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Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere einen Hubkolbenmotor, mit wenigstens drei in einem Kurbelgehäuse gelagerten Pleuelstangen, sowie wenigstens einer Motorausgangswelle, die über wenigstens ein Planetengetriebe mit den Pleuelstangen verbunden ist.
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Beträgt die Zähnezahl des Hohlrades ein Vielfaches der Zähnezahl des Planetenrades, werden die Pleuelaugen der Pleuelstangen auf einer festen Umlaufbahn bewegt, die aus der Überlagerung zweier Kreisbahnen hervorgeht. Die diesen Kreisbahnen zugeordneten Drehachsen sind zum einen die Zentralachse des Planetengetriebes und zum anderen die zur Zentralachse beabstandet gelegene Drehachse des Planetenrades.
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Eine derartige Kolbenmaschine ist aus der deutschen Patentschrift
DE 198 51 849 B4 bekannt. Der dort beschriebene Hubkolbenmotor weist wenigstens einen Kolben auf, der über eine Pleuelstange und ein Planetengetriebe mit einem Abtriebselement verbunden ist. Das Abtriebselement ist ein koaxial zum feststehenden Sonnenrad drehbar gelagertes Hohlrad, an dessen Innenzahnkranz sich ein Planetenrad abwälzt. An dem Planetenrad ist die Pleuelstange exzentrisch gelagert. Die exzentrische Lagerung der Pleuelstange dient hierbei dazu, dass vom Kurbeltrieb maximal übertragbare Drehmoment in Richtung des oberen Totpunktes vorzuverlegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, deren mechanischer Wirkungsgrad bei einem vereinfachten Funktionsprinzip maßgeblich erhöht ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein Hohlrad des Planetengetriebes am Kurbelgehäuse festgesetzt ist, und dass sämtliche Pleuelstangen über eine gemeinsame Exzenterwelle mit einem Planetenrad des Planetengetriebes verbunden sind. Entspricht die Zähnezahl des Hohlrades der mit der Anzahl der Pleuelstangen multiplizierten Zähnezahl des Planetenrades, können das Planetenrad und das Hohlrad derart miteinander in Eingriff gebracht werden, dass die von der Exzenterwelle auf die Pleuelaugen der Pleuelstangen übertragene Auslenkung jedem in seiner unteren Totpunktlage befindlichen Pleuelauge maximal entgegenwirkt. Sind die Pleuelstangen jeweils in einem Winkel von etwa 120° zueinander angeordnet, ergibt sich für die Pleuelaugen auf diese Weise eine dreieckförmige Bewegungsbahn, deren ihre Bewegungsrichtungswechsel kennzeichnende Eckbereiche deutlich abgerundet sind und somit für die Pleuelaugen faktisch eine in ihren unteren Totpunkten liegende Verweildauer generieren. Diese Verweildauer erlaubt vorteilhaft die Ausbildung eines von Kolbenbewegungen unabhängigen Spültaktes, so dass jeder von einem Pleuelauge bzw. seinem daran angelenkten Kolben auszuführender Doppelhub im wesentlichen für das Verdichten eines Brennstoff-Luftgemisches (Verdichtungstakt) oder für die Arbeitsverrichtung durch ein Brenngas (Arbeitstakt) nutzbar ist. Mit dem von jeglichen Kolbenbewegungen unabhängigen Spültakt ist in Verbindung mit einem darauffolgenden Verdichtungstakt und einem nachfolgenden Arbeitstakt ein „echter” Drei-Takt-Hubkolbenmotor geschaffen. Dadurch, dass der Verdichtungstakt eines Kolbens zeitgleich mit dem Arbeitstakt des jeweils vorangestellten Kolbens abläuft, und die für den Verdichtungstakt benötigte Kraft unmittelbar aus dem Kräftefluss des Arbeitstaktes abgezweigt wird, kann vorteilhaft auf mitzuführende Schwungmassen verzichtet werden. Der Verzicht auf mitzuführende Schwungmassen erlaubt das Fahren niedriger Motordrehzahlen bei einem hohen Motordrehmoment, so dass der mechanische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine maßgeblich höher liegt als bei bekannten Kolbenmaschinen. Grundsätzlich liegt es jedoch im Rahmen der Erfindung, die Kolbenmaschine als Einkolbenvariante auszuführen.
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Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist ein Sonnenrad jedes Planetengetriebes mit der Motorausgangswelle gekoppelt. Damit entsprechen vier Umdrehungen des Sonnenrades einem von einem Pleuelauge ausgeführten Doppelhub. Insbesondere bei Ausbildung eines zwischen zwei Planetengetrieben angeordneten Kurbelgehäuses oder bei einer modularen Aneinanderreihung mehrerer erfindungsgemäßer Kolbenmaschinen sind die Triebwellen der Sonnenräder über eine Synchronwelle untereinander verbunden und die Synchronwelle dann mit der Motorausgangswelle gekoppelt.
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Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das Planetenrad auf einem Planetenträger angeordnet, wobei nunmehr der Planetenträger mit der Motorausgangswelle gekoppelt ist. Diese Abgriffsmöglichkeit stellt eine Art Direktübersetzung dar, bei der eine Umdrehung des Planetenträgers einem von einem Pleuelauge auszuführenden Doppelhub entspricht.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Triebwelle des Sonnenrades und die des Planetenträgers über eine Schaltkupplung mit der Motorausgangswelle gekoppelt. Die Schaltkupplung erlaubt demnach einen wahlweisen Kräfteabgriff zwischen dem Planetenträger und dem Sonnenrad in einem Drehzahlverhältnis von 1:4. Mit der Schaltkupplung weist die erfindungsgemäße Kolbenmaschine zwei integrierte Übersetzungsstufen auf. Mit den integrierten Übersetzungsstufen weist die erfindungsgemäße Kolbenmaschine in Motor-Getriebe-Anordnungen ein erhebliches Einsparungspotenzial auf, da für weitere Übersetzungsstufen erforderliche Getriebestufen deutlich kleiner ausgelegt werden können.
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Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung weist das Planetengetriebe wenigstens ein weiteres Planetenrad auf, wobei die Planetenräder am Umfang des Hohlrades gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die gleichmäßige Verteilung der Planetenräder verhindert vorteilhaft das Auftreten von Unwuchten, die die zu einer bauteilbelastenden Schwingungsbeanspruchung führen. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, das Planetengetriebe mit mehr als zwei Planetenrädern auszurüsten.
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Um zu verhindern, dass die vom Planetenrad mitgeführte Masse der Exzenterwelle eine Unwucht ausbildet, weist das weitere Planetenrad wenigstens eine der Masse der Exzenterwelle entsprechende Ausgleichsmasse auf. Vorzugsweise nimmt diese Ausgleichsmasse auf ihrem Planetenrad ebenfalls eine exzentrische Lage ein.
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Da die Zähnezahl des Hohlrades ein Vielfaches der Zähnezahl des Planetenrades beträgt, trifft jeder Zahn des Hohlrades bei jedem Umlauf auf die gleichen Zähne der Planetenräder. Um aus diesen Belastungsverhältnissen resultierenden Verschleiß möglichst gering zu halten, ist das Planetengetriebe vorteilhaft mit einer Schrägverzahnung ausgebildet.
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Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung weist jede Pleuelstange einen Kolben auf, wobei den Kolben jeweils wenigstens eine in einer Zylinderwandung angeordnete Einlassöffnung sowie jeweils wenigstens eine in einer Zylinderwandung angeordnete Auslassöffnung zugeordnet ist. Vorzugsweise sind die Einlassöffnung und die Auslassöffnung einander gegenüberliegend und an den von den Kolbenböden ausgeführten Hubwegen möglichst nahe ihrer unteren Totpunkte angeordnet. Damit ist jeder von einem Pleuelauge bzw. seinem darin angelenkten Kolben auszuführende Doppelhub im Wesentlichen für das Verdichten eines Brennstoff-Luftgemisches oder für die Arbeitsverrichtung eines Brenngases nutzbar. Lediglich eine der Öffnungshöhe der Ein- und Auslassöffnungen entsprechender Hubweg dient dem Schließen und Öffnen der Ein- und Auslassöffnungen.
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Eine den Wirkungsgrad verbessernde Kühlung der Kolben, insbesondere ihrer thermisch belasteten Kolbenböden ist dann erreicht, wenn die Kolben ihre Kolbenhemden durchlaufende Kühlkanäle aufweisen, über die die ihnen zugeordnete Einlassöffnung und die ihnen zugeordnete Auslassöffnung während eines von den Kolben ausgeführten Doppelhubes miteinander verbunden sind. Dazu sind die Kolbenhemden mit Vorteil auf einen die Kolbenringe tragenden Kolbenfuß, einen das Kolbenhemd oberseitig begrenzenden Kolbenkranz sowie wenigstens zwei den Kolbenfuß und den Kolbenkranz miteinander verbindende Stege zur Aufnahme der Pleuelaugen reduziert.
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Eine besonders wirkungsvolle Ausbildung des Spültaktes ist dadurch erreicht, dass jede Einlassöffnung und die ihr zugeordnete Auslassöffnung bei im unteren Totpunkt verweilendem Kolben über den diesem Kolben zugeordneten Hubraum miteinander verbunden sind. Hierbei dient die Einlassöffnung der Zufuhr von Verbrennungsluft und die Auslassöffnung der Abfuhr der bei der Verbrennung entstehenden Brenngase. Die Zufuhr von Brennstoff erfolgt vorzugsweise im Bereich der den Kolben zugeordneten Zylinderköpfe.
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Eine den mechanischen Wirkungsgrad in einer besonders effizienten Weise verbessernde Maßnahmen besteht darin, jede Einlassöffnung an die Druckleitung eines Verdichters anzuschließen. Der Verdichter dient der fortwährenden Verdichtung von Luft, die in Abhängigkeit der Kolbenstellung entweder als Kühlmedium durch die Kühlkanäle eines Kolbens hindurchgeführt, oder als Verbrennungsluft zum Spülen der den Kolben zugeordneten Hubräume durch diese hindurchgeführt wird. Der Verdichter ist beispielsweise als Turbo-Impeller, radiales oder axiales Verdichterrad oder als Rootsgebläse ausgeführt.
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Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung weisen das Kurbelgehäuse und das Pleuelgetriebe vorzugsweise durch Wellendichtringe voneinander getrennte Schmierölkreisläufe auf. Diese erlauben den Einsatz unterschiedlicher Schmieröle, so dass die erfindungsgemäße Kolbenmaschine vorteilhaft verschleißarm ausgeführt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1 eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine im Schnitt gemäß Linie A-A in 3;
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2 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit teilgeschnittenem Kurbelgehäuse; und
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3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine im Vertikalschnitt gemäß Linie B-B in 1.
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Die 1 zeigt eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit drei in einem Kurbelgehäuse 1 gelagerten Pleuelstangen 2, sowie zwei konzentrisch zueinander angeordneten Triebwellen 3, 4, die als Bestandteile eines Planetengetriebes 5 mit den Pleuelstangen 2 verbunden und wahlweise auf eine in dieser Figur nicht dargestellte Motorausgangswelle aufschaltbar sind. Ein Hohlrad 6 des Planetengetriebes 5 ist am Kurbelgehäuse 1 festgesetzt und sämtliche Pleuelstangen 2 sind über eine gemeinsame Exzenterwelle 7 mit einem Planetenrad 8 des Planetengetriebes 5 verbunden. Ein Sonnenrad 9 des Planetengetriebes 5 sitzt auf der Triebwelle 3 und ein das Planetenrad 8 tragender Planetenträger 10 sitzt auf der Triebwelle 4. Jede Pleuelstange 2 führt in einen Zylinder 11, wobei die Zylinder 11 jeweils in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit teilgeschnittenem Kurbelgehäuse 1 sowie teilgeschnittenen Zylindern 11. Die perspektivische Ansicht zeigt deutlich, dass sämtliche Pleuelstangen 2 über eine gemeinsame Exzenterwelle 7 mit dem Planetengetriebe 5 verbunden sind. Außerdem ist in der 2 dargestellt, dass jede Kolbenstange 2 an einem Kolben 12 angelenkt ist, und die Zylinder 11 die Kolben 12 führende Zylinderwandungen 13 aufweisen. Den Kolben 12 ist jeweils eine in einer der Zylinderwandungen 13 angeordnete Einlassöffnung 14 sowie jeweils eine in derselben Zylinderwandung 13 angeordnete Auslassöffnung 15 zugeordnet. Weiterhin weisen die Kolben 12 ihre Kolbenhemden 16 durchlaufende Kühlkanäle 17, 18 auf, über welche die Einlassöffnungen 14 und die Auslassöffnungen 15 während eines einen Verdichtungstakt und einen Arbeitstakt ausführenden Kolbendoppelhubes miteinander verbunden sind. Bei im unteren Totpunkt für die Dauer eines Spültaktes verweilenden Kolben 12 sind die Einlassöffnung 14 und die ihr zugeordnete Auslassöffnung 15 jedoch über den diesem Kolben 12 zugeordneten Hubraum 19 miteinander verbunden. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
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Die 3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine im Vertikalschnitt gemäß Linie B-B in 1. In dieser Schnittdarstellung ist erkennbar, dass das Planetengetriebe 5 ein weiteres Planetenrad 20 aufweist, wobei beide Planetenräder 8, 20 am Umfang des Hohlrades 6 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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