DE102005002773B4

DE102005002773B4 - Kolbenkraftmaschine mit einem Fast-Geradführungsmechanismus

Info

Publication number: DE102005002773B4
Application number: DE102005002773A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Toyota Yaguchi; Sawada Toyota Daisaku
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: US20050178353A1; DE102005002773A1; US7213563B2; JP4148144B2; JP2005207479A

Abstract

Kolbenkraftmaschine mit:
einem Zylinder (10);
einem Kolben (20), der so konfiguriert ist, dass er sich in dem Zylinder (10) vor- und zurückbewegt, wobei eine Vor- und Zurückbewegungsrichtung des Kolbens als Vertikalrichtung definiert ist;
einer Kurbelwelle (40), die so konfiguriert ist, dass sie sich um eine Antriebsachse (42) dreht;
einer Verbindungsstange (30), die so konfiguriert ist, dass sie den Kolben (20) mit der Kurbelwelle (40) verbindet; und
einem Fast-Geradführungsmechanismus, der mit einem den Kolben (20) und die Verbindungsstange (30) verbindenden Verbindungsabschnitt verbunden ist, zum Regulieren der Bewegung des Verbindungsabschnitts derart, dass sich der Verbindungsabschnitt an einer fast geraden Linie entlang einer Richtung einer Mittelachse des Zylinders (10) bewegt, wobei
der Fast-Geradführungsmechanismus ein Schwinghebel-Fast-Geradführungsmechanismus ist, der ein erstes und ein zweites seitliches Anschlusselement (52, 54) und ein vertikales Anschlusselement (56) hat,
ein erstes Ende (210) des ersten Anschlusselements (52) eine drehbare, einseitige Stützkonstruktion hat, so...

Description

Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2004-13851 , die am 22. Januar 2004 eingereicht wurde, deren Offenbarung hiermit unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingegliedert ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben-Kurbelmechanismus, der in einer Kolbenkraftmaschine, wie z. B. einer Brennkraftmaschine mit interner oder externer Verbrennung verwendet wird.
Im Allgemeinen macht die Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder zumindest die Hälfte der gesamten Reibung einer Kolbenkraftmaschine aus. Dementsprechend gibt es im Stand der Technik verschiedene Ausgestaltungen, mit denen versucht wird, diese Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu verringern. Beispielsweise ist in dem in der JP-2001-50362A offenbarten Kolben-Kurbelmechanismus eine Konstruktion offenbart, bei der der Kolben und die Kurbel durch ein freies Anschlusselement verbunden sind. Dieser Mechanismus ist so konstruiert, dass sichergestellt ist, dass der Winkel, der durch die Achse des freien Anschlusselements relativ zu der Mittelachse des Kolbens an der Mitte des Bewegungspfads des Kolbens ausgebildet ist, so klein wie möglich gehalten ist.
Da jedoch die Mechanismen des Stands der Technik beträchtlich vergrößert werden müssen, damit sie zum Verringern der Reibung zufriedenstellend sind, tritt das Problem darin auf, dass eine solche Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder nicht zufriedenstellend verringert werden kann. Ferner besteht ein zusätzliches Problem mit den herkömmlichen Mechanismen darin, dass das Anbringen des Mechanismus an dem Kolben ein ziemlich komplizierter Vorgang ist.
Beispielsweise ist aus der DE 689 23 974 T2 ein Fast-Geradführungsmechanismus bekannt, bei dem das Ende der Kolbenstange mit zwei Anschlusselementen verbunden ist, die wiederum an einem Festpunkt bzw. an weiteren Anschlusselementen angeschlossen sind. Diese Anschlusselemente sind jeweils durch parallele Schenkel gebildet, deren Ende über Bolzen mit dem Festpunkt bzw. den Enden der Schenkel eines benachbarten Anschlusselements verbunden sind.
Aus der nachveröffentlichten WO 2005/033592 A3 ist zwar ein Fast-Geradführungsmechanismus bekannt, bei dem eines der Anschlusselemente auf halbem Weg mit einem anderen Anschlusselement verbunden ist, jedoch ist auch in dieser Entgegenhaltung ausschließlich ein aufgegabelter Aufbau der Anschlusselemente offenbart.
Ausgehend von dem aus der DE 689 23 974 T2 bekannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Mechanismus zum Verringern der Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu schaffen, bei dem zudem der Vorgang zum Befestigen des Mechanismus an dem Kolben nicht übermäßig komplex ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kolbenkraftmaschine mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Da unter Verwendung der beanspruchten Konstruktion die ersten Enden der ersten und zweiten seitlichen Anschlusselemente eine einseitige Stützkonstruktion haben, die dem ersten und dem zweiten seitlichen Anschlusselement ermöglichen, während dem Zusammenbau einfach von einer einzelnen Richtung angebracht zu werden, kann der Mechanismus einfach zusammengebaut werden.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Ausgestaltungen realisiert werden und kann beispielsweise als ein Kolben-Kurbelmechanismus, eine Kolbenkraftmaschine oder ein sich bewegender Körper durchgeführt werden, der eine solche Kolbenkraftmaschine aufweist.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
1A und 1B zeigen einen Vergleich zwischen dem Kolben-Kurbelmechanismus gemäß dem Stand der Technik und einem Kolben-Kurbelmechanismus, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
2A–2C veranschaulichen die Anschlusselementkonstruktion eines Kolben-Kurbelmechanismus gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3A–3D veranschaulichen die Änderungen in der Konfiguration des Kolben-Kurbelmechanismus, die während der Kolbenbewegung auftreten;
4A und 4B zeigen ein bestimmtes Beispiel von Abmessungen des Kolben-Kurbelmechanismus des Ausführungsbeispiels und die Bewegungsbahn des sich bewegenden Anschlusspunkts A;
5 ist eine vertikale Schnittansicht eines bestimmten Beispiels des Kolben-Kurbelmechanismus des Ausführungsbeispiels;
6 ist eine Zeichnung, die einen Kolben-Kurbelmechanismus unter Verwendung des Fast-Geradführungsmechanismus eines Vergleichsbeispiels zeigt;
7 ist eine Zeichnung, die die Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Zeichnung, die die Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Zeichnung, die die Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist eine Zeichnung, die die Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine Zeichnung, die die Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine Zeichnung, die die Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist eine Zeichnung, die die Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
14A–14C veranschaulichen weitere Abänderungen des Kolben-Kurbelmechanismus; und
15 ist eine erläuternde Zeichnung, die noch eine weitere Variation des Kolben-Kurbelmechanismus zeigt;
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in folgender Reihenfolge beschrieben:

A. Grundlegende Beschreibung des Kolben-Kurbelmechanismus
B. Spezielle Beispiele
C. Variationen

A. Grundlegende Beschreibung des Kolben-Kurbelmechanismus
1A und 1B sind erläuternde Zeichnungen, die einen Vergleich des in einer herkömmlichen Brennkraftmaschine verwendeten Kolben-Kurbelmechanismus mit einem Kolben-Kurbelmechanismus darstellt, der in einer Brennkraftmaschine verwendet wird, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. Wie in 1A gezeigt ist, hat der herkömmliche Mechanismus einen Zylinder 110, einen Kolben 120, eine Verbindungsstange 130 und eine Kurbelwelle 140. Der Kolben 120 und die Verbindungsstange 130 sind in der Nähe der Mitte des Kolbens 120 durch einen Kolbenstift 160 verbunden. Die Verbindungsstange 130 und die Kurbelwelle 140 sind durch einen Kurbelstift 162 miteinander verbunden. Wenn sich der Kolben vertikal vor und zurück bewegt, dreht sich die Kurbelwelle 140 um ihre Achse 142 (die im weiteren Verlauf auch als „Antriebsachse” bezeichnet wird). Ein Hemd 121 ist an dem Boden des Kolbens 120 angeordnet. Dieses Hemd 121 nimmt die Horizontalkraft (Schub) auf, die auf den Kolben 120 ausgeübt wird, wenn Kraftstoff in dem Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 120 verbrannt wird.
1B zeigt die grundlegende Konstruktion eines Kolben-Kurbelmechanismus, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. Dieser Mechanismus hat einen Zylinder 10, einen Kolben 20, eine Verbindungsstange 30 und eine Kurbelwelle 40, sowie einen Fast-Geradführungsmechanismus 50.
Der Kolben 20 hat einen in etwa plattenförmigen Kolbenkopf 22 und eine Kolbenstützstange 24, die sich unterhalb des Kolbenkopfes 22 erstreckt. Der Kolbenkopf 22 und die Kolbenstützstange 24 können einstückig ausgebildet sein. Der Kolben 20 und die Verbindungsstange 30 sind an dem unteren Ende der Kolbenstützstange 24 miteinander verbunden. Die Verbindungsstange 30 und die Kurbelwelle 40 sind durch einen Kurbelstift 62 miteinander verbunden. Wenn sich der Kolben 20 vertikal vor und zurück bewegt, dreht sich die Kurbelwelle 40 um ihre Achse 42 (die auch als „Antriebsachse” bezeichnet wird). Da auf den Kolben 20 sehr wenig Schub ausgeübt wird, wie dies nachstehend beschrieben ist, ist das Hemd 121, das für den herkömmlichen Kolben 120 erforderlich ist, hier nicht notwendig.
Der Fast-Geradführungsmechanismus hat zwei seitliche Anschlusselemente 52, 54 und ein vertikales Anschlusselement 56. Ein Ende des ersten seitlichen Anschlusselements 52 ist drehbar mit dem unteren Ende der Kolbenstützstange 24 verbunden. Ein Ende des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 ist drehbar mit dem ersten seitlichen Anschlusselement 52 an einer vorbestimmten Stelle auf halben Weg entlang des ersten seitlichen Anschlusselements 52 verbunden. Das andere Ende des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 ist an einer vorbestimmten festen Stelle an dem Kolben-Kurbelmechanismus drehbar befestigt. Ein Ende des vertikalen Anschlusselements 56 ist drehbar mit dem ersten seitlichen Anschlusselement 52 verbunden. Das andere Ende des vertikalen Anschlusselements 56 ist drehbar an einer vorbestimmten festen Stelle an dem Kolben-Kurbelmechanismus befestigt.
In 1A und 1B sind die durch schwarze Kreise (nachstehend als „Gelenkpunkte” bezeichnet) angezeigten Verbindungsabschnitte (beispielsweise die Antriebsachse 42) Anschlusspunkte, um deren Mittelachse eine Drehung oder Teildrehung auftritt, aber deren Position sich relativ zu dem Zylinder 10 nicht ändert. Die durch weiße Kreise angezeigten Verbindungsabschnitte (im weiteren Verlauf als „bewegliche Anschlusspunkte” bezeichnet) sind Anschlusspunkte, um deren Mittelachsen eine Drehung oder Teildrehung auftritt und deren Position sich mit Bezug auf den Zylinder 10 ändert. Hierbei gibt „voll drehen” oder „Volldrehung” eine Bewegung von zumindest 360° um die Achse an, während „Teildrehung” eine Bewegung von weniger als 360° um die Achse angibt.
Die Brennkraftmaschine von diesem Ausführungsbeispiel hat verschiedene Bestandteile (d. h. Ventile, Einlassrohre, Auslassrohre und dergleichen), die auch in der herkömmlichen Brennkraftmaschine anwesend sind, aber mit Ausnahme des Kolben-Kurbelmechanismus und des Zylinders 10 sind solche Bestandteile von den Zeichnungen 1A und 1B ausgelassen.
2A–2C sind erläuternde Zeichnungen, die die Anschlusselementkonstruktion des Kolben-Kurbelmechanismus aus diesem Ausführungsbeispiel zeigen. 2A zeigt lediglich den Zylinder 10, den Kolben 20, die Verbindungsstange 30 und die Kurbelwelle 40. 2B zeigt lediglich den Fast-Geradführungsmechanismus 50. 2C kombiniert die in 1B gezeigte Konstruktion mit der in 2A und 2B gezeigten Konstruktion. Der Fast-Geradführungsmechanismus 50 von diesem Ausführungsbeispiel wird als Schwinghebel-Fast-Geradführungsmechanismus bezeichnet.
In 2A–2C sind die folgenden Anschlusspunkte gezeigt.

(1) Beweglicher Anschlusspunkt A: Der Anschlusspunkt, der den Kolben 20 und die Verbindungsstange 30 verbindet.
(2) Beweglicher Anschlusspunkt B: Der Anschlusspunkt, der sich mit Bezug auf den beweglichen Anschlusspunkt A an dem anderen Ende des ersten seitlichen Verbindungselements 52 befindet.
(3) Beweglicher Anschlusspunkt C: Der Anschlusspunkt, der sich an dem mit Bezug auf den beweglichen Anschlusspunkt A entgegengesetzten Ende der Verbindungsstange 30 befindet.
(4) Beweglicher Anschlusspunkt M: Der Anschlusspunkt, der sich an einem mittleren Teil des ersten seitlichen Bewegungselements 52 befindet.
(5) Gelenkpunkt P: Die Mittelachse der Kurbelwelle (Antriebsachse).
(6) Gelenkpunkt Q: Der Anschlusspunkt, der sich an dem mit Bezug auf den beweglichen Anschlusspunkt M entgegengesetzten Ende des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 befindet.
(7) Gelenkpunkt R: Der Anschlusspunkt, der sich mit Bezug auf den beweglichen Anschlusspunkt B an dem entgegengesetzten Ende des vertikalen Anschlusselements 56 befindet.

Der bewegliche Anschlusspunkt A bewegt sich zusammen mit der Vor- und Zurückbewegung des Kolbens 20 in der Vertikalrichtung Z (in 2B). In dieser Beschreibung bedeutet die Vertikalrichtung Z die Richtung der axialen Mittellinie des Zylinders 10 (die im Nachfolgenden auch als „Axiallinie” bezeichnet ist). Die beweglichen Anschlusspunkte A und B befinden sich an entgegengesetzten Enden des ersten seitlichen Anschlusselements 52. Der bewegliche Anschlusspunkt B hat eine bogenförmigen Bewegungsbahn auf Grundlage der Teildrehung des vertikalen Anschlusselements 56 um den Gelenkpunkt R. Dieser bewegliche Anschlusspunkt B ist so gesetzt, dass er sich im Wesentlichen an der gleichen vertikalen Stelle wie die vertikale Stelle X des Gelenkpunkts Q des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 befindet.
Hätte das vertikale Anschlusselement 56 eine unendliche Länge, so dass sich der bewegliche Anschlusspunkt B entlang der geraden Linie bewegen würde, die durch die vertikale Stelle X mit der gleichen vertikalen Stelle wie der Gelenkpunkt Q ausgebildet ist, würde sich der bewegliche Anschlusspunkt A entlang eines nahezu perfekt geradlinigen Wegs in der Vertikalrichtung Z bewegen. Da die Länge des vertikalen Anschlusselements 56 tatsächlich aber endlich ist, bewegt sich der bewegliche Anschlusspunkt A entlang einem Weg, der geringfügig von dem perfekt geradlinigen Weg abweicht (dieses Konzept wird nachstehend beschrieben). Ein Mechanismus, der eine nahezu perfekt geradlinige Bewegung bereitstellt, kann realisiert werden, indem anstelle des vertikalen Anschlusselements 56 ein Führungselement verwendet wird, das den beweglichen Anschlusspunkt B entlang einer geraden Linie führt, aber dies führt zu einer beträchtliche Reibung zwischen dem Führungselement und dem beweglichen Anschlusspunkt B. Daher ist vom Standpunkt der Reibungsverringerung der Fast-Geradführungsmechanismus 50 dieses Ausführungsbeispiels dem Mechanismus vorzuziehen, der eine perfekte geradlinige Bewegung bereitstellt.
Die Position des beweglichen Anschlusspunkts M, der an dem mittleren Teil des ersten seitlichen Anschlusselements 52 angeordnet ist, ist so definiert, dass die nachstehende Gleichung erfüllt ist: AM × QM = BM²
Dabei ist AM der Abstand zwischen den Anschlusspunkten A und M, QM ist der Abstand zwischen den Anschlusspunkten Q und M, und BM ist der Abstand zwischen den Anschlusspunkten B und M.
3A–3D zeigen Änderungen in der Konfiguration des Kolben-Kurbelmechanismus, die auftreten, wenn sich der Kolben 20 bewegt. Von den drei beweglichen Anschlusspunkten A, B, M des Fast-Geradführungsmechanismus 50 bewegt sich der bewegliche Anschlusspunkt B an dem oberen Ende des vertikalen Anschlusselements 56 lediglich um einen geringen Betrag, während sich die beweglichen Anschlusspunkte A und M zusammen mit der Bewegung des Kolbens 20 um einen wesentlichen Betrag bewegen. In 3A sind zwei Winkel θ und ϕ gezeigt, die als Indizes verwendet werden können, um den Änderungsgrad in der Konfiguration des Fast-Geradführungsmechanismus 50 anzuzeigen. Der erste Winkel θ ist ein Winkel ∠MQX, der durch das zweite seitliche Anschlusselement 54 gebildet wird und von der seitlichen Richtungslinie X gemessen wird. Der zweite Winkel ϕ ist der Winkel ∠BRZ, der durch den Neigungswinkel des vertikalen Anschlusselements 56 gemessen von der Vertikalrichtungslinie Z gebildet wird. Der Bereich der Werte dieser Winkel θ und ϕ hängt von dem Einstellen des Bewegungsbereichs des beweglichen Anschlusspunkts A (d. h. von dem Hub des Kolbens 20) und von den Längen der verschiedenen Anschlusselemente in dem Fast-Geradführungsmechanismus 50 ab.
4A und 4B sind erläuternde Zeichnungen, die ein Beispiel der speziellen Abmessungen des Kolben-Kurbelmechanismus dieses Ausführungsbeispiels und der Bewegungsbahn des beweglichen Anschlusspunkts A zeigen. Es ist ersichtlich, dass die in 4A gezeigten Abmessungen die vorstehend genannte Beziehung AM × QM = BM² erfüllen. Wie in 4B gezeigt ist, hat die Bewegungsbahn des beweglichen Anschlusspunkts A einen fast linearen Abschnitt und dieser fast lineare Abschnitt wird als der Hubbereich des Kolbens 20 verwendet. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass der Hubbereich des Kolbens 20 so eingestellt ist, dass der Betrag der Abweichung von einer geraden Linie beim oberen Totpunkt (TDC) kleiner als der Betrag der Abweichung von einer geraden Linie am unteren Totpunkt (BDC) ist. Die „gerade Linie”, auf die hier Bezug genommenen wird, ist die Achsmittellinie des Zylinders 10. In dem Beispiel von 4B ist der Betrag der Abweichung am oberen Totpunkt ca. 5 μm während sich der Betrag der Abweichung am unteren Totpunkt auf ca. 20 μm beläuft. Diese Werte wurden bei Raumtemperatur gemessen.
Der Betrag der Abweichung von der geraden Linie des beweglichen Anschlusspunkts A am oberen Totpunkt ist kleiner als der Betrag der Abweichungen der geraden Linie am unteren Totpunkt eingestellt, da die Verbrennungskraft des Kraftstoffs in der Nähe des oberen Totpunkts auf den Kolben 20 ausgeübt wird. Mit anderen Worten kann der Reibungsbetrag zwischen dem Kolben 20 und dem Zylinder 10 verringert werden, wenn der Abweichungsbetrag am oberen Totpunkt kleiner ist, da der auf den Kolben 20 durch die Verbrennung ausgeübte Schub (Seitenkraft) klein ist. Gleichzeitig würde selbst eine wesentliche Abweichung einen relativ unbedeutenden Einfluss auf den Reibungsbetrag haben, da am unteren Totpunkt keine Verbrennungskraft herrscht. Der fast gerade Abschnitt der Bewegungsbahn des beweglichen Anschlusspunkts A kann vergrößert werden, indem die Längen der Anschlusselemente 52, 54 und 56 vergrößert werden, aber dies würde die Gesamtabmessungen des Fast-Geradführungsmechanismus 50 vergrößern. Mit anderen Worten hat der Betrag der Abweichung von der geraden Linie an dem oberen Totpunkt oder an dem unteren Totpunkt ein auf die Abmessungen des Fast-Geradführungsmechanismus 50 abgestimmtes Verhältnis. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist es zu bevorzugen, dass der Fast-Geradführungsmechanismus 50 so konstruiert ist, dass der Betrag der Abweichung von der geraden Linie des beweglichen Anschlusspunkts A an dem oberen Totpunkt für den Kolben 20 den Wert von ca. 10 μm nicht überschreitet, wenn dies bei Raumtemperatur gemessen wird. Auf ähnliche Weise ist es zu bevorzugen, dass der Betrag der Abweichung von der geraden Linie an dem unteren Totpunkt den Wert von ca. 20 μm nicht überschreitet.
Dort wo der Hubbereich des Kolbens 20 so eingestellt ist, wie in 4B gezeigt ist, zeigt das seitliche Anschlusselement 54 einen Wertebereich von 8,8° bis –17,9° auf (siehe 4A). Der Maximalwert von 8,8° für den Winkel θ entspricht der Situation, in der sich der Kolben 20 am oberen Totpunkt befindet (siehe 3A), und der minimale Wert von –17,9° entspricht der Situation, in der sich der Kolben 20 am unteren Totpunkt befindet (siehe 3C). Der Winkel ϕ des vertikalen Anschlusselements 56 zeigt einen Wertebereich von 0° bis 2,2° auf. Der minimale Wert von 0° für den Winkel ϕ entspricht der Situation, in der die Anschlusspunkte Q, A, M und B an einer mehr oder weniger geraden Linie ausgerichtet sind, während der maximale Wert von 2,2° für den Winkel ϕ der Situation entspricht, in der der Absolutwert des Winkels θ seinen Maximalwert aufweist (in diesem Ausführungsbeispiel am unteren Totpunkt). Der Wertebereich dieser Winkel θ und ϕ hängt von den Abmessungen verschiedener Anschlusselemente des Fast-Geradführungsmechanismus 50 und von dem für den Kolben 20 eingestellten Hubbereich ab.
B. Ausgewählte Konfigurationsbeispiele
5 zeigt ein Beispiel einer ausgewählten Konfiguration des Kolben-Kurbelmechanismus von diesem Ausführungsbeispiel. Der Kolbenkopf 22 hat in seiner Gesamtheit eine tellerartige oder schalenartige Konfiguration und hat ein plattenartiges oberes Flächenelement 22a mit einer konkaven Oberfläche und hat ein Ringmontageteil 22b, das einstückig an dem Rand des oberen Flächenelements 22a ausgebildet ist. Wie dies wohl bekannt ist, kann die obere Fläche des Kolbens 20 verschiedene andere Konfigurationen als eine einfache konkave Konfiguration aufweisen. Das Ringmontageteil 22b hat eine ringförmige Konfiguration und an der Außenumfangsfläche davon ist eine Nut 25 ausgebildet, die einen Kolbenring (nicht gezeigt) aufnimmt. Ein Hemd der Bauweise, wie es herkömmlicher Weise verwendet wird, ist an diesem Ringmontageelement 22b nicht vorgesehen. Der Grund dafür liegt darin, dass, da tatsächlich in dem Bereich des oberen Totpunkts kein Schub ausgeübt wird, auch kein Bedarf für ein Hemd besteht, um den Schub aufzunehmen.
Dieses Ringmontageteil 22b ist so ausgebildet, dass seine Querschnittskonfiguration bei Raumtemperatur nahezu perfekt rund ist. In dieser Beschreibung bedeutet dass ein Gegenstand „so ausgebildet ist, dass er nahezu perfekt rund ist”, dass die Entwurfswerte für diesen Gegenstand einschließlich Herstellungsfehler Werte für eine perfekt kreisförmige Konfiguration aufweisen. Die Querschnittskonfiguration des Ringmontageteils 22b kann nahezu perfekt rund ausgestaltet werden, da der auf den Kolben 20 ausgeübte Schub klein ist, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Da außerdem der Anschlusspunkt, der den Kolben 20 und die Verbindungsstange 30 verbindet, an einer Stelle (dem unteren Ende der Kolbenstützstange 24) ausgebildet ist, die weit genug von dem oberen Ende des Kolbens 20 beabstandet ist, hat der obere Bereich des Kolbens 20 einen einfacheren Aufbau als ein herkömmlicher Kolben. Da der Kolben aus dem Stand der Technik eine eher komplexe Konfiguration aufweist, und unter Berücksichtigung der komplexen Verformung in Folge der Ausdehnung, die bei hohen Temperaturen auftritt, ist ein Kolben herkömmlicher Weise so ausgebildet, dass er eine elliptische Querschnittskonfiguration aufweist. Da andererseits der obere Bereich des Kolbens 20 aus diesem Ausführungsbeispiel eine einfachere Konfiguration als der Kolben aus dem Stand der Technik hat, ist es nicht notwendig, die komplexe Verformung zu berücksichtigen, die eine Temperaturerhöhung begleitet, und die Querschnittskonfiguration des Ringmontageteils 22b kann selbst bei Raumtemperatur nahezu perfekt rund ausgestaltet sein. Falls die Querschnittskonfiguration des Ringmontageteils nahezu perfekt rund ausgestaltet ist, werden die Dichtungseigenschaften verbessert und daher können verglichen zu den herkömmlichen Bauweisen die Zugspannungen des Kolbenrings verringert werden. Als Ergebnis können die dem Kolbenring zuzuordnenden Reibungen ebenso verringert werden. Das nahezu perfekt runde Ausgestalten der Querschnittskonfiguration des Ringmontageteils 22b bietet zudem den Vorteil, dass die Herstellung des Kolbens 20 einfacher gemacht wird.
Von der Kolbenstützstange 24 erstrecken sich in der Nähe von deren oberen Ende Stützelemente 26 nach unten. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die bei 90° Intervallen in einer radialen Art angeordneten vier Stützelemente 26 zu der Innenwandfläche des Zylinders 10. Diese Stützelemente 26 führen den Kolben 20 so, dass er sich problemlos entlang der Innenwandfläche des Zylinders bewegt, während eine aufrechte Position beibehalten wird. Auf die Stützelemente 26 kann verzichtet werden, wenn der Fast-Geradführungsmechanismus 50 die Bewegungsbahn des Anschlusspunkts für den Kolben 20 und die Verbindungsstange 30 (d. h. des beweglichen Anschlusspunkts A) so regelt, dass sichergestellt ist, dass er sich entlang einer ausreichend geraden Linie bewegt. Jedoch ermöglicht die Verwendung der Stützelemente 26 dem Kolben 20, dass er sich problemloser in dem Zylinder 20 bewegt.
Es ist vorzuziehen, dass die Länge der Kolbenstützstange 26 so eingestellt ist, dass der Abstand von dem oberen Ende des Kolbens 20 zu dem Anschlusspunkt mit der Verbindungsstange 30 gleich oder größer als ein halber Hub des Kolbens 20 aber kleiner als der volle Betrag von diesem Hub ist. Dies liegt daran, dass falls die Kolbenstützstange 24 zu kurz ist, der Fast-Geradführungsmechanismus 50 an dem oberen Totpunkt mit dem Zylinder 50 zusammenprallen kann, während in dem Fall, in dem die Kolbenstützstange 24 zu lang ist, das Gewicht des Kolbens 20 zunimmt, wodurch der Energieverlust erhöht wird.
An dem Boden des Zylinders 10 sind Stützeinbuchtungen 12 angeordnet. Diese Stützeinbuchtungen 12 bilden einen Teil der Zylinderinnenwandfläche und sind so angeordnet, dass sie den Stützelementen 26 zugewandt sind, wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat. Die Teile der Zylinderinnenwandfläche, die sich von den Stützeinbuchtungen 12 unterscheiden, sind weggeschnitten, da sie nicht nötig sind. Da bei der Konstruktion von diesem Ausführungsbeispiel die Teile der Zylinderinnenwandfläche beseitigt werden können, die nicht erforderlich sind, können die Schwinghebelmechanismusanschlusselemente 52 und 54 an die Stelle der beseitigten Elemente angeordnet werden, wodurch ermöglicht wird, den Mechanismus kleiner und leichter herzustellen. Während nicht alle dieser Teile der Innenwandfläche des Zylinders 10 auf diese Art und Weise entfernt werden müssen, ist es vom Gesichtspunkt der Gewichtsverringerung zu bevorzugen, dass zumindest ein Teil des Bodens der Innenwandfläche des Zylinders 10 beseitigt wird, der nicht den Stützelementen 26 zugewandt ist.
6 ist eine Querschnittsansicht der Hauptkomponenten eines Kolben-Kurbelmechanismus mit einem Fast-Geradführungsmechanismus 50p, der ein Vergleichsbeispiel bildet. Während der Fast-Geradführungsmechanismus 50p von diesem Vergleichsbeispiel eine aufgegabelte oder doppelseitige Stützkonstruktion in seinen Hauptverbindungsabschnitten verwendet, unterscheiden sich die verschiedenen Ausführungsbeispiele des nachstehend beschriebenen Fast-Geradführungsmechanismus von dem Vergleichsbeispiel darin, dass die Hauptverbindungsabschnitte eine einseitige Stützkonstruktion verwenden.
In diesem Vergleichsbeispiel sind die Kolbenstützstange 24p, die Verbindungsstange 30p und die seitlichen Anschlusselemente 52p und 54p so konstruiert, dass sie sich einander nicht stören, wenn sich der Kolben auf und abwärts bewegt. Genauer gesagt ist die Kolbenstützstange 24p in der Achsmitte des Zylinders 10 angeordnet und beide Seiten der Kolbenstützstange 24p sind durch zwei plattenförmige Elemente der Verbindungsstange 30p gegriffen. Zwei plattenförmige Elemente, die zu dem ersten seitlichen Anschlusselement 52p gehören, sind an den Außenseiten der Verbindungsstange 30p angeordnet. Diese drei Elemente 24p, 30p und 52p sind durch einen Kolbenstift 60 miteinander verbunden. Zusätzlich sind zwei plattenförmige Elemente, die zu dem zweiten seitlichen Anschlusselement 54p gehören, an den äußeren Seiten des ersten seitlichen Anschlusselements 52p angeordnet. Als Ergebnis haben die Verbindungsstange 30 und die zwei seitlichen Anschlusselemente 52p und 54p in dem Vergleichsbeispiel eine aufgegabelte Konstruktion, in welcher ihre Enden in zwei plattenförmige Elemente geteilt sind und jeweils so positioniert sind, dass sie an beiden Seiten der mittleren Kolbenstützstange 24p angeordnet sind.
7 ist eine querlaufende Schnittsansicht der Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradeführungsmechanismus, der das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft und 6 entspricht. Jedoch sind zum Zwecke der Vereinfachung die Kolbenstützelemente 26 und der Zylinder in der Zeichnung von 7 ausgelassen und die Schraffurlinien an dem ersten seitlichen Anschlusselement 52 und dem zweiten seitlichen Anschlusselement 54 sind ausgelassen.
Das erste seitliche Anschlusselement 52 hat ein erstes Verbindungsende 210 und ein zweites Verbindungsende 218, die an dessen jeweiligen Enden angeordnet sind. Das erste Verbindungsende 210 ist mit dem Verbindungsabschnitt verbunden, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet. Das zweite Verbindungsende 218 ist mit dem einen Ende des vertikalen Anschlusselements 56 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel bildet das erste Verbindungsende 210 eine abgestufte Drehwelle (nachfolgend auch als „Eingriffsvorsprung” bezeichnet), während die entsprechenden Enden der Kolbenstützstange 24 und der Verbindungsstange 30 jeweils ein Lager (im Weiteren auch als „Eingriffsvertiefung” bezeichnet) bilden, in die das erste Verbindungsende 210 eingesetzt ist. Das zweite Verbindungsende 218 und das Ende des vertikalen Anschlusselements 56 bilden jeweils ein Lager und sind durch einen Verbindungsstift 84 miteinander verbunden. Ein gekrümmter Abschnitt 212 (im weiteren Verlauf auch als „gebogener Abschnitt” bezeichnet) und ein gerader Abschnitt 216 sind zwischen dem ersten Verbindungsende 210 und dem zweiten Verbindungsende 218 angeordnet. Ein Verbindungsloch (Lager) 214 ist in dem geraden Abschnitt 216 angeordnet. Das Verbindungsende 230 des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 ist in dieses Verbindungsloch 214 eingesetzt. Der gerade Abschnitt 216 verläuft, gesehen von der Richtung der Kolbenbewegung (d. h., von der auf die Blattebene senkrecht stehenden Richtung), entlang der geraden Linie, die das erste Verbindungsende 210 und das zweite Verbindungsende 218 miteinander verbindet. Außerdem ist das erste Verbindungsende 210 in einer Abwärtsrichtung in der Zeichnung in den Verbindungsabschnitt eingesetzt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet. Der gebogene Abschnitt 212 ist so ausgebildet, dass er das erste Verbindungsende 210 und den geraden Abschnitt 216 verbindet.
Das zweite seitliche Anschlusselement 54 hat an seinen beiden Enden jeweils ein erstes Verbindungsende 230 und ein zweites Verbindungsende 238. Das erste Verbindungsende 230 hat eine abgestufte Drehwellenkonstruktion und ist in das Verbindungsloch 214 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 eingesetzt. Das zweite Verbindungsende 238 bildet ein Lager und ist durch einen Verbindungsstift 82 verbunden, der sowohl dort hindurch als auch durch ein an einer vorbestimmten Stelle in der Kolbenkraftmaschine angeordnetes stationäres Drehteil 70 hindurchfährt. Ein erster gebogener Abschnitt 232, ein gerader Abschnitt 234 und ein zweiter gebogener Abschnitt 236 sind zwischen dem ersten Verbindungsende 230 und dem zweiten Verbindungsende 238 angeordnet. Anders als der gerade Abschnitt 216 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 ist der gerade Abschnitt 234 an einer Stelle angeordnet, die von der geraden Linie versetzt ist, die in Bewegungsrichtung gesehen das erste Verbindungsende 230 und das zweite Verbindungsende 238 verbindet. Außerdem ist das erste Verbindungsende 230 in der Zeichnung nach oben in das Verbindungsloch 214 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 eingesetzt. Folglich ist der erste gebogene Abschnitt 232 bei einem 90° Winkel gebogenen, um das erste Verbindungsende 230 und den geraden Abschnitt 234 zu verbinden. Da außerdem der gerade Abschnitt 234 von der geraden Linie versetzt ist, die die Verbindungsenden 230 und 238 verbindet, ist der zweite gebogene Abschnitt 236 so ausgebildet, dass er den geraden Abschnitt 234 und das zweite Verbindungsende 238 verbindet.
In dem ersten Ausführungsbeispiel bilden die Spitzen der Kolbenstützstange 24 und der Verbindungsstange 30 Lager. Die Spitze der Verbindungsstange 30 hat eine aufgegabelte Konstruktion, so dass sie beide Seiten der Spitze der Kolbenstützstange 24 zwischen sich einlegt. Jedoch können die Spitzen der Kolbenstützstange 24 und der Verbindungsstange 30 die umgekehrte Konstruktion und das umgekehrte Positionsverhältnis als jenes in 7 gezeigtes aufweisen. Mit anderen Worten ist es akzeptabel, wenn die Spitze der Kolbenstützstange 24 eine aufgegabelte Konstruktion aufweist, so dass sie beide Seiten der Spitze der Verbindungsstange 30 zwischen sich einlegt. Da die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 gesehen von der Kolbenbewegungsrichtung eine symmetrische Konfiguration haben, kann mit beiden Konstruktionen das Auftreten einer Seitenkraft verhindert werden, die durch eine asymmetrische Konfiguration verursacht würde.
Die Konstruktion des in 7 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels hat die nachstehenden beschriebenen verschiedenen Merkmale und Vorteile. Das erste Merkmal liegt darin, dass das erste Verbindungsende 210 des ersten seitlichen Anschlusselements 30 eine einseitige Stützkonstruktion hat, so dass sein Ende mit dem Verbindungsabschnitt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 von einer vorbestimmten ersten Seite verbindet, in Eingriff ist. Auf ähnliche Weise hat das Verbindungsende 230 des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 ebenso eine einseitige Stützkonstruktion, so dass sein Ende mit dem Verbindungsloch 214 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 von einer vorbestimmten einzelnen Seite eingreift. Die Verwendung einer solchen einseitigen Stützkonstruktion bietet den Vorteil, dass es einfach gemacht wird, den Gradelaufmechanismus zusammen zu bauen. Genauer gesagt haben in dem ersten Ausführungsbeispiel die ersten Verbindungsenden 210, 230 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 und des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 eine nicht aufgegabelte Konstruktion, bei der die Spitze nicht aufgegabelt ist. Die Verwendung dieser nicht aufgegabelten Konstruktion macht den Zusammenbau des Fast-Geradführungsmechanismus noch einfacher. Da in dem in 6 gezeigten Vergleichsbeispiel das erste seitliche Anschlusselement 52 und das zweite seitliche Anschlusselement 54 beide eine aufgegabelte Konstruktion aufweisen, ist der Zusammenbau ziemlich schwierig. Da im Gegensatz dazu in dem ersten Ausführungsbeispiel die ersten Verbindungsenden 210, 230 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 und des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 eine nicht aufgegabelte Konstruktion haben, ist der Zusammenbau einfacher als bei dem Vergleichsbeispiel. Außerdem bietet die nicht aufgegabelte Konstruktion den Vorteil einer höheren Festigkeit im Vergleich zu einer aufgegabelten Konstruktion, wie zum Beispiel einer zweifach aufgegabelten Konstruktion.
Das zweite Merkmal liegt darin, dass die ersten Verbindungsenden 210, 230 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 und des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 als Drehwellen konstruiert sind. Diese Konstruktion macht die Verwendung eines separaten Verbindungsstift in diesen Verbindungsabschnitten unnötig. Als Ergebnis kann die Komponententeileanzahl in dem Fast-Geradführungsmechanismus relativ zu dem Vergleichsbeispiel verringert werden, wodurch die Konstruktion einfacher gemacht wird.
Das dritte Merkmal liegt darin, dass der Verbindungsabschnitt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet, gesehen in der Kolbenbewegungsrichtung zwischen dem ersten seitlichen Anschlusselement 52 und dem zweiten seitlichen Anschlusselement 54 angeordnet ist. Genauer gesagt ist der Verbindungsabschnitt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet, zwischen dem gebogenen Bereich 212 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 und dem geraden Bereich 234 des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 angeordnet. Da diese Konstruktion ein verbessertes mechanisches Gleichgewicht sicherstellt, können die verschiedenen Elemente leichter gemacht werden und die Reibung kann verringert werden. Außerdem sind zum Erreichen dieses dritten Merkmals die ersten Verbindungsenden 210, 230 des ersten und des zweiten seitlichen Anschlusselements 52, 54 mit ihren jeweiligen Anschlussabschnitten von den entgegengesetzten, parallelen Richtungen in Eingriff. Mit anderen Worten wird das erste Verbindungsende 210 des ersten seitlichen Anschlusses 52 in den Verbindungsabschnitt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet, in der Zeichnung nach unten eingesetzt, während das erste Verbindungsende 230 des zweiten seitlichen Anschlusselements 54 nach oben in der Zeichnung in das Verbindungsloch 214 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 eingesetzt wird. Es ist nicht wesentlich, dass die Richtungen des Eingriffs der Verbindungsenden 210, 230 die entgegesetzten, parallelen Richtungen sind, aber wenn dies der Fall ist, kann eine Konstruktion einfach erreicht werden, in der „der Verbindungsabschnitt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet, gesehen in der Kolbenbewegungsrichtung zwischen den ersten und zweiten seitlichen Anschlusselementen 52, 54 angeordnet ist”.
Das vierte Merkmal liegt darin, dass die vier Verbindungsabschnitte (Verbindungsstellen) des Fast-Geradführungsmechanismus gesehen in der Kolbenbewegungsrichtung in einer geraden Linie angeordnet sind. Genauer gesagt sind die vier Verbindungsabschnitte einschließlich (i) des Verbindungsabschnitts, der das erste seitliche Anschlusselement 52 und das vertikale Anschlusselement 56 verbindet, (ii) des Verbindungsabschnitts, der das erste seitliche Anschlusselement 52 und das zweite seitliche Anschlusselement 54 verbindet, (iii) des Verbindungsabschnitts, der die Kolbenstützstange 24, die Verbindungsstange 30 und das erste seitliche Anschlusselement 52 verbindet und (iv) des Verbindungsabschnitts, der das zweite seitliche Anschlusselement 54 und das stationäre Drehelement 70 der Kolbenkraftmaschine verbindet, an einer geraden Linie ausgerichtet. Da eine solche Konstruktion ein verbessertes mechanisches Gleichgewicht sicherstellt, können die verschiedenen Elemente leichter gemacht werden und die Reibung kann verringert werden. In 7 und in den Zeichnungen der anderen nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist eine gerade Linie, die mit der Achse des Verbindungsabschnitts zusammenfällt, der die Kolbenstützstange 24, die Verbindungsstange 30 und das erste seitliche Anschlusselement 52 verbindet, durch die gerade Linie L-L angezeigt.
8 ist eine Querschnittsansicht der Hauptkomponenten der Konstruktion der Verbindungsabschnitte des Fast-Geradführungsmechanismus eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Diese Konstruktion unterscheidet sich von der des ersten Ausführungsbeispiels in Bezug auf die Konstruktion des (i) Verbindungsabschnitts, der das erste seitliche Anschlusselement 52a und das vertikale Anschlusselement 56a verbindet und (ii) des Verbindungsabschnitts, der das zweite seitliche Anschlusselement 54a und das stationäre Drehteil 70a der Kolbenkraftmaschine verbindet, und hat ansonsten die gleiche Konstruktion wie das erste Ausführungsbeispiel.
Das zweite Verbindungsende 218a des ersten seitlichen Anschlusselements 52a ist als eine Drehwelle ausgebildet, während das Ende des vertikalen Anschlusselements 56a ein Lager bildet. Da der Verbindungsabschnitt keinen separaten Verbindungsstift benötigt, werden weniger Teile als in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Zusätzlich ist das Verbindungsende 218a nach oben in der Zeichnung in das vertikale Anschlusselement 56a eingesetzt und hat eine einseitige Stützkonstruktion. Dementsprechend ist ein gebogener Bereich vorgesehen, um das Verbindungsende 218a und den geraden Bereich 216a zu verbinden. Diesbezüglich hat das erste seitliche Anschlusselement 52a eine komplexere Konfiguration als das erste seitliche Anschlusselement 52 des ersten Ausführungsbeispiels.
Das zweite Verbindungsende 238a des zweiten seitlichen Anschlusselements 54a bildet ebenso eine Drehwelle. Da der Verbindungsabschnitt, der dieses zweite Verbindungsende 238a und das stationäre Drehteil 70 der Kolbenkraftmaschine verbindet, die Verwendung eines separaten Verbindungsstifts nicht erfordert, sind weniger Teile als in dem ersten Ausführungsbeispiel nötig. Außerdem ist das zweite Verbindungsende 238a als eine einseitige Stützung konstruiert, die von der gleichen Richtung wie das erste Verbindungsende 230 eingesetzt ist. Folglich hat der gebogene Bereich 236a, der das zweite Verbindungsende 238a und den geraden Bereich 216a verbindet, eine einfache 90°-Biegung. Dieses zweite Ausführungsbeispiel bietet nahezu die gleichen Wirkungen wie die des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels.
9 ist eine Querschnittsansicht der Hauptkomponenten der Konstruktion der Verbindungsabschnitte eines Fast-Geradführungsmechanismus eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das erste seitliche Anschlusselement 52 von diesem dritten Ausführungsbeispiel ist identisch zu jenem des in 7 gezeigten Ausführungsbeispiels, während das zweite seitliche Anschlusselement 54a identisch zu jedem des in 8 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels ist. Jedoch ist die Konfiguration des Verbindungsendes des vertikalen Anschlusselements 56b unterschiedlich zu der entsprechenden Konfiguration des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels. In dem dritten Ausführungsbeispiel steht von dem Verbindungsende des vertikalen Anschlusselements 56b eine Drehwelle 84b vor und diese Drehwelle 84b ist in das Verbindungsende (Lager) 218 des ersten seitlichen Anschlusselements 52 eingesetzt. Daher wird für den Verbindungsabschnitt, der das erste seitliche Anschlusselement 52 und das vertikale Anschlusselement 56b miteinander verbindet, ein separater Verbindungsstift nicht erforderlich. Das dritte Ausführungsbeispiel bietet nahezu die gleiche Wirkung wie die des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiel.
10 ist eine querlaufende Schnittsansicht der Hauptkomponenten der Konstruktion der Verbindungsabschnitte eines Fast-Geradführungsmechanismus eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. In diesem vierten Ausführungsbeispiel haben das erste und zweite seitliche Anschlusselement 52c, 54c eine Konfiguration, die sich von den entsprechenden Komponenten in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen unterscheidet. Das erste seitliche Anschlusselement 52c und der gerade Bereich 216c sind an Stellen angeordnet, die von der Linie versetzt sind, die die vier Verbindungsabschnitte verbindet.
Zusätzlich steht eine Verbindungswelle 215c, die mit dem zweiten seitlichen Anschlusselement 54c verbindet, von einer Stelle vor, die sich in etwa auf halbem Weg entlang des geraden Bereichs 216c befindet. Diese Verbindungswelle 215c und das erste und das zweite Verbindungsende 210c und 218c sind jeweils Drehwellen, die in der Zeichnung nach unten vorstehen. Das zweite Verbindungsende 218c ist in das Verbindungsende (Lager) des vertikalen Anschlusselements 56c eingesetzt. Das zweite seitliche Anschlusselement 54c unterscheidet sich von dem zweiten seitlichen Anschlusselement des in 8 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels darin, dass das erste Verbindungsende 230c ein Lager bildet. Das vierte Ausführungsbeispiel bietet nahezu die gleiche Wirkung wie die des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels. Da die geraden Bereiche 216c, 234c der ersten und der zweiten seitlichen Anschlusselemente 52c, 54c voneinander an entgegengesetzten Seiten des Verbindungsabschnitts, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet, versetzt sind, wird verglichen mit dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel ein besseres Gesamtgleichgewicht erreicht.
11 ist eine Querschnittsansicht der Hauptkomponenten der Konstruktion der Verbindungsabschnitte eines Fast-Geradführungsmechanismus bezüglich eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das erste seitliche Anschlusselement 52 und das vertikale Anschlusselement 56b von diesem fünften Ausführungsbeispiel sind identisch zu den entsprechenden Komponenten des in 9 gezeigten dritten Ausführungsbeispiels, während sich das zweite seitliche Anschlusselement 54d von der entsprechenden Komponente unterscheidet. Das erste Verbindungsende 230d des zweiten seitlichen Anschlusselements 54d bildet ein Lager und ist durch einen Verbindungsstift 26 verbunden, der sowohl dort hindurch als auch durch das Verbindungsloch 214 hindurch führt. Dieses fünfte Ausführungsbeispiel bietet fast die gleiche Wirkung wie die des ersten bis vierten Ausführungsbeispiels.
12 ist eine Querschnittsansicht der Hauptkomponenten der Verbindungsabschnitte eines Fast-Geradführungsmechanismus eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieses sechste Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem in 10 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die Konstruktion der zweiten Verbindungsenden 218e, 238e des ersten und des zweiten seitlichen Anschlusselements 52e, 54e. Insbesondere bildet das zweite Verbindungsende 218e des ersten seitlichen Anschlusselements 52e ein Lager, das an der Spitze des geraden Bereichs 216e angeordnet ist. Die Konstruktion, die den Verbindungsabschnitt betrifft, der das zweite Verbindungsende 218e und das vertikale Anschlusselement 56 verbindet, ist identisch zu jener des in 7 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels, so dass das Verbindungsende 218e und das vertikale Anschlusselement 56 durch einen Verbindungsstift 84 verbunden sind. Das zweite Verbindungsende 238e des zweiten seitlichen Anschlusselements 54e bildet zudem ein Lager, das an der Spitze des geraden Bereichs 234e angeordnet ist. Die Konstruktion des Verbindungsabschnitts, der das zweite Verbindungsende 238e und den stationären Drehteil 70e der Kolbenkraftmaschine verbindet, ist ebenso identisch zu jener des ersten in 7 gezeigten Ausführungsbeispiels, so dass das Verbindungsende 238e und das stationäre Drehteil 70e durch einen Verbindungsstift 82e verbunden sind. Das sechste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen von den anderen Ausführungsbeispielen darin, dass die vier Verbindungsabschnitte nicht in einer geraden Linie angeordnet sind. Da es eine solche Anordnung schwieriger machen kann, ein mechanisches Gesamtgleichgewicht zu erreichen, kann die vorstehend beschriebene lineare Anordnung des ersten bis fünften Ausführungsbeispiels vorzuziehen sein. Jedoch ist das sechste Ausführungsbeispiel, wie in dem Fall des vierten Ausführungsbeispiels, von dem Gesichtspunkt vorzuziehen, dass die beiden seitlichen Anschlusselemente 52e, 54e voneinander an entgegengesetzten Seiten des Verbindungsabschnitts versetzt sind, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet.
13 ist eine Querschnittsansicht der Hauptkomponenten der Konstruktion der Verbindungsabschnitte eines Fast-Geradführungsmechanismus eines siebten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das zweite seitliche Anschlusselement 54 und das vertikale Anschlusselement 56c des siebten Ausführungsbeispiels sind identisch zu jenen des in 7 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels, während sich das erste seitliche Anschlusselement 52f von jenem des ersten Ausführungsbeispiels unterscheidet. Das erste Verbindungsende 210f des ersten seitlichen Anschlusselements 54f bildet eine abgestufte Drehwelle und ist nach oben in den Verbindungsabschnitt eingesetzt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet. Folglich ist der gebogenen Bereich 212f, der den geraden Bereich 216f und das erste Verbindungsende 210f verbindet, bei einem 90°-Winkel gebogen. In diesem siebten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die Position des Verbindungsabschnitts, der die Kolbenstützstange 24, die Verbindungsstange 30 und das erste seitliche Anschlusselement 52f verbindet, von der (Position) der entsprechenden Komponente in jedem des ersten bis sechsten Ausführungsbeispiels darin, dass er von der geraden Linie versetzt ist, die die anderen drei Verbindungsabschnitte verbindet. Genauer gesagt sind in dem siebten Ausführungsbeispiel die beiden seitlichen Anschlusselemente, gesehen von dem Verbindungsabschnitt, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet, in der gleichen Richtung versetzt. Daher können vom Gesichtspunkt des mechanischen Gleichgewichts der beiden seitlichen Anschlusselemente, die mit der ersten Stützstange 24 und der Verbindungsstange 30 verbunden sind, die ersten bis sechsten Ausführungsbeispiele gegenüber dem siebten Ausführungsbeispiel vorzuziehen sein.
14A–14C sind erläuternde Zeichnungen, die Variationen des Kolben-Kurbelmechanismus zeigen. In dem in 14A gezeigten Mechanismus befindet sich das seitliche Anschlusselement 56 des in 2A–2C gezeigten Mechanismus über dem Anschlusspunkt B, während die anderen Bestandteilelemente identisch zu jenen des in 2A–2C gezeigten Mechanismus sind. Durch den Mechanismus der 14A kann die gleiche Wirkung erzielt werden, wie jene, die durch den Mechanismus von 2A–2C erzielt wird.
Der in 14B gezeigte Mechanismus ist der Gleiche wie der in 2A–2C gezeigte Mechanismus, mit der Ausnahme, dass sein Gelenkpunkt Q in Richtung des beweglichen Anschlusspunkts B bewegt ist, so dass er sich an der geraden Linie befindet, die den beweglichen Anschlusspunkt A (d. h. den Kolbenstift) und den Gelenkpunkt P (d. h. die Kurbelwelle) verbindet. Die anderen Bestandteile sind identisch zu jenen des in 2A–2C gezeigten Mechanismus. In dem in 14C gezeigten Mechanismus ist der Gelenkpunkt Q weiter nach rechts bewegt. In den in 14B und 14C gezeigten Mechanismen ist das zweite seitliche Anschlusselement 54 kürzer als jenes des in 2A–2C gezeigten Mechanismus, wodurch ein Vorteil einer erhöhten Kompaktheit geboten wird. Der in 14B gezeigte Mechanismus hat den Vorteil einer besseren Linearität als jene, die durch die in 14A und 14C gezeigten Mechanismen erreicht wird. In dem Fall der in 14B und 14C gezeigten Mechanismen wird eine Konstruktion angenommen, wie vorstehend in dem Fall von 12 beschrieben ist, in der der Verbindungsabschnitt 70e, der das zweite seitliche Anschlusselement 54e und den Kolbenmechanismus verbindet, relativ zu dem Verbindungsabschnitt versetzt ist, der die Kolbenstützstange 24 und die Verbindungsstange 30 verbindet.
15 ist eine erläuternde Zeichnung, die ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kolben-Kurbelmechanismus zeigt. Während in dem in 1B gezeigten Mechanismus der Kolbenkopf 22 und die Kolbenstützstange 24 einstückig ausgebildet waren, sind in dem in 15 gezeigten Mechanismus der Kolbenkopf 22a und die Kolbenstützstange 24a getrennt voneinander ausgebildet. Der Boden des Kolbenkopfs 22a und das Obere der Kolbenstützstange 24a sind durch einen Stift 23 drehbar miteinander verbunden. Die Konstruktion von 15 bietet den Vorteil, dass selbst dann, wenn die Bewegungsbahn des unteren Endes der Kolbenstützstange 24a geringfügig von einer geraden Linie abweicht, eine solche Abweichung nicht als Kraft wirkt, die bewirkt, dass die Ausrichtung des Kolbenkopfs 22a geneigt wird (mit anderen Worten, hat die Abweichung des unteren Endes der Kolbenstützstange 24a eine geringe Auswirkung auf den Kolbenkopf 22a). Zusätzlich bietet im Vergleich zu der Situation, in der der Kolbenkopf und die Kolbenstützung einstückig miteinander ausgebildet sind, die Konstruktion von 15 den Vorteil, dass der Kolbenkopf einfacher an den Fast-Geradführungsmechanismus und die Verbindungsstange gepasst werden kann. Andererseits bietet der in 1B gezeigte Mechanismus den Vorteil, dass, falls die Ausrichtung des Kolbenkopfs 22 aus irgendeinem Grund damit anfängt, relativ zu dem Zylinder 10 geneigt zu werden, eine solche Neigung korrigiert werden kann, wenn sich die Kolbenstützstange 24 entlang eines nahezu geradlinigen Pfads bewegt.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und deren Variationen eine Reibung zwischen dem Kolben 20 und dem Zylinder 10 wesentlich verringert werden, da das untere Ende des Kolbens 20 eine fast geradlinige Bewegungsbahn entlang der Zentralachse des Zylinders 20 mit Hilfe des Fast-Geradführungsmechanismus 50 in dem Kolben-Kurbelmechanismus verfolgt.
C. Weitere Variationen
C1. Variation 1
Mit Bezug auf die vorliegende Erfindung kann nicht nur ein Schwenkhebel-Fast-Geradführungsmechanismus sondern auch jeder andere Fast-Geradführungsmechanismus verwendet werden. Beispielsweise kann ein Watt'scher Geradführungsmechanismus verwendet werden. Auch in diesem Fall ist es ebenso vorzuziehen, dass der Fast-Geradführungsmechanismus eine Vielzahl von nahezu geraden Anschlusselementen hat. Zusätzlich ist es, wie in 7–13 gezeigt ist, vorzuziehen, dass die Eingriffsenden der Vielzahl von nahezu geraden Anschlusselementen (d. h. die Abschnitte, die den Verbindungsenden 230 in 7 entsprechen) und die eingreifenden Enden des nahezu geraden Anschlusselements, das mit dem Verbindungsabschnitt in Eingriff ist, der den Kolben und die Verbindungsstange verbindet (d. h. der Abschnitt, der dem Verbindungsende 210 in 7 entspricht), eine einseitige Stützkonstruktion haben, bei der ein Vorsprung von einer vorbestimmten Seite eingesetzt ist, während die Komponenten drehbar verbunden sind.
Es ist zudem vorzuziehen, dass der Fast-Geradführungsmechanismus so konstruiert ist, dass der Abweichungsbetrag von der Zylindermittelachse am oberen Totpunkt kleiner als der Abweichungsbetrag am unteren Totpunkt ist. Da in dem SchwinghebelFast-Geradführungsmechanismus, wie er in Zusammenhang mit den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist, der Punkt, der sich entlang einer nahezu geraden Linie bewegt (d. h. der sich bewegende Anschlusspunkt A), an dem einen Ende des Mechanismus angeordnet ist, ist ein solcher Fast-Geradführungsmechanismus zum Regulieren der Bewegung des Kolbens einer Brennkraftmaschine besonders geeignet und kann eine gute Linearität bieten, während ein kompakter Mechanismus bereitgestellt wird.
C2. Variation 2
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein Kolben 20 mit einem Kolbenkopf 22 und einer Kolbenstützstange 24 verwendet, aber es ist auch möglich, einen Kolben zu verwenden, der eine Konstruktion aufweist, die der dem Kolben 120 aus dem Stand der Technik ähnlich ist (siehe 1A). Jedoch ist die Verwendung eines Kolbens mit einem Kolbenkopf 22 und einer Kolbenstützstange 24 vorteilhaft, da es einfacher ist, eine Störung zwischen dem Fast-Geradführungsmechanismus 50 und dem Zylinder 10 zu verhindern, wodurch ermöglicht wird, den Fast-Geradführungsmechanismus 50 kompakter zu machen.
C3. Variation 3
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Stützelemente 26 mit der Kolbenstützstange 24 verbunden, aber es ist auch akzeptabel, wenn die Stützelemente 26 stattdessen mit einem anderen Teil des Kolbens verbunden sind (beispielsweise dem Boden des Kolbenkopfs 22). Mit anderen Worten ist, solange Stützelemente zum Verhindern einer seitlichen Abweichung des Kolbens in der Nähe der Zylinderinnenwand angeordnet sind, deren präzise Positionierung an dem Kolben nicht kritisch. Ein Hemd, das kleiner als das im Stand der Technik verwendete Hemd ist, kann anstelle der Stützelemente verwendet werden. Für ein solches Hemd kann für eine Kolbenkraftmaschine derselben Bauweise mit den gleichen Zylinderinnenabmessungen ein Element verwendet werden, das eine Widerstandsfähigkeit gegen Achsschub (Seitenkraft) hat (beispielsweise eine Seitenkraftwiderstandsfähigkeit, die circa der Hälfte jener des in dem Stand der Technik vorgesehenen ist), die kleiner als die des Hemds ist, das in der Kolbengestaltung des Stands der Technik verwendet wird (d. h. als die Kolbengestaltung, die den Fast-Geradführungsmechanismus nicht aufweist). Insbesondere kann beispielsweise ein Hemd verwendet werden, das circa die Hälfte der Fläche des Hemds hat, das in der herkömmlichen Kolbengestaltung verwendet wird.
C4. Variation 4
Der erfindungsgemäße Kolben-Kurbelmechanismus kann in jeder Kolbenkraftmaschine verwendet werden, einschließlich einer internen Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel einem Benzinmotor oder einem Dieselmotor, ebenso wie einer externen Kraftmaschine, wie zum Beispiel einem Sterling-Motor. Die vorliegende Erfindung kann auch als ein Fahrzeug oder ein beweglicher Körper realisiert werden, der eine solche Kolbenkraftmaschine aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben und dargestellt wurde, ist es klar zu verstehen, dass dies lediglich der beispielhaften Veranschaulichung dient und nicht als Beschränkung heranzuziehen ist, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung lediglich durch den Wortlaut der beiliegenden Ansprüche beschränkt ist.
Ein Fast-Geradführungsmechanismus, der mit dem Verbindungsabschnitt verbunden ist, der den Kolben und die Verbindungsstange verbindet, reguliert die Bewegung des Verbindungsabschnitts, so dass er sich an einer fast geraden Linie entlang der axialen Mittellinie des Zylinders bewegt. Gemäß einem Gesichtspunkt bilden die Eingriffsenden einer Vielzahl von nahezu geraden Anschlusselementen, ebenso wie die Eingriffsenden der nahezu geraden Anschlusselemente, die mit dem Verbindungsabschnitt in Eingriff sind, der den Kolben und die Verbindungsstange verbindet, eine einseitige Stützkonstruktion, die den nahezu geraden Stützelementen ermöglicht, drehbar verbunden zu sein, während sie von einer vorbestimmten Richtung in Eingriff sind.

Claims

Kolbenkraftmaschine mit: einem Zylinder (10); einem Kolben (20), der so konfiguriert ist, dass er sich in dem Zylinder (10) vor- und zurückbewegt, wobei eine Vor- und Zurückbewegungsrichtung des Kolbens als Vertikalrichtung definiert ist; einer Kurbelwelle (40), die so konfiguriert ist, dass sie sich um eine Antriebsachse (42) dreht; einer Verbindungsstange (30), die so konfiguriert ist, dass sie den Kolben (20) mit der Kurbelwelle (40) verbindet; und einem Fast-Geradführungsmechanismus, der mit einem den Kolben (20) und die Verbindungsstange (30) verbindenden Verbindungsabschnitt verbunden ist, zum Regulieren der Bewegung des Verbindungsabschnitts derart, dass sich der Verbindungsabschnitt an einer fast geraden Linie entlang einer Richtung einer Mittelachse des Zylinders (10) bewegt, wobei der Fast-Geradführungsmechanismus ein Schwinghebel-Fast-Geradführungsmechanismus ist, der ein erstes und ein zweites seitliches Anschlusselement (52, 54) und ein vertikales Anschlusselement (56) hat, ein erstes Ende (210) des ersten Anschlusselements (52) eine drehbare, einseitige Stützkonstruktion hat, so dass es drehbar mit dem den Kolben (20) und die Verbindungsstange (30) verbindenden Verbindungsabschnitt verbunden ist, ein zweites Ende des ersten seitlichen Anschlusselements (52) drehbar mit einem ersten Ende des vertikalen Anschlusselements (56) verbunden ist, ein zweites Ende des vertikalen Anschlusselements (56) drehbar an einer vorbestimmten Stelle an der Kolbenkraftmaschine befestigt ist, ein erstes Ende (230) des zweiten seitlichen Anschlusselements (54) eine einseitige Stützkonstruktion hat, so dass es drehbar mit einem Eingriffsabschnitt verbunden ist, der auf halbem Weg entlang des ersten seitlichen Anschlusselements (52) angeordnet ist, ein zweites Ende (238) des zweiten seitlichen Anschlusselements (54) drehbar an einer vorbestimmten Stelle an der Kolbenkraftmaschine befestigt ist, und der den Kolben (20) und die Verbindungsstange (30) verbindende Verbindungsabschnitt gesehen entlang der Vor- und Zurückbewegungsrichtung des Kolbens zwischen dem ersten seitlichen Anschlusselement (52) und dem zweiten seitlichen Anschlusselement (54) angeordnet ist.
Kolbenkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei das erste Ende (210) des ersten seitlichen Anschlusselements (52) und das erste Ende (230) des zweiten seitlichen Anschlusselements (54) eine gabelungsfreie Konstruktion aufweisen.
Kolbenkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eines von dem ersten Ende (230) des zweiten seitlichen Anschlusselements (54) und einem Eingriffsende (210) des ersten seitlichen Anschlusselements (52) eine Drehwellenkonstruktion aufweist, und wobei das andere davon eine Lagerkonstruktion aufweist.
Kolbenkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, gesehen von einer Richtung der Bewegung des Kolbens (10), vier Stellen einschließlich (i) einer Stelle, an der das zweite Ende des ersten seitlichen Anschlusselements (52) mit dem ersten Ende des vertikalen Anschlusselements (56) verbunden ist, (ii) einer Stelle des Eingriffsabschnitts (214) des ersten seitlichen Anschlusselements (52), (iii) einer Stelle, an der der Kolben (10) mit der Verbindungsstange (30) verbunden ist, und (iv) der vorbestimmten Stelle, an der das zweite Ende (230) des zweiten seitlichen Anschlusselements (54) mit der Kolbenkraftmaschine verbunden ist, an einer geraden Linie ausgerichtet sind.