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Die Erfindung betrifft einen Boxermotor mit mindestens zwei gegeneinander bewegbaren Hubkolben, von denen jeder über ein Kulissenpleuel, das eine Kulissenführung umfasst, mit einer Kurbelwelle über einen exzentrischen Kurbelzapfen gekoppelt ist, auf dem ein Kulissenstück gelagert ist, das in der Kulissenführung geführt ist.
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Ein Boxermotor dieser Gattung ist aus der
DE 40 35 562 A1 bekannt. Anders als bei den meisten Hubkolbenmotorkonstruktionen mit beweglich an dem Kolben angelenkter Pleuelstange ist bei diesem Boxermotor das Kulissenpleuel starr mit dem Kolben verbunden. Die Umsetzung der linearen Bewegung des Kolbens in eine rotierende Bewegung der Kurbelwelle geschieht mittels einer Kulisse, die ein auf dem exzentrischen Kurbelzapfen sitzendes Kulissenstück in einer geraden Kulissenführung umfasst. Dabei bleibt der Zusammenhang zwischen Kolbenhub und Kurbelwellendrehung wie bei den bekannten Konstruktionen mit an dem Kolben angelenkter Pleuelstange sinusförmig.
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Aus der
DE 733 489 A ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren doppelt wirkender Kolben ein als Kulisse ausgebildetes Mittelstück hat, in welchem ein Kurbelzapfen sich über einen Gleitstein abstützt und rechtwinklig zur Kolbenlaufbahn hin und her bewegt.
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Aus der
DE 21 34 584 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die ohne eine Kurbelwelle auskommt. Der Hubkolben hat hierzu sich gegenüberliegende, nach außen weisende Bolzen, die durch eine endlose, kulissenartige, wellenförmige Bahn in der Zylinderlaufbuchse hindurch greifen und drehfest, jedoch axial verschieblich mit einem drehbar gelagerten Zahnkranz verbunden sind, der die Abtriebsseite des Motors bildet.
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Aus der
DE 41 05 020 A1 ist eine ähnliche, kurbelwellenfreie Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Kolben über eine Kolbenstange mit einer als Hubkurvenelement bezeichneten, komplexen Kulissenkonstruktion verbunden ist.
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Aus der
DE 42 34 941 A1 ist ein Boxermotor bekannt, dessen sich gegenüberliegende Kolben über eine gemeinsame Kolbenstange verbunden sind. Auf der Kolbenstange sitzt verschieblich eine Kulissenführung für ein Kulissenstück, das seinerseits auf einem Exzenterzapfen der Kurbelwelle sitzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Boxermotor der einleitend angegebenen Gattung, das heißt entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine dem Verbrennungsverhalten des Kraftstoffs gezielt anpassbare Kolbenbewegung zu erreichen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kulissenführungen kreisbogenartig gebogen sind. Der Krümmungsmittelpunkt liegt in Richtung der Kurbelwelle.
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Anders als bei einer geraden Kulissenführung mit exakt sinusförmigem Zusammenhang zwischen Kurbelwellendrehung und Kolbenoszilation ermöglichen die gebogenen Kulissenführungen eine gezielte Veränderung der genannten Beziehung um die beim Verbrennungsvorgang erzeugte Kraft optimal in eine Drehbewegung umzusetzen.
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Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Kulissenbogenradius KBR zum Zapfendrehradius ZDR, KBR/ZDR zwischen 1,5 und 3,0, vorzugsweise zwischen 5/3 und 2/1.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Mittelpunkt des Kulissenbogenradius auf der Mittelachse des Hubkolbens liegt, so dass das Kulissenpleuel spiegelsymmetrisch ausgeführt ist.
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Eine alternative vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kulissenbogenmittelpunkt um eine Dezentrierungsstrecke neben einer Längsmittelachse des Hubkolbens liegt. Durch die Dezentrierung des Kulissenbogenmittelpunktes wird die Relation zwischen Hubkolben- und Kurbelwellenbewegung so verändert, dass bei einem Kurbelwinkel im Bereich um 90° ein signifikant höheres Drehmoment wirkt.
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Dazu liegt der Kulissenbogenmittelpunkt vorzugsweise in derjenigen Richtung neben der Kolbenachse, in die sich der Kurbelzapfen nach dem unteren Totpunkt (UT) bewegt.
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Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Dezentrierungsstrecke D zum Kulissenbogenradius KBR, also D/KBR zwischen 1/10 und 1/25, besonders bevorzugt zwischen 1/16 und 1/18.
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Gegenüber einem herkömmlichen Motor mit Pleuelstange ergibt sich im Kurbelwinkelbereich 0° bis 45° (nach OT) ein um ca. 33% geringerer Abwärtshub; im Bereich 45° bis 90° um ca. 22% und im Bereich von 90° bis 135° um 10% geringerer Abwärtshub. Im Durchschnitt zwischen 0° und 135° im Arbeitshub sind ca. 20% mehr Druck im Zylinder oder Druck am Kurbelzapfen und damit 20% mehr Drehmoment.
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Darüber hinaus ist im Bereich zwischen 22° vor und nach OT mit ca. 0,5 mm Hub so gut wie gar keine Bewegung.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Hubkolben mit dem Kulissenpleuel ein integral gegossenes Bauteil ist. Alternativ kann das Kulissenpleuel am Hubkolben befestigt sein.
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Die Kurbelwelle kann je Hubkolben einen Kurbelwellenabschnitt haben und die Kurbelwellenabschnitte können über Verzahnungen mit einer Nockenwelle gekoppelt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
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1: einen Querschnitt durch einen Boxermotor gemäß einer Ausführungsform mit gekrümmter Kulisse;
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2: einen Längsschnitt der Ausführung gemäß 1;
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3: einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform mit durchgehender Kurbelwelle;
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4: eine zweite Ausführung eines Kulissenpleuels mit gekrümmter, dezentrierter Kulisse;
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5: eine perspektivische Darstellung von Kulissenpleuel, Kurbelwellenabschnitt und Kulissenstein;
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6: ein Diagramm darstellend die Relationen zwischen Kolbenbewegung und Kurbelwinkel bei unterschiedlichen Motorkonstruktionen;
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7: einen Längsschnitt durch den Boxermotor gemäß 1 entlang der Kurbelwelle;
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8: mehrere Darstellungen eines gekrümmten Kulissenpleuels bei unterschiedlichen Kurbelwinkeln.
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In den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform 10a eines erfindungsgemäßen Boxermotors in Quer- und Längsschnitt dargestellt. Dieser umfasst ein Kurbelgehäuse 12 sowie zwei Zylinder 14a, 14b, in denen zwei Kolben 16a, 16b oszillierend bewegt werden. Aus Gründen der Anschaulichkeit sind die jeweiligen Zylinderköpfe nicht dargestellt sondern nur Ventile 18 und Zündkerzen 20. An den beiden Kolben 16a, 16b sind zwei Kulissenpleuel 22a, 22b angeformt. Eine sehr ähnliche Ausführungsform von Kolben 16c und Kulissenpleuel 22c ist in 5 vergrößert dargestellt. Das Kulissenpleuel 22a umfasst eine gekrümmte Kulisse 24a, in denen jeweils ein Kulissenstück 26a geführt ist, das innenseitig jeweils einen Kurbelzapfen 28a, 28b gelagert umschließt. Diese Kurbelzapfen 28a, 28b sind exzentrisch an zwei Kurbelwellenabschnitten 30a, 30b angeformt. Ferner ist eine Nockenwelle 32 vorgesehen, die über nicht dargestellte Bauteile die Ventile 18 bewegt. Die Nockenwelle 32 ist über zwei Verzahnungspaare 34a, 34b mit den beiden Kurbelwellenabschnitten 30a, 30b gekoppelt, so dass die beiden Kurbelwellenabschnitte 30a, 30b über diese Verzahnungspaare 34a, 34b und die Nockenwelle 32 synchronisiert sind.
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Die Ausführungsform gemäß der 1 und 2 hat zwei getrennte Kurbelwellenabschnitte 30a, 30b, die über die Nockenwelle 32 synchronisiert sind. Daher können diese getrennt montiert werden und die Kulissenstücke 26a, 26b und Kulissenpleuel 22a, 22b einfach aufgesteckt werden. Diese können daher einstückig gefertigt werden.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform 10b der Erfindung, die sich von der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass eine durchgängige Kurbelwelle 30c vorgesehen ist, bei der die Kurbelzapfenpaare 28c, 28d von zwei Hubkolbenpaaren 16c durch zwei Verbindungswangen 33 miteinander verbunden sind. Ein weiterer Unterschied zu 2 besteht darin, dass hier ein Vierzylindermotor dargestellt ist, der zwei Hubkolbenpaare 16c umfasst. Zur Montage muss bei dieser Ausführungsform sowohl das Kulissenstück 26c als auch das Kulissenpleuel 22c teilbar gefertigt sein, wie dies in 5 dargestellt ist. Dazu sind Verschraubungen 34 zur Montage des zweiteiligen Kulissenpleuels 22c vorgesehen. Das geteilte Kulissenstück 26c besteht aus den zwei Kulissenstückhälften 36a, 36b. Diese Ausführungsform mit der durchgehenden Kurbelwelle 30c ist baulich einfacher und gewichtsmäßig leichter. Dafür sind die beiden Kolben 16c eines Kolbenpaares in axialer Richtung weiter voneinander entfernt als bei der Ausführungsform gemäß 1, so dass dynamische Massenmomente auftreten.
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In 4 ist, wie bereits erwähnt, eine Ausführungsform eines gekrümmten Kulissenpleuels 22c mit gekrümmter Kulisse 24a dargestellt. 5 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform mit geteiltem Kulissenpleuel 22c, wobei die Teile mittels der Verschraubungen 34 miteinander fixiert sind. Auch diese Ausführungsform kann alternativ einstückig – analog der Ausführung gemäß 4 – gefertigt werden, wenn eine geteilte Kurbelwelle zum Einsatz kommt. In 5 ist darüber hinaus der Kulissenbogenradius KBR mit dem Bezugszeichen 40 versehen. Ferner ist die Dezentrierungsstrecke D eingezeichnet, um die der Kulissenbogen Mittelpunkt M neben der Längsmittelachse A des Kolbens 16c liegt.
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5 ist eine schematische perspektivische Darstellung der Verbindung/Kopplung zwischen einem Kurbelwellenabschnitt 30a über Kurbelzapfen 28a, Kulissenstück 26a, Kulissenführung 24a (im Kulissenpleuel 22a) bis zum Kolben 16a.
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6 ist ein Diagramm, das den Hub über den Kurbelwinkel für verschiedene Motorausführungen darstellt. Die durchgezogene fette Linie 50 stellt die Beziehung für einen Boxermotor mit herkömmlicher Pleuelstange und eine dezentrierte Kurbelwelle dar. Die dünne durchgezogene Linie 52 stellt die Relation für einen herkömmlichen Motor mit Pleuelstange ohne dezentrierte Kurbelwelle dar. Die unterbrochene Linie 54 zeigt den Zusammenhang für einen erfindungsgemäßen Boxermotor mit Kulissenpleuel und dezentriertem Kulissenbogenmittelpunkt. Dabei ist zu erkennen, dass in dem wichtigen Bereich kurz nach dem oberen Totpunkt (OT) der erfindungsgemäße Boxermotor für einen wesentlich längeren Winkelbereich einen geringen Kolbenhub aufweist, wodurch sich das Verbrennungsverhalten verbessert.
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7 zeigt einen Längsschnitt durch den Boxermotor gemäß 1 entlang der Kurbelwellenabschnitte 30a, 30b, die über Lagerungen 60a, 60b im Motorgehäuse 12 gelagert sind. An den Kurbelwellenabschnitten 30a, 30b sind Kurbelzapfen 28a, 28b dargestellt, die in den Kulissenstücken 26a, 26b geführt sind. Die Kulissenpleuel 22a, 22b sind durch eine Distanzplatte 62 beabstandet und geführt. Seitlich sind die Kulissenpleuel 22a, 22b über Pleuelführungen 64 im Motorgehäuse 12 geführt. Mittels Schmiermittelleitungen 66 wird Schmierstoff zu den Pleuelführungen 64 geleitet. Unterhalb der Kurbelwellenabschnitte 30a, 30b ist die Nockenwelle 32 angeordnet, die mittels zweier Lager 66 im Motorgehäuse 12 gelagert ist. Diese weist zwei Nocken 68 auf, mittels derer die Ventile 18 (1) betätigt werden. An der Nockenwelle 32 sind zwei Zahnräder 70a, 70b mittels Passfedern 72 drehfest angeordnet, die mit Ritzeln 74a, 74b im Eingriff stehen, wodurch die beiden Kurbelwellenabschnitte 30a, 30b über die Ritzel 74, Zahnräder 72 und die Nockenwelle 32 mit einander synchronisiert sind.
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In 8 ist die Ausführungsform gemäß 1 und 2 in verschiedenen Kurbelwinkelzuständen dargestellt und zwar ausgehend in Darstellung (a) vom oberen Totpunkt (OT) bis zur rechten Darstellung (e) im unteren Totpunkt (UT) über einen Winkelbereich von 180°. Dargestellt ist eine Ausführung mit Dezentrierungsstrecke D (siehe Darstellung (a)). In der linken Darstellung (a) befindet sich das Kulissenstück 26a in der Mitte der Kulisse 24a, während sich der Kurbelwellenabschnitt 30a in einer Stellung befindet, in der der Kurbelzapfen 28a minimal entfernt ist vom Zylinder 14a, so dass sich der Kolben 16a im oberen Totpunkt befindet. In der Darstellung (b) hat sich der Kolben 16a ein Stück in Richtung zum unteren Totpunkt bewegt, wobei das Kulissenpleuel 22a mitgenommen wird und damit das Kulissenstück 26a in der Kulisse 24a seitlich auswandert, wobei sich der Kurbelwellenabschnitt 30a um 45° im Uhrzeigersinn mitdreht (Kurbelwinkel 45° nach OT). In der Darstellung (c) ist das Kulissenstück 26a am Ende der Kulisse 24a angekommen, was einem Kurbelwinkel von 90° nach OT entspricht. In der Darstellung (d) hat sich das Kulissenstück 26a in der Kulisse 24a wieder zurück in Richtung Mitte bewegt, was einem Kurbelwinkel von 135° entspricht. Schließlich ist in Darstellung (e) der untere Totpunkt (UT) erreicht, in dem das Kulissenstück 26a erneut in der Mitte der Kulisse 24a angeordnet ist und der Kurbelzapfen 28a seine zylinderfernste Lage erreicht (Kurbelwinkel 180° nach OT). Die Rückbewegung nach UT verläuft ähnlich, jedoch aufgrund der Dezentrierungsstrecke D nicht exakt spiegelbildlich.
