kolbenboden 3 und die wirksame Pleuellänge ist konstant.
Bei einer Ausführung mit Zylinderflächen 6, 10 deren Leitkurve aus mehreren Teilkurven stetig zusammengesetzt ist, ist die Lage der Drehachse sowohl seitwärts als auch im Abstand zum Kolbenboden 3 variabel und abhängig von der Leitkurve der Zylinderflächen 6, 10 und vom Schwenkwinkel des Pleuels 2, der wiederum vom Drehwinkel der Kurbelwelle abhängig ist. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur über die Triebwerkskinematik Einfluss auf die Laufruhe zu nehmen, sondern auch der Verbrennungsverlauf in Abhängigkeit des Kurbelwinkels lässt sich einfach verändern.

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem Kolben (1) und einem zugehörigen Pleuel (2), die über eine Gleitflächen- oder Wälzverbindung verbunden sind, wobei die Gleitflächen- oder Wälzverbindung eine Schwenkbewegung des Pleuels um eine virtuelle Drehachse (12) ermöglicht und mindestens ein mit dem Pleuel fest verbundener Gleitschuh (7) in einer Führungskurve am Kolben geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Verlauf der Führungskurve die virtuelle Drehachse (12) oberhalb des Kolbens (1) angeordnet und die wirksame Länge des Pleuels (2) verlängert ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Länge des Pleuels (2) mindestens dem 1,1-fachen Wert der geometrischen Länge des Pleuels entspricht.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Länge des Pleuels (2) ungefähr dem 1,5-bis 2-fachen Wert der geometrischen Länge des Pleuels entspricht.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitschuh (7) zwischen zwei zumindest annähernd äquidistanten Führungskurven geführt ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskurve aus Kreisbogenabschnitten, Ellipsenabschnitten, Hyperbelabschnitten, Parabelabschnitten und/oder einer beliebigen stetigen mathematischen Funktion stetig zusammengesetzt ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungskurve als Leitkurve eines Zylinderabschnittes ausgeführt ist, der Gleitflächen (6, 10) bildet, mit denen der Gleitschuh (7) in Linienberührung steht.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitschuh (7) und die Führungskurven symmetrisch zur Bewegungsebene des Pleuels (2) ausgebildet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitschuh (7) und die Führungskurven durch Schmieröl geschmiert ist, das über das Pleuel (2) zugeführt wird.