DE102005061282A1

DE102005061282A1 - Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe

Info

Publication number: DE102005061282A1
Application number: DE200510061282
Authority: DE
Inventors: Stephan Gehrke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: DE102005061282B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile einer bekannten Gelenkpleuelkinematik, insbesondere im Hinblick auf ihre kinematischen und mechanischen Eigenschaften, bezüglich des Kolbenwegverlaufes, des Drehmomentverlaufes, der Kolbengeschwindigkeit, der Kolbenbeschleunigung und der Kolbenseitenkraft zu erhalten und zugleich Fertigung, Montage und Betrieb wesentlich unproblematischer zu gestalten. Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe gelöst, mit mindestens einem Zylinder (1) und einem darin hin- und herbewegbaren Kolben (2), wobei der Kolben (2) über ein Gelenkgestänge mit einer Kurbelwelle (3) verbunden ist, wobei das Gelenkgestänge ein an dem Kolben (2) angelenktes erstes Pleuel (4), ein an der Kurbelwelle (3) angelenktes zweites Pleuel (5) und einen Schwenkhebel (6) umfaßt, wobei der Schwenkhebel (6) einerseits auf einer Schwenkhebelgelenkachse (8a) schwenkbeweglich gelagert ist und wobei der Schwenkhebel (6) andererseits über voneinander beabstandete gelenkige Verbindungen (10, 11) mit dem ersten Pleuel (4) und dem zweiten Pleuel (5) verbunden ist, wobei die Schwenkhebelgelenkachse (8a) von der Kolbenmittellinie (14) beabstandet ist und wobei die Kolbenmittellinie (14) nicht durch die Kurbelwellengelenkachse (7a) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe mit einer gelenkigen Verbindung zwischen Kolben und Kurbelwelle zur besseren Ausnutzung der Gasdruckkraft.

Aus der Patentschrift DE 30 30 615 C2 ist eine Gelenkpleuelkinematik bekannt. Bei Gelenkpleuelkonstruktionen bisheriger Bauart sind für die Lager in der gelenkigen Verbindung von kolbenseitigen Pleuel, Schwenkhebel und kurbelwellenseitigen Pleuel nur ein begrenzter Bauraum vorhanden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile dieser Gelenkpleuelkinematik, insbesondere im Hinblick auf ihre kinematischen und mechanischen Eigenschaften, bezüglich des Kolbenwegverlaufes, des Drehmomentverlaufes, der Kolbengeschwindigkeit, der Kolbenbeschleunigung, und der Kolbenseitenkraft zu erhalten und zugleich Fertigung, Montage und Betrieb wesentlich unproblematischer zu gestalten.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Danach ist eine Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe vorgesehen, mit mindestens einem Zylinder und einem darin hin- und her bewegbaren Kolben, wobei der Kolben über ein Gelenkgestänge mit einer Kurbelwelle verbunden ist, wobei die Kurbelwelle auf einer Kurbelwellengelenkachse schwenkbeweglich gelagert ist, wobei das Gelenkgestänge ein an dem Kolben angelenktes erstes Pleuel, ein an der Kurbelwelle angelenktes zweites Pleuel und einen Schwenkhebel umfaßt, wobei der Schwenkhebel einerseits auf einer Schwenkhebelgelenkachse schwenkbeweglich gelagert ist, und wobei der Schwenkhebel andererseits über voneinander beanstandete gelenkige Verbindungen mit dem ersten Pleuel und dem zweiten Pleuel verbunden ist, wobei die Schwenkhebelgelenkachse von der Kolbenmittellinie beabstandet ist, und wobei die Kolbenmittellinie nicht durch die Kurbelwellengelenkachse verläuft.

Mit der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine geschaffen, die einen ausreichenden Bauraum für die benötigten Lager in der gelenkigen Verbindung von kolbenseitigen Pleuel, Schwenkhebel und kurbelwellenseitigen Pleuel aufweist. Die Vorteile bekannter Gelenkpleuelkinematiken lassen sich erfindungsgemäß bei Verwendung von zwei gelenkigen Verbindungen verwirklichen. Aufgrund des vergrößerten Bauraumes können Lager mit größeren Lageraußendurchmessern verwendet werden, als dies im Stand der Technik möglich ist. Vorzugsweise kommen dabei Zylinderrollenlager zum Einsatz, die für diesen Einsatzzweck optimale Lagereigenschaften aufweisen.

Das erfindungsgemäße Kurbelgetriebe ist für alle Viertaktmotore mit Fremdzündung und Selbstzündung und alle Zweitaktmotore mit Fremdzündung und Selbstzündung geeignet.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Brennkraftmaschine mit teilweise durchsichtigen Komponenten,
2 eine Schnittdarstellung durch die Brennkraftmaschine aus 1,
3 die Brennkraftmaschine aus 1 in Seitenansicht, und
4-8 graphische Darstellungen einzelner Konstruktionsschritte bei der Konstruktion einer Brennkraftmaschine nach 1.
Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren wesentlichen Bestandteilen.
Wie in 1 und 2 abgebildet, weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe mindestens einen Zylinder 1 und einen in dem Zylinder 1 hin- und her bewegbaren Kolben 2 auf. Der Kolben 2 ist über ein Gelenkgestänge mit einer Kurbelwelle 3 verbunden. Dabei umfaßt das Gelenkgestänge ein an dem Kolben 2 angelenktes erstes stangenförmiges Pleuel 4 (Kolbenpleuel), ein an der Kurbelwelle 3 angelenktes zweites stangenförmiges Pleuel 5 (Kurbelwellenpleuel) und einen Schwenkhebel 6. Der Schwenkhebel 6 weist im wesentlichen eine dreieckige Grundform auf und ist ohne Gabelung ausgeführt, was einen sehr geringen Raumbedarf bei der Montage zur Folge hat. Der Schwenkhebel 6 ist an seinem durch eine Ecke des Dreiecks gebildeten einen Ende mit Hilfe eines Schwenkhebelgelenk 8 auf einer zu der Kurbelwellengelenkachse 7a im wesentlichen parallelen Schwenkhebelgelenkachse 8a schwenkbeweglich gelagert, wobei die Schwenkhebelgelenkachse 8a zu dem Kolbenpleuelgelenk 9 und zu der Kurbelwelle 3 ortsfest ausgebildet ist, die ortsfeste Lage der Schwenkhebelgelenkachse 8a jedoch ortsveränderlich verstellbar ist. Insbesondere kann die Lage der Schwenkhebelgelenkachse 8a radial auf einer Exzenterwelle und/oder axial auf einer Schiene verstellbar sein. Mit einer Ortsveränderung läßt sich zum einen der Drehmomentverlauf und zum anderen der Kolbenwegverlauf sowie die Kompression, die Kolbenseitenkraft etc. beeinflussen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Lage der Schwenkhebelgelenkachse 8a ortsunveränderlich vorzusehen.
An dem durch die beiden anderen Ecken des Dreiecks gebildeten gegenüberliegenden Ende des Schwenkhebels 6 greifen die freien Enden von Kolbenpleuel 4 und Kurbelwellenpleuel 5 an. Dies erfolgt über die gelenkige Verbindung 10 zwischen dem Kolbenpleuel 4 und dem Schwenkhebel 6 auf der Kolbenpleuellagerachse 10a einerseits und über die gelenkige Verbindung 11 zwischen dem Kurbelwellenpleuel 5 und dem Schwenkhebel 6 auf der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a andererseits. Als gelenkige Verbindungen 10, 11 kommen Zylinderrollenlager 46, 47 zum Einsatz.
Die Schwenkhebelgelenkachse 8a ist mit der Kolbenpleuellagerachse 10a durch eine erste gedachte Verbindungslinie 37 und mit der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a durch eine zweite gedachte Verbindungslinie 36 verbunden. Diese gedachten Verbindungslinien 36, 37 – die im wesentlichen die dreieckige Form des Schwenkhebels ausbilden – schließen einen Zwischenwinkel 38 ein, der deutlich größer ist als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Zwischenwinkel kleiner auszuführen, beispielsweise dann, wenn gleich starke Lager mit geringeren Lagerdurchmessern verwendet werden. Vorzugsweise liegt der Zwischenwinkel 38 zwischen 20° und 340°. Dies hat den Vorteil, daß der Schwenkhebel konstruktiv an verschiedene Lagerdurchmesser in den gelenkigen Verbindungen 10, 11 angepaßt werden kann, ohne daß sich die gewünschten kinematischen und mechanischen Eigenschaften der Gelenkpleuelkonstruktion bezüglich des Drehmomentverlaufes, der Kolbengeschwindigkeit, der Kolbenbeschleunigung und der Kolbenseitenkraft ändern. Mit anderen Worten läßt sich die Gelenkpleuelkonstruktion über den Zwischenwinkel 38 an verschiedene Lagerdurchmesser anpassen, ohne daß sich dabei die gewünschten kinematische und mechanischen Eigenschaften verändern. Im Beispiel liegt der Zwischenwinkel 38 bei 45°.
Die durch die gelenkige Verbindung 10 gegebene Angriffstelle des Kolbenpleuels 4 und die durch die gelenkige Verbindung 11 gegebene Angriffstelle des Kurbelwellenpleuels 5 sind im Schwenkhebel 6 vorzugsweise in gleicher radialer Entfernung von der Schwenkhebelgelenkachse 8a unmittelbar nebeneinander angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Gelenkpleuelkonstruktion die vorteilhaften mechanischen und kinematischen Eigenschaften bekannter Konstruktionen exakt abbilden kann. Es ist jedoch ebenfalls möglich, beispielsweise aus Platzgründen, unterschiedliche radiale Entfernungen vorzusehen. Damit wäre beispielsweise eine Änderung der kinematischen und mechanischen Eigenschaften auf einfache Art und Weise möglich.
Das Kurbelwellenpleuel 5 ist an seinem dem Schwenkhebel 6 zugewandten Ende über eine Teillänge gabelförmig ausgebildet. Dadurch weist das gabelförmige Ende des Kurbelwellenpleuels 5 einen Zwischenraum auf, in dem das Zylinderollenlager 47 zur Ausbildung der gelenkigen Verbindung 11 zwischen dem Kurbelwellenpleuel 5 und dem Schwenkhebel 6 angeordnet ist.
Das Kolbenpleuel 4 ist an seinem dem Schwenkhebel 6 zugewandten Ende ebenfalls über eine Teillänge gabelförmig ausgebildet. Dadurch weist das gabelförmige Ende des Kolbenpleuels 4 einen Zwischenraum auf, in dem das Zylinderrollenlager 46 zur Ausbildung der gelenkigen Verbindung 10 zwischen dem Kolbenpleuel 4 und dem Schwenkhebel 6 angeordnet ist.
Das Kolbenpleuel 4 ist mit seinem dem Schenkhebel 6 abgewandten Ende über ein Kolbenpleuelgelenk 9 mit dem Kolben 2 um die Kolbenpleuelgelenkachse 9a schwenkbar verbunden. Das Kurbelwellenpleuel 5 ist mit seinem dem Schenkhebel 6 abgewandten Ende mit einem Kurbelwellenzapfen über ein Kurbelwellenpleuelgelenk 17 mit der Kurbelwelle 3 um die Kurbelwellenpleuelgelenkachse 17a schwenkbar verbunden. Die Kurbelwelle 3 ist ihrerseits mit Hilfe eines Kurbelwellengelenks 7 um die ortsfeste Kurbelwellengelenkachse 7a verschwenkbar. Der Abstand zwischen der Kurbelwellengelenkachse 7a und der Kurbelwellenpleuelgelenkachse 17a wird als Kurbelwellenhub 54 bezeichnet.
Die Kolbenpleuelgelenkachse 9a des Kolbenpleuelgelenks 9 befindet sich vorzugsweise auf der den Kolben 2 mittig durchlaufenden Kolbenmittellinie 14 und zugleich auf der Zylindermittelachse. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Kolbenpleuelgelenkachse 9a axial versetzt zu der Kolbenmittellinie 14 anzuordnen. Dies kann zu einer vorteilhaft geänderten Belastung des Kolbens führen.
Besonders wesentlich ist, daß das Gelenkgestänge durch Pleuelstangenabschnitte (Kolbenpleuel 4, Kurbelwellenpleuel 5) gebildet ist, die mit den dem Kolben 2 bzw. Kurbelwellenpleuelgelenk 17 abgewandten Enden an einem Schwenkhebel 6 in zwei verschiedenen Gelenken (gelenkige Verbindungen 10, 11) angreifen, wobei der Schwenkhebel 6 in einem senkrechten Abstand 27 neben der Kolbenmittellinie 14 lagert. Mit anderen Worten ist die Schwenkhebelgelenkachse 8a von der Kolbenmittellinie 14 beabstandet. Die Kurbelwelle 3 ist dabei derart angeordnet, daß die Kolbenmittellinie 14 nie durch die Kurbelwellengelenkachse 7a verläuft, bzw. sich nie auf der Kurbelwellengelenkachse 7a befindet.
Die Kurbelwellengelenkachse 7a befindet sich dabei auf der Seite des Zylinders 1 bzw. der Zylindermittelachse 14, auf der sich auch die Schwenkhebelgelenkachse 8a befindet. Dies hat den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Gelenkpleuelkonstruktion die vorteilhaften mechanischen und kinematischen Eigenschaften bekannter Konstruktionen exakt abbildet.
Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht es, daß die Lagerfläche zwischen dem Kolbenpleuel 4 und dem Schwenkhebel 6 einerseits und die Lagerfläche zwischen dem Kurbelwellenpleuel 5 und dem Schwenkhebel 6 andererseits möglichst groß gestaltet werden kann. Dadurch wird ermöglicht, daß beide Zylinderrollenlager 46, 47 entsprechend den auftretenden Lagerkräften gemäß dynamischer Tragzahlen auch für Motoren mit hohen Zylinderdrücken dimensioniert werden können. Das betrifft sowohl das Zylinderrollenlager 46 in der gelenkigen Verbindung 10 zwischen dem Kolbenpleuel 4 und dem Schwenkhebel 6, als auch das Zylinderrollenlager 47 in der gelenkigen Verbindung 11 zwischen dem Kurbelwellenpleuel 5 und dem Schwenkhebel 6.
Die Schmierölversorgung des Zylinderrollenlagers 46 in der gelenkigen Verbindung 10 zwischen dem Kolbenpleuel 4 und dem Schwenkhebel 6 und die Schmierölversorgung des Zylinderrollenlagers 47 in der gelenkigen Verbindung 11 zwischen dem Kurbelwellenpleuel 5 und dem Schwenkhebel 6 erfolgt jeweils durch separate Ölkanäle 48, 49. Die Ölkanäle 48, 49 verlaufen dabei im Inneren des Schwenkhebels 6, von dem Schwenkhebelgelenk 8 zu den Zylinderrollenlagern 46, 47. Dadurch wird eine ausreichende Ölversorgung der Zylinderrollenlager 46, 47 sichergestellt.
Die gelenkige Verbindung 10 zwischen dem Kolbenpleuel 4 und dem Schwenkhebel 6 und die gelenkige Verbindung 11 zwischen dem Kurbelwellenpleuel 5 und dem Schwenkhebel 6 ist konstruktiv möglichst einfach gestaltet. Konstruktionsbedingt können für die gesamte Pleuelkonstruktion Serienlager mit Normgrößen, welche im Handel erhältlich sind, verwendet werden.
Bei der beschriebenen Auslegung des Gelenkpleuels 4, 5 ist es darüber hinaus von Vorteil, daß die gelenkige Verbindung 10 zwischen dem Kolbenpleuel 4 und dem Schwenkhebel 6 und die gelenkige Verbindung 11 zwischen dem Kurbelwellenpleuel 5 und dem Schwenkhebel 6 einfach zu montieren ist.
Verbrennungskraftmaschinen mit gelenkigem Pleuel zeigen bessere Wirkungsgrade und eignen sich auch für schwerer zu entzündende Kraftstoffe wie zum Beispiel Pflanzenöl. Auch bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe ist die Verweilzeit des Kolbens 2 bei gleichem Kolbenhub und gleicher Drehzahl im oberen und unteren Totpunkt länger, als im Vergleich zu herkömmlichen Kurbelgetrieben mit einteiliger Pleuelstange. Darüber hinaus stellt sich, vom oberen Totpunkt ausgehend, bei gleichem Kolbenhub und gleicher Drehzahl, der maximale Hebelarm bei dem erfindungsgemäßen Kurbelgetrieb früher ein als im Vergleich zu herkömmlichen Kurbelgetrieben mit einteiliger Pleuelstange. Schließlich ist auch das maximale Drehmoment des erfindungsgemäßen Kurbelgetriebes, bei gleichem Kolbenhub und gleicher Drehzahl, größer als im Vergleich zu herkömmlichen Kurbelgetrieben mit einteiliger Pleuelstange.
Anhand der 3 bis 8 wird nachfolgend eine Anleitung zur Konstruktion der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe, in der oberen Totpunktstellung des Kolbens, beschrieben. Die 3 bis 8 zeigen dabei einzelne Konstruktionsschritte.
Es wird – vgl. 3 – eine geeignete Länge für den Kurbelwellenhub 54, eine geeignete Länge 53 für das Kurbelwellenpleuel 5, eine geeignete Länge für den radialen Abstand 24 der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a und eine geeignete Länge für den radialen Abstand 18 der Schwenkachse 10 des Kolbenpleuels 4 zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a und eine geeignete Länge 51 für das Kolbenpleuel 4 gewählt.
Dann wird eine geeignete horizontale Koordinate 27 und eine geeignete vertikale Koordinate 30 der Schwenkhebelgelenkachse 8a relativ zu der Kurbelwellengelenkachse 7a festgelegt, vgl. 4.
Durch die Kurbelwellengelenkachse 7a wird eine vertikale Bezugsachse 13 gelegt. Auf die vertikale Bezugsachse 13 wird eine imaginäre Konstruktionslinie 31 abgebildet.
Um die Kurbelwellengelenkachse 7a als Kreismittelpunkt verläuft ein imaginärer Kreis 32 mit einem Radius 32a, der sich aus dem Kurbelwellenhub 54 plus der Länge 53 des kurbelwellenseitigen Pleuels 5 ergibt vgl. 5.
Um die Schwenkhebelgelenkachse 8a als Kreismittelpunkt verläuft ein weiterer imaginärer Kreis 33 mit einem Radius 33a, welcher dem radialen Abstand 24 der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a entspricht. Die beiden imaginären Kreise 32, 33 schneiden sich an zwei Stellen.
Der Schnittpunkt 34, welcher zu der vertikalen imaginären Konstruktionslinie 31 den geringeren senkrechten Abstand 35 aufweist, ist für die weitere Konstruktion des Gelenkgestänges von Bedeutung. Dieser Schnittpunkt 34 entspricht der Lage der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a, also dem Mittelpunkt der sich durch die gelenkige Verbindung 11 ergebenden Anlenkstelle im Schwenkhebel 6, an dem das freie Ende des Kurbelwellenpleuels 5 angreift vgl. 6.
Die sich durch die gelenkige Verbindung 10 ergebende Anlenkstelle im Schwenkhebel 6, an dem das freie Ende des Kolbenpleuels 4 angreift, liegt mit ihrer Kolbenpleuellagerachse 10a auf einem imaginären Kreis 33b, um die Schwenkhebelgelenkachse 8a als Kreismittelpunkt und wird unmittelbar neben der gelenkigen Verbindung 11 im Schwenkhebel 6 angeordnet, an dem das freie Ende des Kurbelwellenpleuels 5 angreift. Der imaginäre Kreis 33b, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel deckungsgleich mit dem imaginären Kreis 33 ist, weist einen Radius 33c auf, welcher dem radialen Abstand 18 der Pleuellagerachse 10a zu der Schwenkhebengelenkachse 8a entspricht.
Zwischen der Verbindungslinie 36, die von der Schwenkhebelgelenkachse 8a des Schwenkhebels 6 zu der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a des Schwenkhebels 6 für das Kurbelwellenpleuel 5 verläuft und der Verbindungslinie 37, die von der Schwenkhebelgelenkachse 8a des Schwenkhebels 6 zu der Kolbenpleuellagerachse 10a des Schwenkhebels 6 für das Kolbenpleuel 4 verläuft, ergibt sich ein Zwischenwinkel 38, der für die Auslegung des Gelenkgestänges von Bedeutung ist.
Die Schwenkhebelgelenkachse 8a hat einen gewählten senkrechten Abstand 27 zu der vertikalen imaginären Konstruktionslinie 31. Diese vertikale imaginäre Konstruktionslinie 31 wird bei gleichbleibendem Abstand 27 um die Schwenkhebelgelenkachse 8a herum gedreht. Die Drehung erfolgt dabei konstruktiv um den oben genannten Zwischenwinkel 38, vgl. 7. Die Schwenkhebelgelenkachse 8a dient mit anderen Worten als konstruktiver Drehpunkt. Es ergibt sich eine konstruktiv gedrehte imaginäre Konstruktionslinie 31'.
Der konstruktive Drehsinn 39 wird dadurch festgelegt, daß beim konstruktiven Drehen der oben genannten vertikalen imaginären Konstruktionslinie 31 um die Schwenkhebelgelenkachse 8a als konstruktiven Drehpunkt die imaginäre vertikale Konstruktionslinie 31 konstruktiv einerseits in die Richtung der oberen Totpunktstellung des Kolbens 2 und andererseits gleichzeitig auf die Seite der Schwenkhebelgelenkachse 8a gedreht wird. Der konstruktive Drehsinn 39 wird dadurch festgelegt, daß beim konstruktiven Drehen der oben genannten vertikalen imaginären Konstruktionslinie 31 um die Schwenkhebelgelenkachse 8a als konstruktiven Drehpunkt, die imaginäre vertikale Konstruktionslinie 31 in die Drehrichtung 40 gedreht wird, in die sich – bei gleicher Ansicht – auch die Kurbelwelle 3 dreht. Die imaginäre Konstruktionslinie 31 wird dabei um den Zwischenwinkel 38 im konstruktiven Drehsinn 39 um den konstruktiven Drehpunkt – der Schwenkhebelgelenkachse 8a– konstruktiv gedreht.
Wichtig dabei ist, daß die Zylindermittelachse 14 um die Schwenkhebelgelenkachse 8a als konstruktiven Drehpunkt konstruktiv in jene Richtung 39 (bzw. entsprechend dem konstruktiven Drehsinn 39) gedreht ist, die – bei gleicher Ansicht – der Drehrichtung 40 der Kurbelwelle 3 entspricht. Dies ist wichtig, weil man somit die erfindungsgemäße Gelenkpleuelkonstruktion bei vorab gewählten Längenverhältnissen der Pleuelelemente und Koordinaten der Kurbelwellengelenkachse 7a und der Schwenkhebelgelenkachse 8a konstruktiv an die Lagerdurchmesser der gewählten Lager anpassen kann, ohne dabei den vorab erreichten Drehmoment- und Kolbenwegverlauf über die 360 Kurbelwellendrehgrad zu verändern.
Diese um den Zwischenwinkel 38 konstruktiv gedrehte imaginäre, vormals vertikale, vormals durch die Kurbelwellengelenkachse 7a verlaufende Konstruktionslinie 31 entspricht nun der Lage der Kolbenmittellinie 14, auf der sich der Kolben 2 mittig zwischen der oberen Totpunktstellung und der unteren Totpunktstellung hin und her bewegt.
Von Bedeutung dabei ist, daß der konstruktive Drehwinkel 38, der zu der konstruktiv gedrehten Kolbenmittellinie 14 relativ zu der vertikalen, durch die Kurbelwellengelenkachse 7a gehenden imaginären Konstruktionslinie 31 führt, dem Zwischenwinkel 38 zwischen den Verbindungslinien 36 und 37 entspricht. Dies ist wichtig, weil dadurch das erfindungsgemäße Gelenkpleuel konstruktiv an verschiedene Lagerdurchmesser in den gelenkigen Verbindungen 10, 11 angepaßt werden kann, ohne daß sich die gewünschten kinematische und mechanischen Eigenschaften der Gelenkpleuelkonstruktion bezüglich des Drehmomentverlaufes, der Kolbengeschwindigkeit, der Kolbenbeschleunigung und der Kolbenseitenkraft ändern. In einer abgewandelten Ausführungsform ist es auch möglich, daß der konstruktive Drehwinkel von dem Zwischenwinkel abweicht.
Um die Kolbenpleuellagerachse 10a des Schwenkhebels 6 für das Kolbenpleuel 4 als Kreismittelpunkt verläuft ein imaginärer Kreis 41 mit einem Radius, der sich aus der gewählten Länge 51 des Kolbenpleuels 4 ergibt. Der Schnittpunkt 42 des imaginären Kreises 41 mit der um den Zwischenwinkel 38 konstruktiv gedrehten Konstruktionslinie 31' (nun Kolbenmittellinie 14), ist die Position der Kolbenpleuelgelenkachse 9a (Mittelachse der gelenkigen Verbindung 9 des Kolbenpleuels 4 mit dem Kolben 2).
Ein weiterer imaginärer Kreis 41' erstreckt sich um die Kurbelwellenpleuellagerachse 11a als Kreismittelpunkt und weist einen Radius 41a' auf, welcher der Länge 51 des Kolbenpleuels 4 entspricht, vgl. 8.
Der Kreis 41' schneidet an einem Schnittpunkt 60 die nicht konstruktiv gedrehten vertikalen Bezugsachse 13, zu welcher rechtwinkelig die Kurbelwellengelenkachse 7a verläuft.
Die Gesamtlänge von Kurbelwellenpleuel 5 und Kolbenpleuel 4 ist größer als der in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 2 gemessene Abstand 15 zwischen dem Schnittpunkt 60 einerseits und der Bahn 16 des Kurbelwellenpleuelgelenks 17. Dies ist wichtig, weil das erfindungsgemäße Gelenkpleuel dadurch die vorteilhafte Gelenkpleuelkinematik bekannter Gelenkpleuelkonstruktionen bezüglich des Kolbenwegverlaufes, des Drehmomentverlaufes, der Kolbengeschwindigkeit, der Kolbenbeschleunigung und der Kolbenseitenkraft übernimmt, und mit der vorteilhaften Lagerkonstruktion der gelenkigen Verbindungen von kolbenseitigem Pleuel, kurbelwellenseitigen Pleuel und Schwenkhebel verbindet.
Dabei sind die Schwenkhebelgelenkachse 8a des Schwenkhebels 6 und der radiale Abstand 18 der Kolbenpleuellagerachse 10a des Kolbenpleuels 4 im Schwenkhebel 6 zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a so gewählt, daß sich bei einer von der oberen Totpunktstellung ausgehenden Kolbenbewegung die Bewegungsbahn 20 der Kolbenpleuellagerachse 10a des Kolbenpleuels 4 im Schwenkhebel 6 und die Bewegungsbahn 22 der Kolbenpleuelgelenkachse 9a zunächst einander annähern.
Der radiale Abstand 18 der Kolbenpleuellagerachse 10a im Schwenkhebel 6 zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a ist dabei größer als der senkrechte Abstand 27 zwischen der Schwenkhebelgelenkachse 8a und der konstruktiv gedrehten Zylinderachse 14, welche nicht durch die Kurbelwellengelenkachse 7a verläuft, bzw. auf der sich nicht die Kurbelwellengelenkachse 7a befindet, so daß im weiteren Bewegungsverlauf die Bewegungsbahn 20 der Kolbenpleuellagerachse 10a im Schwenkhebel 6 die konstruktiv gedrehte Zylinderachse 14 schneidet.
Die Schwenkhebelgelenkachse 8a des Schwenkhebels 6 und der radiale Abstand 24 der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a im Schwenkhebel 6 zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a sind so gewählt, daß sich bei einer von der oberen Totpunktstellung ausgehenden Kolbenbewegung die Bewegungsbahn 26 der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a im Schwenkhebel 6 und die Bewegungsbahn 22 der Kolbenpleuelgelenkachse 9a zunächst einander annähern.
Der radiale Abstand 24 der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a im Schwenkhebel 6 zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a ist größer ist als der senkrechte Abstand 27 zwischen der Schwenkhebelgelenkachse 8a und der nicht konstruktiv gedrehten vertikalen Bezugsachse 13, auf der entlang sich die Kurbelwellengelenkachse 7a im rechten Winkel zu ihr befindet, so daß im weiteren Bewegungsverlauf die Bewegungsbahn 26 der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a im Schwenkhebel 6 die nicht konstruktiv gedrehte vertikale Bezugsachse 13 schneidet.
Die Länge 53 des Kurbelwellenpleuels 5 beträgt vorzugsweise das 0,05-fache bis das 20-fache der Länge 51 des Kolbenpleuels 4. Die Gesamtlänge des Kurbelwellenpleuels 5 und des Kolbenpleuels 4 ist vorzugsweise etwa 0.05 Prozent bis 10 Prozent größer als der in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 2 gemessene Abstand 15 zwischen dem Schnittpunkt (60) des Kreises 41' mit der nicht konstruktiv gedrehten vertikalen Bezugsachse 13 und der Bahn 16 der Kurbelwellenpleuelgelenkachse 17a.
Der radiale Abstand 18 der Kolbenpleuellagerachse 10a im Schwenkhebel 6 zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen der 0,05-fachen und der 20-fachen Länge 51 des Kolbenpleuels 4.
Der radiale Abstand 24 der Kurbelwellenpleuellagerachse 11a im Schwenkhebel 6 zu der Schwenkhebelgelenkachse 8a im Bereich liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen der 0,05-fachen und der 20-fachen Länge 51 des Kolbenpleuels 4.
Der senkrechte Abstand 27 der Schwenkhebelgelenkachse 8a zu der konstruktiv gedrehten Zylindermittelachse 14 liegt vorzugsweise im Bereich der 0,1-fachen bis 15-fachen Länge 51 des Kolbenpleuels 4.
Der Fußpunkt 61 der Projektion der Schwenkhebelgelenkachse 8a auf die vertikale, durch die Kurbelwellengelenkachse 7a verlaufenden Bezugsachse 13, besitzt zu der Kurbelwellengelenkachse 7a einen Abstand 59.
Dieser Abstand 59 bewegt sich in einem Bereich, der einerseits zwischen 6/10 bis 0 des in der oberen Totpunktstellung des Kolbens gemessenen Abstandes 57 zwischen dem Schnittpunkt 60 des Kreises 41' mit der nicht konstruktiv gedrehten vertikalen Bezugsachse 13 und der Kurbelwellengelenkachse 7a unterhalb der Kurbelwellengelenkachse 7a und andererseits in einem Bereich zwischen 0 bis 6/10 des Abstandes 57 zwischen dem Schnittpunkt 60 und der Kurbelwellengelenkachse 7a oberhalb der Kurbelwellengelenkachse 7a liegen kann.
In einer (nicht abgebildeten) Ausführungsform der Erfindung ist das Kurbelgetriebe, konstruktiv und/oder operativ, derart ausgebildet, daß die Kurbelwellengelenkachse 7a gegenüber der vertikalen Bezugsachse 13 in der Weise versetzt ist, daß sich die Kurbelwellengelenkachse 7a nicht mehr auf der vertikalen Bezugsachse 13 befindet, beziehungsweise an der vertikalen Bezugsachse 13 entlang verläuft.
Zusammenfassend läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Gelenkpleuel der Bauraum für die Lager in der gelenkigen Verbindung von Kolbenpleuel 4, Schwenkhebel 6 und Kurbelwellenpleuel 5 dadurch vergrößern, daß der Schwenkhebel 6 drei gelenkige Verbindungen 8, 10, 11 aufweist, wobei der Zwischenwinkel 38 zwischen der Verbindungslinie 36 und der Verbindungslinie 37 konstruktiv an den Durchmesser der Lager 46, 47 in den gelenkigen Verbindungen 10, 11 angepaßt wird.
Zudem wird die Zylindermittelachse 14 konstruktiv um den konstruktiven Drehwinkel 38 in jene Richtung 39 gedreht, die – bei gleicher Ansicht – der Drehrichtung 40 der Kurbelwelle 3 entspricht. Dabei entspricht der konstruktive Drehwinkel 38 der konstruktiv gedrehten Kolbenmittellinie 14 dem Zwischenwinkel 38.
Durch diese konstruktive Maßnahme können z.B. handelsüblich Zylinderrollenlager, komplett mit Innenring und Außenring, verwendet werden. Diese weisen eine naturgemäß große radialer Ausdehnung auf, sind besonders belastbar, besonders reibungsarm und besonders gut für hin und herpendelnden Drehbewegungen mit kurzen Standzeiten zwischen den Drehrichtungswechseln geeignet.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Gelenkpleuelkonstruktion liegt darin, daß der Zwischenwinkel 38 und somit der Abstand der Zylinderrollenlager 46, 47 zueinander keinen Einfluß auf den gewünschten Kolbenweg über die 360 Kurbelwellendrehgrad und den gewünschten Drehmomentverlauf über die 360 Kurbelwellendrehgrad nimmt.
Dies ist wichtig, weil man somit die erfindungsgemäße Gelenkpleuelkonstruktion bei vorab gewählten Längenverhältnissen der Pleuelelemente und Koordinaten von der Kurbelwellengelenkachse 7a und der Schwenkhebengelenkachse 8a konstruktiv an die Lagerdurchmesser der gewählten Lager anpassen kann, ohne dabei den vorab erreichten Drehmomentverlauf und Kolbenweg über die 360 Kurbelwellendrehgrad zu verändern.

1: Zylinder
2: Kolben
3: Kurbelwelle
4: Kolbenpleuel
5: Kurbelwellenpleuel
6: Schwenkhebel
7: Kurbelwellengelenk
7a: Kurbelwellengelenkachse
8: Schwenkhebelgelenk
8a: Schwenkhebelgelenkachse
9: Kolbenpleuelgelenk
9a: Kolbenpleuelgelenkachse
10: gelenkige Verbindung (Kolbenpleuellager)
10a: Kolbenpleuellagerachse
11: gelenkige Verbindung (Kurbelwellenpleuellager)
11a: Kurbelwellenpleuellagerachse
12: (frei)
13: vertikale Bezugsachse
14: Kolbenmittellinie
15: Abstand
16: Bahn
17: Kurbelwellenpleuelgelenk
17a: Kurbelwellenpleuelgelenkachse
18: Radialer Abstand
19: (frei)
20: (frei)
21: (frei)
22: Bewegungsbahn
23: (frei)
24: radialer Abstand
25: (frei)
26: Bewegungsbahn
27: Abstand
28: (frei)
29: (frei)
30: vertikaler Abstand
31: Konstruktionslinie
31': gedrehte Konstruktionslinie
32: Kreis
32a: Radius
33: Kreis
33a: Radius
33b: Kreis
33c: Radius
34: Schnittpunkt
35: senkrechter Abstand
36: Verbindungslinie
37: Verbindungslinie
38: Zwischenwinkel
39: konstruktiver Drehsinn
40: Drehrichtung
41: Kreis
41a: Radius
41': Kreis
41a': Radius
42: Schnittpunkt
43: (frei)
44: (frei)
45: (frei)
46: Zylinderrollenlager
47: Zylinderrollenlager
48: Ölkanal
49: Ölkanal
50: (frei)
51: Länge des Kolbenpleuels
52: (frei)
53: Länge des Kurbelwellenpleuels
54: Kurbelwellenhub
55: (frei)
56: (frei)
57: Abstand
58: (frei)
59: Abstand
60: Schnittpunkt
61: Fußpunkt

Claims

Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe, mit mindestens einem Zylinder (1) und einem darin hin- und her bewegbaren Kolben (2), – wobei der Kolben (2) über ein Gelenkgestänge mit einer Kurbelwelle (3) verbunden ist, – wobei die Kurbelwelle (3) auf einer Kurbelwellengelenkachse (7a) schwenkbeweglich gelagert ist, – wobei das Gelenkgestänge ein an dem Kolben (2) angelenktes erstes Pleuel (4), ein an der Kurbelwelle (3) angelenktes zweites Pleuel (5) und einen Schwenkhebel (6) umfaßt, – wobei der Schwenkhebel (6) einerseits auf einer Schwenkhebelgelenkachse (8a) schwenkbeweglich gelagert ist und andererseits über voneinander beanstandete gelenkige Verbindungen (10, 11) mit dem ersten Pleuel (4) und dem zweiten Pleuel (5) verbunden ist, – wobei die Schwenkhebelgelenkachse (8a) von der Kolbenmittellinie (14) beabstandet ist, und – wobei die Kolbenmittellinie (14) nicht durch die Kurbelwellengelenkachse (7a) verläuft.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Zylindermittelachse (14) um die Schwenkhebelgelenkachse (8a) als konstruktiven Drehpunkt um einen Drehwinkel (38) konstruktiv in jene Richtung (39) gedreht ist, die – bei gleicher Ansicht – der Drehrichtung (40) der Kurbelwelle (3) entspricht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der konstruktive Drehwinkel (38) dem Zwischenwinkel entspricht zwischen einer ersten, die Schwenkhebelgelenkachse (8a) mit der ersten Pleuelschwenkachse (10a) verbindenden Linie (37) und einer zweiten, die Schwenkhebelgelenkachse (8a) mit der zweiten Pleuelschwenkachse (11a) verbindenden Linie (36).
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schwenkhebelgelenkachse (8a) zu der Kurbelwelle (3) ortsfest und vorzugsweise ortsveränderlich verstellbar ausgebildet ist.