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Die
Erfindung betrifft einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler
Verdichtung, wobei der Verbrennungsmotor eine um eine Achse drehbare Kurbelwelle,
ein in einem Pleuelzapfen der Kurbelwelle schwenkbar gelagertes
Pleuel und einen in einem Zylindergehäuse beweglichen,
mit dem Pleuel schwenkbar verbundenen Hubkolben aufweist, sowie
die Lagerachse des Pleuelzapfens zur Drehachse der Kurbelwelle geneigt
angeordnet und das Pleuel auf dem Pleuelzapfen in Längsrichtung
des Pleuelzapfens relativ zum Pleuelzapfen verschiebbar ist.
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In
aller Regel sind Hubkolben-Verbrennungsmotoren so ausgeführt,
dass die Lagerachse des Pleuels im Hubkolben, die Lagerachse des
Pleuels im Pleuellager und die Drehachse der Kurbelwelle parallel
zueinander angeordnet sind. Bei dieser geometrischen Anordnung ist
die Verdichtung des Verbrennungsmotors nicht variabel.
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Ein
Hubkolben-Verbrennungsmotor mit variabler Verdichtung, der gemäß den
eingangs genannten Merkmalen ausgebildet ist, ist aus der
US 4,240,386 bekannt. Bei
diesem wird zum Verändern der Verdichtung des Verbrennungsmotors
das Pleuel parallel zu dessen Längsachse mittels eines
Stellmittels verschoben. Die ausschließlich um die Drehachse
drehbare Kurbelwelle ist hierbei so gestaltet, dass die Lagerachse
des Pleuelzapfens zur Drehachse der Kurbelwelle geneigt angeordnet
ist. Auch der Lagerbolzen des Hubkolbens ist bezüglich
der Drehachse der Kurbelwelle geneigt angeordnet. Im konkreten Fall
der Endstellung des Hubkolbens beim Verdichten ist der Lagerbolzen
des Hubkolbens parallel zur Drehachse der Kurbelwelle positioniert.
Diese Gestaltung des Verbrennungsmotors zum Bewirken der variablen
Verdichtung bedingt einen sehr großen Bauaufwand. So ist
es einerseits erforderlich, Mittel zum Parallelverschieben des Pleuels
vorzusehen. Andererseits kann das Pleuel nicht unmittelbar im Lagerbolzen
des Hubkolbens gelagert werden, da dieser geneigt ist. Es ist vielmehr
erforderlich, ein separates Lagerteil für das Pleuel vorzusehen,
das einerseits um eine parallel zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnete
Achse schwenkbar ist und andererseits in Längserstreckung
des geneigten Lagerbolzens des Hubkolbens innerhalb des Hubkolbens verschieblich
ist.
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In
der
DE 24 17 202 A1 ist
eine Kleinbrennkraftmaschine mit variabler Verdichtung beschrieben. Bei
dieser ist die Achse des Zylinders unter einem stumpfen Winkel geneigt
zu einer in einem Kurbelgehäuse gelagerten Welle angeordnet.
An der Welle ist eine Stirnkurbel vorgesehen. Das Pleuel der Kleinbrennkraftmaschine
ist an der Stirnkurbel und am Kolben mittels Kugelgelenken befestigt.
Die Welle mit der Stirnkurbel lässt sich axial verschieben.
Durch Verschiebung der Welle kann bei laufendem Motor die Verdichtung
verändert werden. Zweck dieser Verdichtungsänderung
ist die Konstanthaltung des maximalen Verbrennungsdrucks im Zylinder;
bei geringer Verdichtung lässt sich eine niedrigere Leerlaufdrehzahl,
und bei hoher Verdichtung eine große Vollgasleistung erreichen.
Dies ist insbesondere bei Kleinstmotoren im Bereich ihrer über
10000 Umdrehungen pro Minute liegenden Maximaldrehzahlen von Bedeutung.
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In
der
DE 196 42 883
A1 ist eine Hubkolben-Maschine beschrieben, bei der die
Kurbelwelle aus mehreren Kurbelarmen besteht. Diese sind gelenkig
miteinander verbunden. Durch unterschiedliche Spreizung der Kurbelarme
lässt sich der Abstand des Angriffspunktes des Pleuels
an der Kurbelwelle zur Drehachse der Kurbelwelle und damit der Hub, infolgedessen
die Verdichtung des Motors verändern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, bei einfacher konstruktiver Gestaltung
und geringem baulichem Aufwand einen Verbrennungsmotor mit variabler
Verdichtung zu schaffen.
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Gelöst
wird die Aufgabe bei einem Hubkolben-Verbrennungsmotor der eingangs
genannten Art dadurch, dass die Kurbelwelle in Richtung deren Drehachse
verschieblich ist und das Pleuel in einem Lagerbolzen des Hubkolbens
schwenkbar gelagert ist, wobei die Bolzenachse des Lagerbolzens
parallel zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet ist.
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Der
erfindungsgemäße Hubkolben-Verbrennungsmotor zeichnet
sich somit dadurch aus, dass ausschließlich die Kurbelwelle
zum Variieren der Verdichtung bewegt wird, und zwar in Richtung
deren Drehachse. Die Drehachse der Kurbelwelle ist parallel zur
Bolzenachse des Lagerbolzens des Hubkolbens angeordnet. Nur die
Lagerachse des Pleuelzapfens ist geneigt zur Drehachse der Kurbelwelle angeordnet.
Zum Verändern der Verdichtung ist es nicht erforderlich,
das Pleuel parallel zu seiner Längserstreckung zu verschieben.
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Wird,
ausgehend von einer Neutralposition der Kurbelwelle, bezogen auf
die Längserstreckung deren Drehachse, die Kurbelwelle in
der einen Richtung der Drehachse verschoben, führt dies
dazu, dass sich ein geringerer Abstand der Bolzenachse des Lagerbolzens
des Hubkolbens zur Drehachse der Kurbelwelle und damit eine geringere
Verdichtung einstellt als bei einer Verschiebung der Kurbelwelle
in der anderen Richtung, bei der sich ein größerer
Abstand der Bolzenachse des Lagerbolzens zur Drehachse der Kurbelwelle
und damit eine höhere Verdichtung einstellt als bei der
Ausgangsposition der Kurbelwelle.
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Die
Neigung der Lagerachse des Pleuelzapfens zur Drehachse der Kurbelwelle
ist vorzugsweise so gewählt, dass eine Relativverschiebung
des Pleuelzapfens bzw. der Kurbelwelle bezüglich des Pleuels
um ein Maß X zu einer Veränderung des Hubes des
Kolbens um ein Maß von ungefähr 1/10 X führt. Bei
einem Wert von 10 mm Kurbelwellenverschiebung erreicht man somit
eine Hubvariation des Kolbens von ca. 2 mm.
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Aufgrund
der Anordnung des Pleuelzapfens führt das Pleuel im Bereich
seines mit den Pleuelzapfen verbundenen Pleuelauges eine Taumelbewegung
aus. Diese Taumelbewegung wird vorzugsweise durch ein doppelt wirkendes
Lager realisiert, mit einer sphärischen Lagerung zwischen
Pleuelauge und Pleuellager und einer zylindrischen Lagerung zwischen
Pleuellager und Pleuelzapfen. Um ein Verdrehen des sphärischen
Lagers zu verhindern, ist vorzugsweise eine Verdrehsicherung vorgesehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Hubkolben-Verbrennungsmotor
läuft das Pleuel aufgrund der axialen Verschiebung der
Kurbelwelle auf Kreisbahnen mit unterschiedlichen Durchmessern,
womit der Hub variiert werden kann. Ein Vorteil der Verdichtungsänderung
ist insbesondere die bessere Ausnutzung oder Wirkungsgradverbesserung,
zum Beispiel bei Turbomotoren. Im niedrigen Drehzahlbereich, wenn
der Turbolader nicht seinen vollen Ladedruck liefert, kann die Verdichtung
erhöht und die Nutzung des Treibstoffs verbessert werden.
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Ein
spezielles Merkmal der Erfindung ist die Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit
bei axialer Verschiebung auf eine größere Kreisbahn,
also bei der Erhöhung der Verdichtung. Dadurch wird der
Luftaufwand vergrößert und der thermodynamische
Wirkungsgrad erhöht. Dieses Merkmal unterscheidet die vorliegende
Erfindung von Anwendungen, die eine Verdichtungsvariation durch
Verschiebung des Zylindergehäuses oder durch eine spezielle
Getriebekinematik im Kurbeltrieb herbeiführen.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
der Beschreibung der Zeichnung und der Zeichnung selbst, ohne hierauf
beschränkt zu sein.
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In
der Zeichnung ist das Grundprinzip und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigt:
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1 ein
Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der Veränderung
der Verdichtung des Hubkolben-Verbrennungsmotors,
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2 eine
Schnittdarstellung der relevanten Bauteile des Hubkolben-Verbrennungsmotors,
veranschaulicht für den Zustand des nominalen Hubes,
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3 eine
Schnittdarstellung gemäß 2, veranschaulicht
für den Zustand des maximalen Hubes,
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4 eine
Darstellung gemäß der 2 und 3,
veranschaulicht für den Zustand des minimalen Hubes,
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5 eine
Explosionsansicht der Anordnung von Hubkolben, Lagerbolzen für
den Hubkolben, Pleuel und Pleuellager.
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1 veranschaulicht
die Kurbelwelle 1, die beidseitig des Pleuelzapfens 2 in
Lagern 3 drehbar gelagert ist. Die Drehachse der Kurbelwelle 1 ist
mit der Bezugsziffer 4, die Lagerachse des Pleuelzapfens 2 mit
der Bezugsziffer 5 bezeichnet. Die Kurbelwelle 1 ist
um deren Drehachse 4 drehbar; dies ist durch den Pfeil 6 veranschaulicht.
Zusätzlich ist die Kurbelwelle 1 in beiden Richtungen
ihrer Drehachse 4 verschieblich; dies ist durch den Doppelpfeil 7 angedeutet.
Durch Verschieben der Kurbelwelle 1, bezogen auf den Doppelpfeil 7,
nach rechts, ergibt sich der Zustand des großen Hubes,
beim Verschieben der Kurbelwelle 1 in entgegengesetzter
Richtung der Zustand des kleinen Hubes.
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Die 2 bis 4 veranschaulichen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel bei drei unterschiedlichen
Verdichtungen. Die nachfolgende Beschreibung nimmt zunächst
auf die Darstellung der 2 Bezug:
Gezeigt ist die
Kurbelwelle 1 mit ihrer Drehachse 4, der Pleuelzapfen 2 mit
dessen Lagerachse 5 sowie die Lager 3 für
die Kurbelwelle 1. Der Pleuelzapfen 2 nimmt ein
Pleuellager 8 für das Pleuel 9 auf. Dieses Pleuel 9 ist
mit einem unteren Pleuelauge 10, das das Pleuellager 8 aufnimmt,
sowie einem oberen Pleuelauge 11 versehen. Das obere Pleuelauge 11 nimmt
schwenkbar einen Lagerbolzen 12 auf, der im Hubkolben 13 gehalten
ist. Dieser ist im nicht dargestellten Zylindergehäuse
verschieblich gelagert und führt dort den Hub aus.
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Die
Bolzenachse 14 des Lagerbolzens 12 ist parallel
zur Drehachse 4 der Kurbelwelle 1 angeordnet.
Die Lagerachse 5 des Pleuelzapfens 2 hingegen ist
zur Drehachse 4 der Kurbelwelle 1 geneigt angeordnet.
Somit ist auch die äußere Umfangsfläche
des Pleuelzapfens 2 entsprechend der Neigung der Lagerachse 5 geneigt
angeordnet.
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Die
Lagerung des unteren Pleuelauges 10 im Pleuelzapfen 2 ist
zusätzlich in der 5 näher
veranschaulicht: Das untere Pleuelauge 11 nimmt das Pleuellager 8 auf.
Dieses Pleuellager 8 durchsetzt die Öffnung des
Pleuelauges 10. Das Pleuellager 8 ist doppelt
wirksam. Es weist eine sphärische Lagerung zwischen Pleuelauge 10 und
Pleuellager 8 und eine zylindrische Lagerung zwischen Pleuellager 8 und Pleuelzapfen 2 auf.
Die sphärische Außenfläche des Pleuellagers 8 ist
mit der Bezugsziffer 15, die zylindrische Innenfläche
des Pleuellagers 8 mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet.
Um ein Verdrehen des sphärischen Lagers zu verhindern,
ist zusätzlich eine Verdrehsicherung vorgesehen. Diese
ist durch einen über die sphärische Außenfläche 15 stehenden
Steg 17 und eine komplementäre Nut 19 in
der sphärischen Lagerfläche 20 des Pleuelauges 10 gebildet,
in die der Steg 17 eingreift. Die Verdrehsicherung erstreckt
sich zwischen zwei stirnseitigen Wülsten 18 des
Pleuellagers 8, die auf abgewandten Seiten des unteren
Pleuelauges 10 befindliche Stirnflächen dieses
unteren Pleuelauges 10 hintergreifen, womit das Pleuellager 8 mit
dem Pleuel 9 verbunden ist.
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Aufgrund
der beschriebenen geneigten Anordnung der Längsachse 5 des
Pleuelzapfens 2 relativ zur Drehachse 4 der Kurbelwelle 1 vollführt
das untere Pleuelauge 10 eine Taumelbewegung; entsprechend
ist die sphärische Lagerung im Bereich des unteren Pleuelauges 10 vorgesehen.
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Ausgehend
von dem nominalen Hub, wie er in 2 veranschaulicht
ist, lässt sich der Hub vergrößern, im
Sinne einer höheren Verdichtung des Hubkolben-Verbrennungsmotors,
wenn die Kurbelwelle 1 in Richtung des Pfeiles 7 gemäß 3 verschoben
wird, womit sich der Abstand des unteren Pleuelauges 10 zur
Drehachse 4 der Kurbelwelle 1 vergrößert.
Wird hingegen, von der Ausgangsstellung nach 2, die Kurbelwelle 1 in
entgegengesetzter Richtung gemäß dem Pfeil in 4 verschoben,
ergibt sich die Situation des minimalen Hubes, somit verringerten
Abstandes des unteren Pleuelauges 10 von der Drehachse 4 der
Kurbelwelle 1, somit der Zustand geringerer Verdichtung.
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Um
diesen Verschiebeweg der Kurbelwelle 1 vollführen
zu können, ist ein ausreichender Abstand zwischen dem Pleuelzapfen 2 und
den beidseitig des Pleuelzapfens 2 angeordneten Lagern 3 erforderlich. Ferner
ist eine ausreichende Länge des Pleuelzapfens 2 erforderlich,
damit bei unveränderlicher Position des oberen Pleuelauges 11 bezüglich
der Längserstreckung des Lagerbolzens 12 das untere
Pleuelauge 10 in Längserstreckung des Pleuelzapfens 2 verschoben
werden kann.
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Im
konkreten Fall wird die Neigung der Lagerachse 5 des Pleuelzapfens 2 zur
Drehachse 4 der Kurbelwelle 1 so gewählt,
dass eine Relativverschiebung der Kurbelwelle 1, somit
auch des Pleuelzapfens 2 bezüglich des Pleuels 9 um
ein Maß X zu einer Veränderung des Hubes des Hubkolbens 13 um
ein Maß von ungefähr 2/10 X führt.
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Diese
Abmessungen sind in den 2 bis 4 nicht
maßstäblich dargestellt, und es ist auch nicht
die Hubverschiebung des Hubkolbens 13 dargestellt.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Pleuelzapfen
- 3
- Lager
- 4
- Drehachse
Kurbelwelle
- 5
- Lagerachse
Pleuelzapfen
- 6
- Pfeil
- 7
- Doppelpfeil
- 8
- Pleuellager
- 9
- Pleuel
- 10
- unteres
Pleuelauge
- 11
- oberes
Pleuelauge
- 12
- Lagerbolzen
- 13
- Hubkolben
- 14
- Bolzenachse
- 15
- sphärische
Außenfläche
- 16
- zylindrische
Innenfläche
- 17
- Steg
- 18
- Wulst
- 19
- Nut
- 20
- sphärische
Lagerfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4240386 [0003]
- - DE 2417202 A1 [0004]
- - DE 19642883 A1 [0005]