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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes
mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 näher
definierten Art.
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Aus
der Praxis bekannte Kolbenmaschinen werden in Arbeitsmaschinen und
Kraftmaschinen sowie in hydraulische Kolbenmaschinen und thermische
Kolbenmaschinen unterteilt, wobei bei hydraulischen Kolbenmaschinen
inkompressible Medien und bei thermischen Kolbenmaschinen kompressible
Medien eingesetzt werden. Dabei stellt beispielsweise eine Kolbenpumpe
eine Arbeitsmaschine bzw. eine hydraulische Kolbenmaschine dar.
Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren stellen Kraftmaschinen dar,
welche auch als thermische Kolbenmaschinen bezeichnet werden. Hydraulikmotoren
werden als Kraftmaschinen bzw. als hydraulische Kolbenmaschinen
angesehen, wohingegen Kolbenverdichter als Arbeitsmaschinen bzw.
als thermische Kolbenmaschinen bezeichnet werden.
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Unabhängig davon
werden in Abhängigkeit des
Angriffspunktes der Antriebskraft bei allen Kolbenmaschinen lineare
Bewegungen von Kolbenelementen in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle
um eine Drehachse oder die Drehbewegung der Kurbelwelle in die lineare
Bewegung von Kolbenelementen umgewandelt.
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Hierfür ist jeweils
zwischen einem Kolbenelement und der Kurbelwelle eine Vorrichtung
zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer
Kolbenmaschine vorgesehen, die ein sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen
erstreckendes Verbindungselement bzw. eine Pleuelstange eines Pleuels
umfasst. Die Pleuelstange ist über eine
erste Befestigungseinrichtung im Bereich eines ersten Pleuelauges
auf einer einem Kolbenraum der Kolbenmaschine abgewandten Seite
des Kolbenelementes mit dem Kolbenelement und über die zweite Befestigungseinrichtung
im Bereich eines zweiten Pleuelauges mit der Kurbelwelle verbunden.
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Üblicherweise
sind Pleuel herkömmlicher Kolbenmaschinen
gradlinig ausgebildet, so dass ein Mittelpunkt der das Pleuel und
das Kolbenelement verbindenden ersten Befestigungseinrichtung und ein
Mittelpunkt der das Pleuel und die Kurbelwelle verbindenden zweiten
Befestigungseinrichtung im oberen Totpunkt des Kolbenelementes auf
einer Verbindungslinie liegen, welche wiederum deckungsgleich zu
einer Mittenverbindungslinie des Pleuels bzw. des Kolbenelementes
ist. Derartige Ausführungen
werden nachfolgend als Standardpleuel bezeichnet.
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Bei
als Brennkraftmaschinen ausgebildeten Kolbenmaschinen wird der bei
einer Explosion im Brennraum entstehende Druck über das den Brennraum bzw.
Kolbenraum begrenzende Kolbenelement auf die rotierende Kurbelwelle übertragen.
Dabei wird das im Brennraum zu verbrennende Gemisch mit hohem Wirkungsgrad
verbrannt, wenn das Durchzünden
der Explosion zum Zeitpunkt der höchsten Verdichtung, d. h. im
oberen Totpunkt des Kolbenelementes, erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt
ist jedoch das an der Kurbelwelle und in Rotationsrichtung der Kurbelwelle
wirkende Drehmoment gleich null, da der im Bereich der Kurbelwelle
wirksame Hebelarm aufgrund der vorbeschriebenen Anordnung des Mittelpunktes
der ersten Befestigungseinrichtung, des Mittelpunktes der zweiten
Befestigungseinrichtung und der Mittellinie des Pleuels bzw. des
Kolbenelementes gleich Null ist. Der durch die Explosion im Brennraum erzeugte
Druck wirkt im oberen Totpunkt des Kolbenelementes zunächst nur
als statische Kraft auf das Pleuel, die Kurbelwelle und die Lager
der Kurbelwelle, womit ein wesentlicher Anteil der Antriebsenergie einer
Brennkraftmaschine im oberen Totpunkt des Kolbenelementes nicht
für den
Antrieb nutzbar ist.
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Aus
diesem Grund werden ein Einspritzzeitpunkt des in den Brennraum
zu führenden
Brennstoffes sowie dessen Zündzeitpunkt
derart eingestellt, dass der maximale Brennraumdruck erst soweit
nach der oberen Totpunktstellung des Kolbenelementes entsteht, zu
der ein nennenswerter Hebelarm im Bereich der Kurbelwelle vorliegt.
Diese Vorgehensweise wirkt sich unerwünschterweise jedoch nachteilig
auf die Leistung, das Antriebsmoment und den Brennstoffverbrauch
einer Brennkraftmaschine sowie auf die Menge der von einer Brennkraftmaschine
erzeugten Schadgase aus.
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Um
die während
eines Betriebes von mit Standardpleueln ausgeführten Brennkraftmaschinen auftretenden
Beeinträchtigungen
verringern zu können,
sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ausgestaltungen von
Vorrichtungen für
Kolbenmaschinen zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle
bekannt.
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So
ist beispielsweise aus der
EP
1 164 272 A1 eine Brennkraftmaschine bekannt, welche einen Zylinder
mit einem Einlass- und einem Auslassventil sowie ein Einspritzventil
und eine Zündkerze
aufweist. Zusätzlich
ist ein Kolbenelement vorgesehen, welches im Zylinder linear hin- und her bewegbar
angeordnet ist. Zwischen dem Kolbenelement und einer Kurbelwelle
ist ein Verbindungselement vorgesehen, welches im Bereich seines
oberen Endes mit dem Kolben und im Bereich eines unteren Endes mit
der Kurbelwelle verbunden ist. Das Verbindungselement ist J-förmig ausgebildet,
so dass im oberen Totpunkt des Kolbenelementes bei Vorliegen eines
Brennraumdruckes im Bereich der Kurbelwelle ein Drehmoment in Rotationsrichtung
der Kurbelwelle vorliegt und eine durch eine Zündung eines Brennstoffgemisches
entstehende Antriebskraft besser als bei mit einem Standardpleuel
ausgeführten
Brennkraftmaschinen nutzbar ist.
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Nachteilig
dabei ist es jedoch, dass aufgrund der im Bereich des unteren Pleuelauges
zu der der Mittellinie des Kolbenelementes beabstandeten Anbindung
des Pleuels an der Kurbelwelle während
der Rotation der Kurbelwelle das Pleuel im Bereich des Kurbelwellenzapfens
einen großen
Bauraumbedarf verursacht, so dass das Pleuel bei herkömmlich ausgeführten Zylindern
nicht einsetzbar ist. Der erhöhte Bauraumbedarf
des Pleuels resultiert aus dem ausladenden, J-förmigen Bereich, der während der
Rotation der Kurbelwelle mit der Zylinderinnenwand kollidiert, wenn
der Zylinder nicht einen entsprechenden Durchmesser aufweist. Damit
ist ein sogenanntes J-Pleuel ohne konstruktive Änderungen einer Kolbenmaschine,
die in diesem Bereich einer Kolbenmaschine nur mit hohem konstruktivem
Aufwand umsetz bar sind, nicht in herkömmlichen Kolbenmaschinen einsetzbar.
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Aus
der
EP 1 424 483 A1 ,
der
EP 1 424 484 A1 und
der
EP 1 424 485 A1 sind
jeweils Vorrichtungen zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle
bekannt, bei welchen das das Kolbenelement und die Kurbelwelle miteinander
in Wirkverbindung bringbare Verbindungselement bzw. das Pleuel einen
gegenüber
einer Rotationsachse des Kolbenelementes unter einem sogenannten
Verschränkungswinkel
verlaufenden Pleuelschaft aufweist. Das bedeutet, dass bei dem nachfolgend
als Winkelpleuel bezeichneten Verbindungselement der Pleuelschaft
in einem bestimmten Winkel bzw. einem definierten Verschränkungswinkel
zur Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten des Pleuelkopfes und
des Pleuelfußes
verläuft.
Zusätzlich
ist der Pleuelschaft seitlich versetzt am Pleuelkopf und/oder Pleuelfuß angelenkt.
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Mit
dieser geometrischen Ausführungsform eines
Pleuels wird beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine erreicht,
dass die durch das Zünden im
Brennraum entstehende Antriebskraft wie bei der Verwendung eines
Standardpleuels ebenfalls in Verlaufsrichtung des Pleuelschaftes
auf einen Hubzapfen der Kurbelwelle wirkt.
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Zusätzlich soll
durch die verschränkte
Anordnung des Pleuelschaftes bereits im oberen Totpunkt des Kolbenelementes
eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle gerichtete Kraftkomponente
erzeugt werden, um die während
eines Betriebes einer mit einem Standardpleuel ausgebildeten Brennkraftmaschine
auftretenden Nachteile zu verringern.
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Im
Bereich von Winkelpleueln wirken im Betrieb einer Brennkraftmaschine
oder generell einer Kolbenmaschine starke Biegekräfte, weshalb
ein Winkelpleuel im Bereich des Pleuelschaftes entsprechend groß zu dimensionieren
ist, um die erhöhte Bruchgefahr
zu reduzieren.
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Die
zur Aufnahme der Belastungen erforderlichen baulichen Abmessungen
führen
insbesondere im Bereich des Pleuelfußes zu einem entsprechenden
Bauraumbedarf, so dass die Zylinderlaufbüchsen von üblicherweise mit Standardpleueln
ausgeführten
Kolbenmaschinen geändert
werden müssen, um
den entsprechenden Bauraum im Bereich der rotierenden Kurbelwelle
zur Verfügung
stellen zu können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine,
insbesondere einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mittels der
die während
des Betriebs von mit Standardpleuel, J-Pleuel oder Winkelpleuel
ausgeführten
Kolbenmaschinen auftretenden Nachteile verringerbar sind.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer. Kurbelwelle einer
Kolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, umfasst eine
sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen erstreckende Verbindungseinrichtung.
Die Verbindungseinrichtung ist über
die erste Befestigungseinrichtung auf einer einem Kolben raum der
Kolbenmaschine abgewandten Seite des Kolbenelementes mit dem Kolbenelement
und über
die zweite Befestigungseinrichtung drehbar mit der Kurbelwelle verbindbar.
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Erfindungsgemäß weist
die Verbindungseinrichtung zwischen den Befestigungseinrichtungen
einen derartigen Querschnittsverlauf auf, dass ein Abstand in Rotationsrichtung
der Kurbelwelle zwischen einer eine Symmetrielinie darstellenden
Haupterstreckungslinie der Projektionsfläche eines zwischen den Befestigungseinrichtungen
vorgesehenen Verbindungselementes der Verbindungseinrichtung in
der Rotationsebene der Kurbelwelle und einer Mittenverbindungslinie
zwischen den Befestigungseinrichtungen zumindest in einem der Kurbelwelle
zugewandten Bereich des Verbindungselementes kleiner ist als ein
Abstand zwischen der Mittenverbindungslinie und einer die Flächenschwerpunkte
der Querschnitte des Verbindungselementes verbindenden Schwerpunktlinie.
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Die
erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung
zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer
Kolbenmaschine bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit,
zumindest im oberen Totpunkt des Kolbenelementes wenigstens einen
Teil einer am Kolbenelement angreifenden Druckkraft im Bereich der
Kurbelwelle als eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente
umzuwandeln und bereits im oberen Totpunkt des Kolbenelementes im
Bereich der Kurbelwelle ein positives Drehmoment in Rotationsrichtung
der Kurbelwelle zu erzeugen. Dies bietet beispielsweise bei einer
als Brennkraftmaschine ausgebildeten Kolbenmaschine die Möglichkeit,
den Zündzeitpunkt
bzw. Einspritzzeitpunkt im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Brennkraftmaschinen
zeitlich vorzuverlegen.
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Diese
Vorgehensweise führt
zu einer Umleitung der durch den Druck im Kolbenraum an dem Kolbenelement
angreifenden Kraft, d. h. bei einer Brennkraftmaschine durch den
durch die Explosion im Brennraum in das Verbindungselement eingeleiteten
Impuls, bereits im oberen Totpunkt des Kolbenelementes in Rotationsrichtung
der Kurbelwelle.
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Damit
wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass zum Zeitpunkt der
Explosion noch eine höhere
Verdichtung im Kolbenraum bzw. im Brennraum vorliegt als bei einer
mit einem Standardpleuel, mit einem Winkelpleuel oder mit einem
J-Pleuel ausgeführten
Brennkraftmaschine. Das bedeutet, dass bei gleich bleibender Leistung
einer Brennkraftmaschine das konstruktive Verdichtungsverhältnis reduzierbar
ist, was sich positiv auf die Bildung von NOx-Abgasen
auswirkt. Des Weiteren verringert sich durch das niedrigere konstruktive
Verdichtungsverhältnis
der Arbeitsaufwand im Kompressionstakt, wodurch wiederum eine Wirkungsgradverbesserung
einer Brennkraftmaschine erzielbar ist.
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Ein
weiterer Vorteil, der sich aus dem im Vergleich zu herkömmlichen
Brennkraftmaschinen niedrigeren Verdichtungsverhältnis ergibt, ist ein geringerer
Zünddruck,
bei welchem die gesamte Verbrennung im Brennraum weicher und gleichmäßiger verläuft und
ein verbesserter Ausbrand erzielt wird.
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Die
asymmetrische Verteilung der Masse im Bereich des Verbindungselementes
der Verbindungseinrichtung und die daraus resultierende Krafteinleitung
im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung in die Kurbelwelle
führen
im Ver gleich zu einem Winkelpleuel zu einem reduzierten Bauraumbedarf,
womit die äußeren Begrenzungslinien
der Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle
einer Kolbenmaschine eine einem Standardpleuel ähnliche Affinität zur Kollision
mit weiteren Bauteilen der Kolbenmaschine, wie eines Motorblocks,
einer Laufbüchse,
einer Nockenwelle und dergleichen, aufweist. Das bedeutet wiederum, dass
aus der Praxis bekannte Standardpleuel durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
ersetzbar sind, ohne dass an herkömmlich ausgeführten Kolbenmaschinen
konstruktive Änderungen
vorgenommen werden.
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Die
vorbeschriebenen Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung sind
bei Kolbenmaschinen auch dann erreichbar, wenn bereits andere Maßnahmen
zur Verbesserung des Wirkungsgrades im Bereich einer Motorsteuerung,
einer Verdichtung, einer Brennraumform, einer Brennstoffaufbereitung,
einer Brennstoffzufuhr und dergleichen vorgesehen sind. Die letztbeschriebenen
Maßnahmen
zur Erhöhung eines
Wirkungsgrades einer Kolbenmaschine tragen in Verbindung mit der
Vorrichtung nach der Erfindung zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades
einer Kolbenmaschine bei, da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die dynamisch-geometrische Krafteinleitung in einen Kurbelwellenzapfen
der Kurbelwelle optimiert wird.
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Versuchsreihen
haben ergeben, dass mit der Vorrichtung nach der Erfindung ausgeführte Kolbenmaschinen
nicht nur mit einem verbesserten Wirkungsgrad, d. h. mit einem geringerem
Verbrauch und einem geringerem CO2-Ausstoß bezogen
auf die erzeugte Arbeit, betreibbar sind, sondern dass auch ein
deutlich geringerer Ausstoß an
unverbrannten Kohlenwas serstoffen und Kohlenmonoxid aufgrund eines
besseren Ausbrandes vorliegt.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die Schwerpunktlinie in einem der ersten Befestigungseinrichtung
zugewandten Bereich der Verbindungseinrichtung in Bezug auf die
Rotationsrichtung der Kurbelwelle vor der Haupterstreckungslinie
angeordnet und schneidet die Haupterstreckungslinie in einem der
zweiten Befestigungseinrichtung zugewandten Bereich des Verbindungselementes
in Rotationsrichtung der Kurbelwelle verlaufend, womit im Bereich
der ersten Befestigungseinrichtung zwischen der Verbindungseinrichtung
und dem Kolbenelement die am Kolbenelement angreifende Kraft möglichst
direkt und zentral in den massiven und tragenden Teil der Verbindungseinrichtung
bzw. das Verbindungselement einleitbar ist. Nach dem Schnittpunkt
zwischen der Haupterstreckungslinie und der Schwerpunktlinie verläuft die Schwerpunktlinie
in Bezug auf die Rotationsrichtung hinter der Haupterstreckungslinie.
Die Materialverteilung wird dabei derart ausgewählt, dass der Schwerpunkt des
Querschnittes der Verbindungseinrichtung im Bereich der zweiten
Befestigungseinrichtung in Rotationsrichtung der Kurbelwelle möglichst
weit von der Mittenverbindungslinie der beiden Befestigungseinrichtungen
beabstandet ist.
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Der
Abstand steigt zwischen der Schwerpunktlinie und der Haupterstreckungslinie
ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung in Richtung der
zweiten Befestigungseinrichtung zumindest bereichsweise in Richtung
eines Maximums an, um die in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente
in gewünschtem
Umfang zur Verfügung
zu stellen, wobei das Maximum des Abstandes zur Erzielung der Kraftkomponente
möglichst
dicht am Hubzapfen der Kurbelwelle, mit dem die zweite Befestigungseinrichtung
verbunden ist, vorliegen soll.
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Um
den Abstand zwischen der Haupterstreckungslinie und der Schwerpunktlinie
zumindest in dem der zweiten Befestigungseinrichtung bzw. in dem
der Kurbelwelle zugewandten Bereich des Verbindungselementes weiter
zu vergrößern, ist
die Verbindungseinrichtung im Bereich des Verbindungselementes mit
mindestens einer wenigstens annähernd mit
der Orientierung der Haupterstreckungslinie verlaufenden Hohlbohrung
ausbildbar, wobei die Hohlbohrung entlang der Haupterstreckungslinie
oder in Rotationsrichtung der Kurbelwelle vor der Haupterstreckungslinie
angeordnet sein kann.
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Die
Querschnitte des Verbindungselementes sind jeweils in im oberen
Totpunkt des Kolbenelementes senkrecht zu einer Bewegungsrichtung
des Kolbenelementes senkrecht stehenden Querschnittsebenen zweiachsig
asymmetrisch ausführbar,
um einen Platzbedarf von Kurbelwellengegengewichten berücksichtigen
zu können.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung
nach der Erfindung ist die Verbindungseinrichtung mit wenigstens
einer im Wesentlichen sich zwischen den Befestigungseinrichtungen
erstreckenden Nut ausgebildet, welche ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung
in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung in Bezug auf die
Rotationsrichtung der Kurbelwelle vor der Schwerpunktlinie verlaufend
ausgebildet ist und die Schwerpunktlinie in einem der zweiten Befestigungseinrichtung
zugewandten Bereich in Rotationsrichtung der Kurbelwelle unter einem
vorzugsweise spitzen Winkel schneidet. Damit wird auf einfache Art und
Weise der Kraftfluss zwischen den beiden Befestigungseinrichtungen
ausgehend von dem Kolbenelement in Richtung der Kurbelwelle derart
definiert umgeleitet, dass zumindest im oberen Totpunkt des Kolbenelementes
wenigstens ein Teil der am Kolbenelement angreifenden Druckkraft
im Bereich der Kurbelwelle als eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende
Kraftkomponente umgewandelt wird.
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Für eine Optimierung
des Nutverlaufes ist bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei welcher die zweite Befestigungseinrichtung mit einem geteilten
unteren Pleuelauge ausgeführt ist,
das Pleuelauge über
eine in Bezug auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle vordere
Verschraubung und eine hintere Verschraubung verbunden und die vordere
Verschraubung gegenüber
der hinteren Verschraubung verschwenkt.
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Der
Abstand zwischen der Haupterstreckungslinie und der Schwerpunktlinie
ist zumindest in dem der zweiten Befestigungseinrichtung zugewandten
Bereich weiter vergrößert, wenn
die Verbindungseinrichtung zumindest in der Kurbelwelle zugewandten
Bereichen mit Bohrungen ausgebildet ist, die wenigstens annähernd senkrecht
zur Rotationsebene der Kurbelwelle angeordnet sind. Die Bohrungen
behindern vorteilhafterweise das Abfließen der über die Verbindungseinrichtung
geführten
Kraft in einen in Bezug auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle
hinteren Bereich des Verbindungselementes.
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Um
die über
die Vorrichtung nach der Erfindung zu führende Kraft zwischen dem Kolbenelement
und der Kurbelwelle in vordefiniertem Umfang zu führen und
im Bereich der Kurbelwelle zumindest im oberen Totpunkt des Kolbenelementes
die in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente
zur Verfügung
zu stellen, sind die Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung aus
einem druckfesten, biegesteifen Verbundmaterial ausbildbar, wobei
die Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung vorzugsweise
aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere mit Fasern aus Metall,
Carbon, Kunststoff und dergleichen, herstellbar sind.
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Die
Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung weisen
eine organische Form auf, bei der die tragende Struktur in Bezug
auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle in den vorderen Bereich
der Verbindungseinrichtung verlagert ist. Damit wird die zumindest
teilweise Umwandlung der am Kolbenelement angreifenden Druckkraft
in die in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente
weiter unterstützt
und unzulässige
Spannungsspitzen vermieden.
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Um
eine Verweilzeit des Kolbenelementes im Bereich seines oberen Totpunktes
variieren zu können,
ist das Kolbenelement und/oder die Kurbelwelle im Bereich der ersten
Befestigungseinrichtung bzw. im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung bei
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der
Erfindung exzentrisch mit dem Verbindungselement verbindbar, wobei
die Verweilzeit in Abhängigkeit
der Exzentrizität
bzw. der Exzentrizitäten
variiert.
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Sind
der Kolben im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung und die
Kurbelwelle im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung exzentrisch
mit dem Verbindungselement verbunden, sind die Exzentrizitäten derart
aufeinander abgestimmt, dass eine Verweilzeit des Kolbens im Bereich
seines oberen Totpunktes zuerst von der einen Exzentrizität und dann
von der anderen Exzentrizität
beeinflusst wird.
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Um
die Verweilzeit des Kolbenelementes im oberen Totpunktbereich beeinflussen
zu können,
ist eine Kurbelwellenhauptlagerung der Kurbelwelle bei einer Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
exzentrisch zur Mittelachse des Kolbenelementes angeordnet.
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Zusätzlich wird
voll umfänglich
auf die Druckschriften
EP
1 462 631 A1 ,
EP
1 462 639 A1 ,
EP
1 462 640 A2 ,
EP
1 462 667 B1 ,
EP
1 462 668 B1 und
EP
1 729 020 A1 Bezug genommen. Die in den vorgenannten Druckschriften
beschriebenen Gegenstände
sind mit den vorstehend aufgeführten
Merkmalen der Patentansprüche
in beliebiger Art und Weise kombinierbar und bilden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Vorrichtung nach der Erfindung, welche für den Anmelder beansprucht
werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den unter Bezugnahme
auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispielen,
wobei zu Gunsten der Übersichtlichkeit
in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
für bau- und funktionsgleiche
Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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Es
zeigt:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung einer mit der Vorrichtung ausgeführten Kolbenmaschine;
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer Kolbenmaschine, welche mit der Vorrichtung nach der Erfindung
ausgebildet ist;
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3 eine
detailliertere und vergrößerte Einzeldarstellung
einer ersten Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung;
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4 eine
Querschnittansicht der Vorrichtung entlang einer in 3 näher bezeichneten Schnittlinie
IV-IV;
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5 eine 3 entsprechende
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung;
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6 eine
weitere Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung;
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7 eine 3 entsprechende
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung, welche im Bereich der Verbindungseinrichtung
mit einer Hohlbohrung ausgebildet ist;
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8 eine
Querschnittansicht der Vorrichtung entlang einer in 8 näher dargestellten Schnittlinie
VIII-VIII;
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9a eine 3 entsprechende
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung, die mit einem zweiachsig asymmetrischen
Pleuelschaftquerschnitt ausgebildet ist;
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9b die
Vorrichtung gemäß 9a in
einer Seitenansicht B;
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9c die
Vorrichtung gemäß 9a in
einer Seitenansicht C;
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10 die
Vorrichtung gemäß 9a in
einer Querschnittansicht entlang einer in 9a näher dargestellten
Schnittlinie X-X;
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11 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung nach der Erfindung, welche mit zwischen Befestigungseinrichtungen
verlaufenden Nuten ausgebildet ist;
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12 eine
Querschnittansicht der Vorrichtung gemäß 11 entlang
einer Schnittlinie XII-XII;
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13 eine 3 entsprechende
Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles
der Vorrichtung nach der Erfindung; und
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14 eine
weitere Ausführungsform
der Vorrichtung nach der Erfindung.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
einer als Brennkraftmaschine ausgeführten Kolbenmaschine 1 darge stellt,
die mit einem mit variierbarem Volumen ausgeführten Raum 2 bzw.
Brennraum ausgebildet ist, der von einem Kolbenelement 3 und
einem Zylinder 4 begrenzt ist. Das Kolbenelement 3 ist
in an sich bekannter Art und Weise in einem das Volumen des Brennraumes 2 verändernden
Umfang in axialer Richtung längsbeweglich
im Zylinder 4 bewegbar ausgebildet. Im Betrieb der Kolbenmaschine 1 greift an
dem Kolbenelement 3 nach dem Zünden des im Brennraum angeordneten
Brennstoffgemisches eine das Kolbenelement 3 in Richtung
seines unteren Totpunktes führende
Kolbenkraft Fk an einer Wirkfläche 5 an.
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Das
Kolbenelement 3 ist vorliegend über eine Vorrichtung 6 mit
einer in der Zeichnung lediglich schematisiert dargestellten Kurbelwelle
verbunden und zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt
periodisch verschiebbar. Die Kurbelwelle 7 ist über eine
Kurbelwellenhauptlagerung 8 drehbar in einem nicht näher dargestellten
Motorblock gelagert.
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Die
Kurbelwelle 7 befindet sich in ihrem oberen Totpunkt, wenn
ein Kurbelwellenhubzapfen 13 senkrecht oberhalb der Kurbelwellenhauptlagerung 8 und
zwischen der Kurbelwellenhauptlagerung 8 und dem Kolbenelement 3 angeordnet
ist. Das Kolbenelement 3 befindet sich in seinem oberen
Totpunkt, wenn das Volumen des Raumes 2 sein Minimum aufweist.
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Die
Vorrichtung 6 umfasst eine sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen 9, 10 erstreckende Verbindungseinrichtung 11,
die über
die erste Befestigungseinrichtung 9 auf einer dem Kolbenraum 2 der Kolbenmaschine 1 abgewandten
Seite des Kolbenelementes 3 mit dem Kolbenelement 3 und über die zweite
Befestigungseinrichtung 10 mit der Kurbelwelle 7 drehbar
verbunden ist.
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Die
erste Befestigungseinrichtung 9 des Pleuels 6 ist
mit einem sogenannten Pleuelkopf 14 und einem Pleuelauge 15 ausgebildet,
das über
einen Kolbenbolzen 16 mit dem Kolbenelement 3 drehbar
verbunden ist. Die zweite Befestigungseinrichtung 10 weist
einen Pleuelfuß 17 mit
einem Pleuelauge 18 auf, das den Kurbelwellenhubzapfen 13 der Kurbelwelle 7 umschließt. Zwischen
dem Pleuelkopf 14 und dem Pleuelfuß 17 erstreckt sich
das Verbindungselement 12.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Kolbenmaschine 1 gezeigt, welche sich im Wesentlichen von
der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Kolbenmaschine 1 im
Bereich der ersten Befestigungseinrichtung 9, der zweiten
Befestigungseinrichtung 10 und der Kurbelwellenhauptlagerung 8 unterscheidet.
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Bei
der Kolbenmaschine 1 gemäß 2 ist die
drehbare Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung 11 und
dem Kolbenelement 3, die drehbare Verbindung im Bereich
der zweiten Befestigungseinrichtung zwischen der Verbindungseinrichtung 11 und
der Kurbelwelle 7 und die Kurbelwellenhauptlagerung 8 jeweils
exzentrisch ausgebildet, um das Kolbenelement 3 über einen
möglichst
langen Zeitraum in der oberen Totpunktlage nahen Stellungen des
Kolbenelementes 3 halten zu können. Dabei sind die Exzenter
im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung 9, der zweiten
Befestigungseinrichtung 10 und im Bereich der Kurbelwellenhauptlagerung 8 aufeinander
abgestimmt, um diese Vorgabe im bestmöglichen Umfang realisieren
zu können.
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Die
im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 vorgesehene
Exzentrizität
wird durch einen mit dem Kurbelwellenhubzapfen 13 fest
verbundenen Exzenter realisiert, wobei die größte Exzentrizität sich vom
Kurbelwellenmittelpunkt radial ganz außen und gegen die Rotationsrichtung
R der Kurbelwelle 7 verdreht am Kurbelwellenhubzapfen 13 befindet.
Durch diese Ausgestaltung der exzentrischen Verbindung zwischen
dem Pleuel 6 und der Kurbelwelle 7 erreicht das
Kolbenelement 3 erst nach der Kurbelwelle 7 seinen
oberen Totpunkt.
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Die
exzentrische Befestigung des Pleuelkopfes 14 am Kolbenelement 3 ist
derart ausgebildet, dass der Mittelpunkt des Pleuelauges 15 bezogen auf
die Symmetrielinie des Kolbenelementes 3 in Rotationsrichtung
R der Kurbelwelle 7 verschoben ist. Konstruktiv ist dies
mit einem Kolbenbolzen 16 realisierbar, bei dem sich im
Bereich des Pleuelauges 15 ein Exzenter befindet. Der Kolbenbolzen 16 und
der Exzenter sind im Pleuelauge 15 gegen Verdrehen gesichert.
Als Folge entsteht beim Verschwenken des Pleuels 6 eine
Relativbewegung zwischen Pleuelauge 15 und dem Kolbenelement 3 mit
dem Ergebnis, dass das Kolbenelement 3 seinen oberen Totpunkt nach
der Kurbelwelle 7 erreicht.
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Der
Effekt wird dadurch weiter vergrößert, dass
die Bohrung im Kolbenelement 3 zur Aufnahme des Kolbenbolzens 16 in
Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 desachsiert, d. h.
seitlich aus der zentralen Position verschoben ist, und sich die
Mittellinie des Kolbenbolzens 16 und die Mittellinie des
Kolbenelementes 3 nicht mehr schneiden.
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3 bis 14 zeigen
verschiedene Ausführungsformen
der Vorrichtung 6, welche sich jeweils lediglich in Teilbereichen
voneinander unterscheiden und bei welchen die Übergänge zwischen Pleuelkopf 14,
Pleuelschaft 12 und Pleuelfuß 17 so gewählt sind,
dass im Betrieb der Kolbenmaschine 1 in diesen Bereichen
keine die Standzeit gefährdenden
Kraftspitzen entstehen.
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Die
Massenverteilung im Pleuelschaftquerschnitt bzw. im Querschnittsbereich
der Verbindungseinrichtung 11 ist vorliegend derart vorgesehen,
dass der Kraftfluss zwischen dem Pleuelkopf 14 und dem Pleuelfuß 17 in
Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 verschoben wird.
Dies wird durch ein asymmetrisches Kolbenschaftquerschnittprofil
erreicht, bei dem im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 der
größere Massenanteil
in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 angeordnet ist.
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In
der nachfolgenden Beschreibung zu 3 bis 14 wird
der erfindungsgemäße Gedanke
grundsätzlich
anhand der Darstellung gemäß 3 beschrieben.
Bei der Beschreibung der weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung 6 gemäß 5 bis 14 wird
zugunsten der Übersichtlichkeit
jeweils lediglich auf die Unterschiede zwischen den verschiedenen
Ausführungsformen
der Vorrichtung 6 eingegangen.
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3 zeigt
eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung 6,
wobei die Zeichenebene einer Rotationsebene der Kurbelwelle 7 entspricht.
Die Vorrichtung 6 stellt ein Pleuel einer Brennkraftmaschine
dar und weist im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 zwischen den
Befestigungseinrichtungen 9 und 10 einen zumindest
bereichsweise variierenden Querschnittverlauf auf. Dabei variiert
der Querschnittverlauf in Längserstreckung
des Pleuels 6 derart, dass ein Abstand in Rotationsrichtung
R der Kurbelwelle 7 zwischen einer eine Symmetrielinie
darstellenden Haupterstreckungslinie Lh der Projektionsfläche eines
zwischen den Befestigungseinrichtungen 9 und 10 vorgesehenen
Verbindungselementes 12 der Verbindungseinrichtung 11 in
der Rotationsebene der Kurbelwelle 7 und einer Mittenverbindungslinie
Lm zwischen den Befestigungseinrichtungen 9 und 10 zumindest
in einem der Kurbelwelle 7 zugewandten Bereich des Verbindungselementes 12 kleiner
ist als ein Abstand zwischen der Mittenverbindungslinie Lm und einer die
Flächenschwerpunkte
der Querschnitte des Verbindungselementes 12 verbindenden
Schwerpunktlinie Ls, an welche der Kraftverlauf im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 durch
die asymmetrische Massenverteilung angeglichen wird, um in der nachfolgend
beschriebenen Art und Weise eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle 7 wirkende
Kraftkomponente Fn zu erzeugen.
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In 4 ist
exemplarisch ein Querschnitt der Verbindungseinrichtung 11 der
Vorrichtung 6 entlang einer Schnittlinie IV-IV gezeigt.
Aus der Ansicht gemäß 4 geht
hervor, dass das Pleuel 6 mit einem asymmetrischen Pleuelschaftquerschnitt
ausgebildet ist, bei welchem ein in Bezug auf die Rotationsrichtung
R der Kurbelwelle 7 und die Mittenverbindungslinie Lm hinterer
Bereich 12A des Verbindungselementes 12 mit weniger
Material ausgebildet ist als eine Vorderseite bzw. ein vorderer
Bereich 12B des Verbindungselementes 12.
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Mit
dieser Querschnittgestaltung des Pleuels 6 wird erreicht,
dass die am Kolbenelement 3 angreifende Kolbenkraft Fk,
welche im oberen Totpunkt des Kolbenelementes in Richtung des Verlaufes
der Mittenverbindungslinie Lm am Kolben angreift, in eine Stangenkraft
Fs und in eine Normalkraft Fn zerlegt wird. Im Bereich der Kurbelwelle 7 greift
im oberen Totpunkt des Kolbenelementes 12 die in Rotationsrichtung
R der Kurbelwelle 7 wirkende Kraftkomponente Fn an. Damit
ist eine mit dem Pleuel 6 ausgebildete Kolbenmaschine 1 im
Vergleich zu herkömmlich
ausgebildeten Brennkraftmaschinen, bei welchen im oberen Totpunkt
des Kolbenelementes 3 die Orientierung der Stangenkraft
Fs der Orientierung der Kolbenkraft Fk entspricht und somit kein
aus der Kolbenkraft Fk resultierendes Drehmoment an der Kurbelwelle 7 angreift,
mit höherem
Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringeren Lagerbelastungen betreibbar.
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Dem
in 3 dargestellten Kräfteparallelogramm liegt die
Kenntnis zugrunde, dass der Kraftfluss im Pleuel 6 der
Schwerpunktlinie Ls folgt, wobei zunächst bei der Übertragung
der Kolbenkraft Fk die statischen Reserven der Verbindungseinrichtung ausgenutzt
werden, bevor die Kraftflussrichtung von der Mittenverbindungslinie
Lm abweicht und in Richtung der Schwerpunktlinie Ls tendiert. Das
bedeutet, dass die mit geringerer Festigkeit ausgeführte Rückseite 12A des
Verbindungselementes 12 unter der Stangenkraft Fs zunächst verformt
wird und der Kraftfluss anschließend die stützende Wirkung der mit höherer Festigkeit
ausgeführten
Vorderseite 12B des Verbindungselementes 12 ausnutzt.
Aus diesem Grund ist eine Definition des Kraftverlaufes im Pleuelschaft
bzw. im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 grundsätzlich an
die Größe der Kolbenkraft
Fk in Verbindung mit den statischen Reserven des Pleuels 6 gekoppelt.
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Im
Bereich des Pleuelkopfes 14 wird die Kolbenkraft Fk möglichst
direkt und zentral in den massiven und tragenden Teil des Verbindungselementes 12 eingeleitet.
Die Materialverteilung des Verbindungselementes 12 wird
derart vorgesehen, dass bei Erreichen des Pleuelfußes 17 bzw.
der zweiten Befestigungseinrichtung 10 sich die Flächenschwerpunkte
des Pleuelschaftquerschnittes möglichst
weit vor der Mittenverbindungslinie Lm befinden, welche die Mittelpunkte
der beiden Pleuelaugen 15 und 18 verbindet.
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In 5 und 6 sind
zwei weitere Ausführungsformen
der Vorrichtung 6 dargestellt, welche sich von der in 3 dargestellten
Ausführungsform der
Vorrichtung 6 lediglich im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 bzw.
im Bereich des Pleuelfußes 17 unterscheiden.
Bei der Ausführung
der Vorrichtung 6 gemäß 5 ist
der Pleuelfuß mit
einer wenigstens annähernd
waagrechten Teilungsebene ausgeführt,
während
die Ausführung
der Vorrichtung 6 gemäß 6 mit
einer schrägen
Teilungsebene ausgebildet ist. Die Entscheidung, ob der Pleuelfuß 17 mit
einer schrägen
Teilungsebene oder mit einer waagrechten Teilungsebene ausgebildet
wird, wird in Abhängigkeit
des jeweils zur Verfügung
stehenden Bauraumes im Motorblock einer Kolbenmaschine durchgeführt.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Vorrichtung 6, welche im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 mit
einer in Richtung der Mittenverbindungslinie Lm verlaufenden Hohlbohrung 19 ausgeführt ist,
um den Kraftfluss im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 in
der vorbeschriebenen Art und Weise zur Erzeugung der Normalkraft
Fn entlang der Schwerpunktlinie Ls umzuleiten. 8 zeigt
eine 4 entsprechende Querschnittansicht der Vorrichtung 6 gemäß 7 entlang
einer Schnittlinie VIII-VIII.
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Bei
der in 7 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 6 ist
der Pleuelfußbereich 17 auf der
Vorderseite 12B des Verbindungselementes 12 stärker als
bei der Vorrichtung 6 gemäß 3 ausgeführt. Der
masseverstärkte
Bereich des Pleuelschaftes läuft
harmonisch in einen ebenfalls verstärkten Bereich des Pleuelfußes 17 aus.
Durch die Verstärkung
insbesondere im Pleuelfußbereich 17 der
Vorrichtung 6 wird der Abstand zwischen der Schwerpunktlinie
Ls und der Mittenverbindungslinie Lm weiter vergrößert, womit
die im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 wirkende
und in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 gerichtete
Normalkraftkomponente Fn im Vergleich zur Ausführung der Vorrichtung 6 gemäß 3 vergrößert wird.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 6 ist in 9a dargestellt,
bei welchem das Verbindungselement 12 der Verbindungseinrichtung 11 mit
einem in 9b, 9c und 10 näher dargestellten
zweiachsig asymmetrischen Pleuelschaftquerschnitt ausgebildet ist,
um im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 die
in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 wirkende Normalkraft
Fn zu erzeugen und gleichzeitig ausreichend Bauraum für Kurbelwellenausgleichsgewichte
zur Verfügung stellen
zu können.
In 9b ist die Vorrichtung 6 aus der in 9a näher bezeichneten
Ansicht B und in 9c aus der Ansicht C dargestellt.
Zusätzlich
zeigt 10 eine Querschnittan sicht der
Vorrichtung 6 entlang der Schnittlinie X-X gemäß 9a.
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Eine
in 11 und 12 dargestellte
weitere Ausführungsform
der Vorrichtung 6 ist mit sich zwischen den Befestigungseinrichtungen 9 und 10 erstreckenden
Nuten 20, 21 ausgebildet, welche ausgehend von
der ersten Befestigungseinrichtung 9 in Richtung der zweiten
Befestigungseinrichtung 10 in Bezug auf die Rotationsrichtung
R der Kurbelwelle 7 vor der Schwerpunktlinie Ls verlaufend
ausgebildet sind und die Schwerpunktlinie Ls in einem der zweiten
Befestigungseinrichtung 10 zugewandten Bereich der Verbindungseinrichtung 11 in
Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 unter einem spitzen
Winkel schneiden. Nach dem Schnittpunkt mit der Schwerpunktlinie
Ls verlaufen die Nuten 20, 21 definitionsgemäß hinter
der Schwerpunktlinie Ls.
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Dabei
verlaufen die Nuten 20, 21 ausgehend von der ersten
Befestigungseinrichtung 9 in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung 10 solange
wie möglich
vor der Schwerpunktlinie Ls und schneiden diese in Rotationsrichtung
der Kurbelwelle 7 möglichst
dicht am Pleuelfuß 17 unter
einem möglichst spitzen
Winkel, um den Kraftverlauf im Pleuel 6 in Richtung der
Vorderseite 12B des Verbindungselementes 12 bzw.
der Vorrichtung 6 zu zwingen. Die Nutbreiten der Nuten 20 und 21 sind
so schmal wie fertigungstechnisch möglich ausgeführt und
die Verläufe
der Nuten 20, 21 folgen einem organischen Verlauf
mit möglichst
großen
Krümmungsradien,
um im Bereich der Nuten 20, 21 Lastspitzen zu
vermeiden.
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Dadurch,
dass die Vorrichtung 6 mit den Nuten 20, 21 ausgebildet
ist, ruht das Pleuelauge 15 vollständig auf der tragenden Struktur
des verstärkten
Pleuelschaftbereiches, wobei die tragende Struktur im Pleuelfuß 17 vor
dem Kurbelwellenhubzapfen 13 ausläuft. Um eine optimale Wirkung
der Nuten 20, 21 zu erreichen, ist jeweils die
Tiefe der Nuten 20, 21 an jeder Stelle der Verläufe der
Nuten 20, 21 derart vorgesehen, dass das statisch
zulässige
Maß möglichst
weit ausgeschöpft
ist.
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Die
zweite Befestigungseinrichtung 10 bzw. deren Pleuelauge 18 ist
geteilt ausgeführt,
und über eine
in Bezug auf die Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 vordere
Verschraubung 22 und eine hintere Verschraubung 23 verbunden.
Um die Nuten 20 und 21 mit dem in 11 dargestellten
Verlauf ausführen zu
können,
ist die vordere Verschraubung 22 gegenüber der hinteren Verschraubung 23 in
der dargestellten Art und Weise verschwenkt und nicht parallel wie bei
den vorbeschriebenen Ausführungsformen
der Vorrichtung 6 angeordnet.
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Die
in 13 dargestellte weitere Ausführungsform der Vorrichtung 6 bzw.
deren Verbindungseinrichtung 11 ist zumindest in der Kurbelwelle 7 zugewandten
Bereichen mit Bohrungen 24 ausgebildet, die wenigstens
annähernd
senkrecht zur Rotationsebene der Kurbelwelle 7 angeordnet
sind. Über die
Bohrungen 24 wird der Kraftverlauf in Richtung der Vorderseite 12B des
Verbindungselementes 12 geführt. Die Bohrungen 24 behindern
ein Abfließen der
Kraft in den in Bezug auf die Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 ausgehend
von den Bohrungen 24 betrachtet hinteren Teil des Pleuelfußes 17.
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Bei
der in 14 dargestellten Ausführungsform
der Vorrichtung 6 ist der Querschnittsverlauf der Verbindungseinrichtung 11 zwischen
den beiden Befestigungseinrichtungen 9 und 10 derart,
dass die Haupterstreckungslinie Lh in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 im
Bereich des Pleuelkopfes 14 definitionsgemäß vor der
Mittenverbindungslinie Lm und der Schwerpunktlinie Ls angeordnet
ist. Dies resultiert aus der Tatsache, dass im oberen Bereich bzw. in
dem der ersten Befestigungseinrichtung 9 zugewandten Bereich
des Pleuelschaftes bzw. der Verbindungseinrichtung 11 der
hintere Bereich 12A des Verbindungselementes 12 massereicher
ausgebildet ist als der vordere Bereich 12B. Mit zunehmendem Abstand
vom Pleuelkopf 14 verlagert sich der Masseschwerpunkt des
Verbindungselementes 12 jeweils zunehmend in Richtung des
vorderen Bereiches 12A, womit die Haupterstreckungslinie
Lh die Mittenverbindungslinie Lm in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 schneidet
und im Bereich des Pleuelfußes 17 in
Rotationsrichtung R hinter der Mittenverbindungslinie Lm verläuft und
im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 die in
Rotationsrichtung wirkende Normalkraft Fn zur Verbesserung des Wirkungsgrades
der Kolbenmaschine 1 vorliegt.
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Dies
resultiert aus der Tatsache, dass die Schwerpunktlinie Ls ab dem
Schnittpunkt mit der Mittenverbindungslinie Lm in Rotationsrichtung
R der Kurbelwelle 7 hinter der Mittenverbindungslinie Lm verläuft, wobei
der Abstand zur Mittenverbindungslinie Lm in den Pleuelfuß 17 zugewandten
Bereichen des Verbindungselementes 12 wie bei den Ausführungsformen
der Vorrichtung 6 gemäß 3 bis 13 größer als
der Abstand zwischen der Haupterstreckungslinie Lh und der Mittenverbindungslinie Lm
ist.
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Grundsätzlich weist
die Verbindungseinrichtung 11 bzw. der Pleuelschaft des
Pleuels 6 gemäß 14 in
Bezug auf die Mittenverbindungslinie Lm in der Rotationsebene der
Kurbelwelle 7 bzw. in der Zeichenebene eine Verschwenkung
auf, um die vorbeschriebene Kraftumlenkung zusätzlich zu der Querschnittgestaltung
der Verbindungseinrichtung 11 weiter zu verbessern, wobei
das Schwenken des Pleuelschaftes die vorbeschriebenen Wirkungen
der Nuten 20 und 21 weiter verbessert, da die
Kraftlenkung im mittleren Schaftbereich des Pleuels 6 dann
sehr effizient gestaltbar ist.
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Um
den im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 positiv
wirksamen Hebel durch die vorbeschriebene Massenschwerpunktverschiebung
im Bereich de Verbindungselementes 12 bei den vorbeschriebenen
Ausführungsformen
der Vorrichtung 6 zu vergrößern, wird beim Auslaufen der Vorderkante
des Pleuelschaftes bzw. des Verbindungselementes 12 in
den Pleuelfuß 17 der
im Kurbelgehäuse
verfügbare
Raum soweit möglich
und sinnvoll für
eine größere Materialstärke in diesem
Bereich genutzt.
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Vor
allem bei kleineren Motoren mit großen mechanischen Reserven kann
das Prinzip der Vorrichtung nach der Erfindung bzw. des sogenannten Kraftlenkpleuels
noch deutlich verstärkt
werden. Zu diesem Zweck ist beispielsweise eine schmale Nut, möglichst
beidseitig, so im Längsverlauf
des Pleuels anbringbar, dass der Kraftverlauf im vorderen Bereich
des Pleuelfußes,
d. h. vor dem Kurbelwellenhubzapfen, mündet. Eine solche Nut stellt
für den Kraftfluss
im Pleuel eine zusätzlich
zum Verlauf des Massenschwerpunktes wirksame Grenzlinie dar.
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Grundsätzlich liegen
der Beschreibung der Anordnung der Haupterstreckungslinie, der Schwerpunktlinie,
der Mittenverbindungslinie, der Nuten und der Hohlbohrung zueinander
jeweils Betriebszustände
zugrunde, zu den die Vorrichtung bzw. deren Verbindungseinrichtung
sich in zu dem oberen Totpunkt des Kolbenelementes nahen Stellungen
befindet. Wird beispielsweise eine Anordnung der Schwerpunktlinie
in einem Bereich der Verbindungseinrichtung in Rotationsrichtung
der Kurbelwelle vor der Haupterstreckungslinie beschrieben, dann
blickt ein in diesem Bereich auf der Schwerpunktlinie definitionsgemäß positionierter
Betrachter, dessen Blick ausgehend von der Schwerpunktlinie in Rotationsrichtung
gerichtet ist, auf die Haupterstreckungslinie, deren Position die
Schwerpunktlinie bei zunehmender Rotation der Kurbelwelle erst zu
einem späteren Zeitpunkt
erreicht.
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- 1
- Kolbenmaschine
- 2
- Raum,
Brennraum
- 3
- Kolbenelement
- 4
- Zylinder
- 5
- Wirkfläche
- 6
- Vorrichtung
- 7
- Kurbelwelle
- 8
- Kurbelwellenhauptlagerung
- 9
- erste
Befestigungseinrichtung
- 10
- zweite
Befestigungseinrichtung
- 11
- Verbindungseinrichtung
- 12
- Verbindungselement
- 12A
- hinterer
Bereich des Verbindungselementes
- 128
- vorderer
Bereich des Verbindungselementes
- 13
- Kurbelwellenhubzapfen
- 14
- Pleuelkopf
- 15
- Pleuelauge
- 16
- Kolbenbolzen
- 17
- Pleuelfuß
- 18
- Pleuelauge
- 19
- Hohlbohrung
- 20,
21
- Nut
- 22
- vordere
Verschraubung
- 23
- hintere
Verschraubung
- 24
- Bohrungen
- Fk
- Kolbenkraft
- Fn
- Normalkraft
- Fs
- Stangenkraft
- Lh
- Haupterstreckungslinie
- Lm
- Mittenverbindungslinie
- Ls
- Schwerpunktlinie
- R
- Rotationsrichtung
der Kurbelwelle