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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbrennungsmotors,
wobei gemäß Patentanspruch
1 in ein Zylinderkurbelgehäuse
Kolben und eine Kurbelwelle eingeführt werden, und wobei Mittel
vorgesehen sind, um die Hubbewegungen der Kolben in Drehbewegungen
der Kurbelwelle umzuwandeln.
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Üblicherweise
werden bei der Montage herkömmlicher
Verbrennungsmotore zunächst
die Kolben mittels Kolbenbolzen mit den Oberteilen von Pleuelstangen
verbunden, bevor die Kolben gemeinsam mit den Pleuelstangen in die
Zylinderbohrungen eines Zylinderkurbelgehäuses eingeführt werden. Im Anschluss daran
werden die Kurbelwelle an der Unterseite des Zylinderkurbelgehäuses und
die Pleuelstangen an den Kurbelzapfen der Kurbelwelle befestigt,
bevor der untere Teil des Kurbelgehäuses, d.h., die Ölwanne,
an die Unterseite des Zylinderkurbelgehäuses geschraubt wird. Danach
folgt die Montage des Zylinderkopfes und die Herstellung einer Antriebsverbindung
zwischen Kurbelwelle und einer oder mehreren, im Zylinderkopf angeordneten,
obenliegenden Nockenwellen.
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Nachteilig
ist hierbei, dass die herkömmlichen
Verbrennungsmotore aus einer relativ großen Anzahl von Einzelteilen
bestehen, sodass es sehr zeit- und kostenaufwendig ist, diese Motore
zu montieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, diesen Nachteil des Standes
der Technik zu vermeiden. Gelöst
wird diese Aufgabe mit im Hauptanspruch stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim
Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung
entfallen Bolzen und Bolzensicherungen, die bei den herkömmlichen
Verbrennungsmotoren erforderlich sind, um die Kolben mit den Pleuel
zu verbinden. Zudem ist beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor kein
mehrteiliger Lagerstuhl zur Lagerung der Kurbelwelle erforderlich,
wie das beim herkömmlichen
Verbrennungsmotor der Fall ist. Der Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung
besteht aus ca. 60% weniger Einzelteilen als der herkömmliche Verbrennungsmotor,
wodurch die Montage des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors erheblich
beschleunigt und damit dessen Herstellungskosten reduziert werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
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2 einen
Schnitt durch den fertig montierten Verbrennungsmotor ohne Zylinderköpfe,
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3 einen
Schnitt durch eine fertig montierte Zylinder-Doppelkolbeneinheit
mit schematisch dargestellten Zylinderköpfen entlang der Linie XX in 1,
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4 den
Doppelkolben in Seitenansicht, Vorderansicht und in Draufsicht,
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5 eine
als Pleuel wirkende Exzenterscheibe zur Umwandlung der translatorischen
Hubbewegungen des Doppelkolbens in Drehbewegungen einer Kurbelwelle
in Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht,
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6 schematische
Darstellungen eines Doppelkolbens mit einer Exzenterscheibe, die über einen
Kurbelzapfen mit der Kurbelwelle verbunden ist, zur Erläuterung
der Umwandlung der translatorischen Hubbewegungen der Doppelkolben
in rotatorische Bewegungen der Exzenterscheibe und der Kurbelwelle,
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7 die
Kurbelwelle mit einem durchgehenden Ölkanal,
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8 die
Exzenterscheibe im Schnitt mit einer Nut als Ölleitung und
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9 den
Doppelkolben im Schnitt mit einer Nut als Ölleitung und mit Ölkanälen.
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1 zeigt
die Explosionsdarstellung eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung,
wobei die eingezeichneten Pfeile Hinweise auf die Art der Montage
der Einzelteile des Motors geben. Wie dargestellt kann der Motor
ein 8-Zylindermotor sein. Das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip ist
aber auch mit Hilfe von Motoren mit einer beliebigen Zahl von Zylindern
realisierbar, wobei wegen der Verwendung von Doppelkolben die Zahl
der Zylinder durch 2 teilbar sein muss.
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Bei
der Montage des Verbrennungsmotors werden zunächst Exzenterscheiben 1 bis 4 auf
einer Kurbelwelle 5 befestigt, wobei die Befestigungsart eine
durch die Schrauben 6 bis 13 angedeutete Schraubverbindung
ist. Wie in den 1 und 5A dargestellt
ist, bestehen die Exzenterscheiben 1 bis 4 jeweils
aus zwei unterschiedlich großen,
in der Vorderansicht gemäß 5A betrachtet kreissegmentförmigen Teilen 1', 1'', 2', 2'', 3', 3'', 4', 4'',
die zusammengeschraubt eine kreisförmige Scheibe ergeben. An der
Verbindungsstelle zwischen dem größeren Teil, d.h., dem Scheibengrundkörper 1' und dem kleineren
Teil, d.h., der Oberschale 1'' der Exzenterscheibe 1 befindet
sich eine exzentrisch angeordnete Bohrung 14, deren Durchmesser
insoweit größer als der
Durchmesser der Kurbelzapfen 15 bis 18 der Kurbelwelle 5 ist,
dass nach dem Zusammenschrauben der beiden Teile 1', 1'', 2', 2'', 3', 3'', 4', 4'' der
Exzenterscheiben 1 bis 4 diese über die
jeweiligen Bohrungen 14 auf den Kurbelzapfen 15 bis 18 der
Kurbelwelle 5 drehbar gelagert sind.
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Hergestellt
sind die Kurbelwelle 5 und die Exzenterscheiben 1 bis 4 aus
einem Eisenwerkstoff. Hierbei besteht die Möglichkeit, das Gewicht der
Kurbelwelle 5 mittels parallel zur Längsachse 19 in die Kurbelzapfen 15 bis 18,
in die Wangen 25 und 65 bis 68 der Kurbelwelle 5 und
in den Wellenzapfen 26 der Kurbelwelle 5 eingebrachter
und in 1 gestrichelt eingezeichneter Bohrungen 20 bis 24 zu
reduzieren. Die äußere Wange 25 der
Kurbelwelle 5, an der der Wellenzapfen 26 der
Kurbelwelle 5 befestigt ist, weist auf seiner äußeren, dem
Wellenzapfen 26 zugewandten Seite eine konisch ausgebildete
Anformung 27 auf, die das Einführen der Kurbelwelle 5 in
das Zylinderkurbelgehäuse 28 des
Verbrennungsmotors erleichtert.
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Im
weiteren Verlauf der Montage des Verbrennungsmotors werden Doppelkolben 29 bis 32 in die
Zylinderräume 33 bis 36 des
Zylinderkurbelgehäuses 28 eingeführt. In 1 sind
die Doppelkolben 29 bis 32 in Seitenansicht dargestellt.
In 4B ist die Vorderansicht eines der Doppelkolben 29 mit
einen zentralen Bereich 37 dargestellt, der in einer ersten
radialen Richtung x einen radialen Durchmesser aufweist, der identisch
ist mit dem radialen Durchmesser der Kolbenbereiche 38 und 39 des
Doppelkolbens 29, der aber, wie 4A zeigt,
in einer zweiten, senkrecht zur ersten radialen Richtung x liegenden
Richtung y relativ schmal ausgebildet ist und zumindest annähernd die
Breite der Joche 40, 41 aufweist, über die
der zentrale Bereich 37 mit den Kolbenbereichen 38 und 39 des
Doppelkolbens 29 verbunden ist. Der zentrale Bereich 37 weist
eine kreisrunde Öffnung 44 auf,
deren Durchmesser insoweit gleich dem Durchmesser der Exzenterscheiben 1 bis 4 ist,
dass die Öffnungen 44 bis 47 für die Exzenterscheiben 1 bis 4 die
Funktion von Gleitlagern haben.
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Die
in Richtung x betrachtet radialen Außenflächen 42 und 43 des
zentralen Bereiches 37 weisen eine zylindrische Form auf
und gleiten bei den translatorischen Hubbewegungen des Doppelkolbens
im Motorbetrieb an den Zylinderwänden
der Zylinderräume 33 bis 36 des
Zylinderkurbelgehäuses 28 entlang.
Zur Reduzierung des hierbei auftretenden Verschleißes der
Außenflächen 42 und 43 weisen
diese eine eisenpartikelverstärkte
Kunstharzbeschichtung auf. Hergestellt werden das Zylinderkurbelgehäuse 28 aus
Gusseisen und die Doppelkolben 29 bis 32 aus Aluminium.
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Nachdem
die Doppelkolben 29 bis 32 gemäß 1 in Richtung
der Pfeile 95 bis 95''' so weit in
das Zylinderkurbelgehäuse 28 eingeführt sind,
dass die Symmetrieachsen 59 bis 62 der Öffnungen 44 bis 47 der
Doppelkolben 29 bis 32 auf der Symmetrieachse 58 von Öffnungen 48 bis 52 in
den Zylinderwänden 53 bis 57 liegen,
wird die Kurbelwelle 5 mit den darauf montierten Exzenterscheiben 1 bis 4 in
die Öffnungen 48 bis 52 der
Zylinderwände 53 bis 57 und
in die Öffnungen 44 bis 47 der
Doppelkolben 29 bis 32 eingeführt. Hierbei kommen die Wangen 25 und 65 bis 68 der
Kurbelwelle 5 in den Öffnungen 48 bis 52 des
Zylinderkurbelgehäuses 28 zu
liegen, wo die Wangen der Kurbelwelle 5 drehbar gelagert
sind. Weiterhin kommen hierbei die Exzenterscheiben 1 bis 4 in
den Öffnungen 44 bis 47 der
Doppelkolben 29 bis 32 zu liegen, wo sie ebenfalls
drehbar gelagert sind. Verwendet werden kann hierbei eine aus dem Stand
der Technik allgemein bekannte Einführhilfe.
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2 zeigt
den fertig montierten Verbrennungsmotor noch ohne Zylinderköpfe, wobei
die Kurbelwelle 5 von auf das Zylinderkurbelgehäuse 28 seitlich
aufgebrachten Sicherungsplatten 63 und 64 gegen
ein Verschieben in Richtung der Symmetrieachse 58 gesichert
ist. Die Platten 63, 64 können, wie im vorliegenden Fall,
an das Zylinderkurbelgehäuse 28 angeschweißt oder
auch daran angeschraubt werden.
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Die
in 3 im Schnitt entlang der Linie XX in 1 dargestellte
Zylinder-Doppelkolbeneinheit 1, 29, 53, 54 ist
beidseitig mit je einem schematisch dargestellten Zylinderkopf 69, 70 versehen,
der jeweils einen Zylinderkopfdeckel 71, 72, je
zwei Ein-Auslass-Ventile 73 bis 76,
und je zwei die Ventile 73 bis 76 steuernde Nockenwellen 77 bis 80 aufweist.
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In 4 ist
der Doppelkolben in Vorderansicht (4B), Seitenansicht
(4A) und in Draufsicht (4C) dargestellt.
Schematisch dargestellt sind in den Kolbenbereichen 38 und 39 angeordnete Nuten 81 und 82 für je einen
in 4 nicht dargestellten Verdichtungsring und Nuten 83 und 84 für je einen
in 4 nicht dargestellten Ölabstreifring. Die Joche 40 und 41,
die die Kolbenbereiche 38 und 39 mit dem mittleren
Bereich 37 verbinden, sind mit den Kolbenbereichen 38 und 39 fest
verbunden.
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5 zeigt
eine Exzenterscheibe 1 in Vorderansicht (5A),
Seitenansicht (5B) und in Draufsicht (5C).
Diese besteht aus der Oberschale 1'',
die in Vorderansicht (4A) kreissegmentförmig und
in Draufsicht (4C) qudratisch ausgebildet ist.
Auf der Innenseite weist die Oberschale 1'' der
Exzenterscheibe 1 eine halbrohrförmige Ausnehmung 14'' auf, die mit einer ebensolchen halbrohrförmigen Ausnehmung 14' auf der Oberseite des
Scheibengrundkörpers 1' die Bohrung 14 ergibt. Mittels
skizzenhaft angedeuteter Schrauben 6, 6', 7, 7' ist die Oberschale 1'' mit einem auf der Oberseite des
Scheibengrundkörperes 1' angebrachten
und in Draufsicht (4C) quadratisch
ausgebildeten Flansch 85 befestigt, wobei die Schrauben 6, 6', 7, 7' an den vier
Ecken der Oberschale 1'' der Exzenterscheibe 1 und
des Flansches 85 angeordnet sind. Auf der der Bohrung 14 abgewandten
Seite weist die Exzenterscheibe 1 eine weitere Bohrung 86 auf,
die dazu dient, die Exzenterscheibe 1 auszuwuchten.
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In
den 6a bis i ist der Doppelkolben 29 mit
der Öffnung 44 schematisch
dargestellt, in der die Exzenterscheibe 1 drehbar gelagert
ist, die über
den Kurbelzapfen 15 mit der Kurbelwelle 5 verbunden
ist. Der Übersichtlichkeit
halber sind nur die 6a und 6b mit Kennzeichnungen versehen. Hieraus
ist ersichtlich, dass eine Bewegung des Doppelkolbens in Richtung
des Pfeiles 87 zum einen eine Drehbewegung der Kurbelwelle 5 in
Richtung des Pfeiles 90 und zum anderen eine Drehbewegung
der Exzenterscheibe 1 in die dazu entgegengesetzte Richtung
des Pfeiles 89 bewirkt, sodass die Drehbewegungen der Kurbelwelle 5 und
der Exzenterscheibe 1 gegenläufig sind.
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Beim
Anlassen des erfindungsgemäßen Motors
ist es erforderlich, dass sich die Exzenterscheiben 1 (bis 4),
die Kurbelwelle 5 und die Doppelkolben 29 (bis 32)
in einer Position befinden, die von der in den 6a, 6e und 6i dargestellten
Positionen abweicht, d.h., eine der in den 6b,
c, d, f, g, h dargestellten Positionen einnimmt, denn nur dann ist
eine von einem Anlasser in Drehung versetzte Kurbelwelle 5 in
der Lage, eine zur Kurbelwelle 5 gegenläufige Drehbewegung der Exzenterscheibe 1 (bis 4)
und gleichzeitig eine tranlatorische Hubbewegung des Doppelkolbens 20 (bis 32)
zu bewirken. Mit großer
Wahrscheinlichkeit ist diese Situation aber immer gegeben.
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Anhand
der nicht maßstabsgerecht
gezeichneten 7 bis 9 wird die
Versorgung der Doppelkolben 29 (bis 32) mit Schmier-
und Kühlöl erläutert. 7 zeigt
die Kurbelwelle 5, in der die Bohrungen 21 bis 24 eingebracht
sind, die der Reduzierung des Gewichtes der Kurbelwelle 5 dienen.
Diese Bohrungen werde über
in die Wan gen 66, 68 und 27 der Kurbelwelle 5 eingebrachten
Schrägbohrungen 97 bis 99 miteinander
verbunden, sodass sich ein durchgehender Ölkanal 96 ergibt.
Zudem sind die Bohrungen 21 bis 23 über radial
zur Längsachse 19 der
Kurbelwelle 5 und in der Mitte der Kurbelzapfen 15 bis 18 angeordnete,
durchgehende Verbindungskanäle 100 bis 103 mit
den äußeren Mantelflächen der
Kurbelzapfen 15 bis 18 verbunden.
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Die
Bohrungen 14 der Exzenterscheiben 1 (bis 4)
weisen gemäß 8 mittig
angeordnete, umlaufende Nuten 104 auf, in die, wenn die
Exzenterscheiben 1 (bis 4) auf den Kurbelzapfen 15 bis 18 montiert
sind, aus den Verbindungskanälen 100 bis 103 austretenden Öl eingeleitet
wird, das zum einen der Schmierung der aus den Bohrungen 14 und
den Kurbelzapfen 15 bis 18 gebildeten Gleitlagern
dient, und das zum anderen bis zu in den Grund der jeweiligen Nuten 104 eingeformten,
durchgehenden Bohrungen 105 geleitet wird, über die
das nicht zur Schmierung des Gleitlagers 14 bis 18 genutzte Öl austritt.
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In 9 ist
einer der Doppelkolben 29 mit der Öffnung 44 im Schnitt
dargestellt, in deren Innenfläche
jeweils eine mittig angeordnete, umlaufende Nut 106 eingeformt
ist. Die Nut 106 ist über
in die Joche 40 und 41 eingebrachte, radial zu
Symmetrieachse 59 der Öffnung 44 liegende Ölkanäle 108 und 109 mit
durchgehenden, in die Kolbenbereiche 38 und 39 eingearbeiteten
und parallel zur Symmetrieachse 59 liegenden Ölkanälen 110, 111 verbunden.
Ist der Doppelkolben 29 auf der Exzenterscheibe 1 montiert, mündet die
Bohrung 105 in die Nut 106 und leitet Öl in die
Nut 106, das zum einen der Schmierung des aus der Exzenterscheibe 1 und
der Öffnung 44 gebildeten
Gleitlagers dient, und das zum anderen durch die Kanäle 108 und 109 in
die Ölkanäle 110 und 111 geleitet
wird. Hier tritt das Öl
beiderseits der Joche 40 und 41 aus und dient
der Kühlung
der Kolbenbereiche 38 und 39 der jeweiligen Doppelkolben 29 (bis 32).
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Im
zusammengebauten Zustand sitzen die Exzenterscheiben 1 (bis 4)
auf den Kurbelzapfen 15 bis 18 und die Doppelkolben 29 (bis 32)
auf den Exzenterscheiben 1 (bis 4), sodass sich
ein Ölkanalsystem
ergibt, das ausgehend von der Bohrung 24 im Wellenzapfen 26, über den
durchgehenden Ölkanal 96 in
der Kurbelwelle 5, über
die Verbindungskanäle 100 bis 103, über die
Nuten 104 in den Bohrungen 14 der jeweiligen Exzenterscheiben 1 (bis 51) über im Grund
der Nuten 104 angeordenete Bohrungen 105, über die
in den Öffnungen 44 der
jeweiligen Doppelkolben 20 (bis 32) eingeformte
Nuten 106, über
sich daran anschließende
Kanäle 108 und 109 bis
zu den in den Kolbenbereichen 38 und 39 der jeweiligen Doppelkolben 20 (bis 32)
eingebrachten Ölkanälen 110, 111 zur
Kühlung
des Doppelkolben 29 (bis 32) reicht.
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- 1
bis 4
- Exzenterscheibe
- 1' bis 4'
- Scheibengrundkörper
- 1'' bis 4''
- Oberschale
der Exzenterscheibe
- 5
- Kurbelwelle
- 6
bis 13
- Schrauben
- 14
- Bohrung
- 14', 14''
- halbrohrfömige Ausnehmung
- 15
bis 18
- Kurbelzapfen
der Kurbelwelle 5
- 19
- Längsachse
der Kurbelwelle 5
- 20
bis 24
- Bohrung
in der Kurbelwelle 5
- 25
- Wange
der Kurbelwelle 5
- 26
- Wellenzapfen
- 27
- Anformung
- 28
- Zylinderkurbelgehäuse
- 29
bis 32
- Doppelkolben
- 33
bis 36
- Zylinderraum
- 37
- mittlerer
Bereich des Doppelkolbens 29
- 38,
39
- Kolbenbereich
des Doppelkolbens 29
- 40,
41
- Joch
- 42,
43
- radiale
Außenfläche des
Bereiches 37
- 44
bis 47
- Öffnung im
Bereich 37
- 48
bis 52
- Öffnung im
Zylinderkurbelgehäuse 28
- 53
bis 57
- Zylinderwand
des Zylinderkurbelgehäuses 28
- 58
- Symmetrieachse
der Öffnungen 48 bis 52
- 59
bis 62
- Symmetrieachse
der Öffnungen 44 bis 47
- 63,
64
- Sicherungsplatte
- 65
bis 68
- Wange
der Kurbelwelle 5
- 69,
70
- Zylinderkopf
- 71,72
- Zylinderkopfdeckel
- 73
bis 76
- Ein-
Auslassventil
- 77
bis 80
- Nockenwelle
- 81,
82
- Nut
für einen
Verdichtungsring
- 83,
84
- Nut
für einen Ölabstreifring
- 85
- Flansch
- 86
- Bohrung
- 87
bis 90
- Pfeil
- 91
- Radialebene
- 92
- Zylinderraum
- 93
- Kolbenachse
- 94
- Zylinderraum
- 95
bis 95'''
- Pfeil
- 96
- Ölkanal in
der Kurbelwelle 5
- 97
bis 99
- Schrägbohrungen
- 100
bis 103
- Verbindungskanal
- 104
- Nut
- 105
- Bohrung
- 106
- Nut
- 108,
109
- Kanal
- 110,
111
- Ölkanal
- 112
bis 115
- Zylinderachse