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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Zylindern und darin beweglich angeordneten Kolben, wobei der eine oder die mehreren Kolben von einer mit einer Abtriebswelle drehfest verbundenen Kurvenscheibe geführt werden.
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Verbrennungsmotoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge sind typischerweise als Kolbenmotor ausgestaltet und besitzen mehrere Zylinder mit jeweils einem Kolben und einer Pleuelstange, wobei letztere an eine gemeinsame Kurbelwelle angelenkt ist. Ein Nachteil von solchen Verbrennungsmotoren mit herkömmlichem Kurbeltrieb ist z. B. bei einem 4-Takt-Motor, dass beim Wechsel vom 2. Takt (Verdichtungstakt) in den 3. Takt (Arbeitstakt) am oberen Totpunkt des Kolbens kein Drehmoment geliefert wird. Da die Kurbelwelle zwischen zwei Zündungen zwei volle Umdrehungen ausführen muss, kommt es zu einer nicht unerheblichen Laufunruhe beim Motor. Um dies zu beheben, muss der Zündabstand verringert werden, insbesondere durch die Verwendung mehrerer Zylinder, die mit zeit- bzw. winkelversetzten Takten auf die Kurbelwelle einwirken. Mit der Zunahme der Zylinderzahl erhöhen sich aber auch die Größe des Motors und die Anzahl der Pleuelstangen, woraus höhere Reibungsverluste resultieren.
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In der
DD 215 605 A1 ist ein Verbrennungsmotor beschrieben, der eine andere Ankopplung der Kolben an die Abtriebswelle verwendet, wobei die Pleuelstange durch eine Kolbenstange und einen Mitnehmer ersetzt ist. Die Kurbelwelle ist hier in einer Kurvenscheibe gelagert, die mit einer Antriebswelle drehfest verbunden ist. Die Kurvenscheibe besitzt eine elliptische Form, welche durch Abplattung im Bereich der oberen Totpunkte ein maximales Verzögern des Kolbens in diesem Bereich entstehen lässt. Damit sollen Druckverhältnisse und Kraftstoffverbrauch optimiert werden. Ein Nachteil dieser elliptischen Form der Kurvenscheibe ist die permanente lineare Kolbengeschwindigkeit, die aufgrund des doppelt symmetrischen Aufbaus der Kurvenscheibe zu einer begrenzten, nicht optimierten Kraftübertragung führt.
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Die
DE 10 2008 002 100 A1 zeigt einen Motor mit mindestens zwei Zylindern, in denen jeweils ein Kolben beweglich angeordnet ist. An jedem Kolben ist eine Schubstange befestigt, die senkrecht zur Achse einer angetriebenen Abtriebswelle steht und jeweils ein gelagertes Koppelelement aufweist. Mit der Abtriebswelle ist eine Kurvenscheibe drehfest verbunden. Die Kurvenscheibe besitzt auf einer ihrer Scheibenflächen mindestens eine umlaufende Führungsnut, in welcher die Koppelelemente geführt sind. Die Drehachse der Kurvenscheibe ist axial mit der Abtriebswelle ausgerichtet. Der Hubweg jedes Kolbens wird durch einen sich stetig ändernden Abstand der Mittellinie der Führungsnut zur Drehachse der Kurvenscheibe derart vorgegeben, dass bei einer vollen Umdrehung der Kurvenscheibe alle Takte aller angekoppelten Kolben ausgeführt werden. Durch die Konstruktion der Kurvenscheibe wird eine variable Geschwindigkeit der Takte bzw. der an die Kurvenscheibe angreifenden Kolben ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile vorhandener Verbrennungsmotoren zu nutzen und deren Nachteile zu umgehen, um hohe Leistungen und bessere mechanische Wirkungsgrade zu erzielen. Weiterhin soll die Motorbaugröße reduziert werden.
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Die Aufgabenstellung wird durch einen Verbrennungsmotor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist zum Durchlaufen von vier Takten ausgebildet, so wie es auch bei einem Ottomotor der Fall ist. Der Verbrennungsmotor umfasst einen oder bevorzugt mehrere Zylinder, in denen jeweils ein Kolben beweglich angeordnet ist. Der eine oder die mehreren Kolben sind jeweils einer Abtriebswelle gegenüberliegend angeordnet. Bevorzugt sind die mehreren Kolben um die Abtriebswelle herum angeordnet, insbesondere in einer Sternanordnung. Alternativ können die Kolben auch in einer Reihenanordnung der Abtriebwelle gegenüberliegend angeordnet sein. Die Abtriebswelle ist durch den einen oder die mehreren Kolben antreibbar. Der Verbrennungsmotor umfasst weiterhin mindestens eine Kurvenscheibe, die drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist. Die Drehachse der Kurvenscheibe fällt mit der Drehachse der Abtriebswelle zusammen, wofür die Kurvenscheibe unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise über einen Hebelarm an der Abtriebswelle befestigt sein kann. Die Kurvenscheibe besitzt auf ihrem Umfang eine Führungskurve, welche der Führung des einen oder der mehreren Kolben dient. Die Führungskurve weist in Umfangsrichtung einen sich ändernden radialen Abstand gegenüber der Drehachse auf, worüber der Hubweg eines jeden der Kolben bestimmt wird. Der radiale Abstand ist gleich dem Radius der Führungskurve gegenüber der Drehachse in dem jeweiligen Punkt der Führungskurve. Zur Bestimmung des Hubweges ist die Führungskurve bevorzugt in vier umfängliche Abschnitte unterteilt, welche jeweils den Hubweg der Kolben während eines der vier Takte bestimmen. Ein erster umfänglicher Abschnitt der Führungskurve bestimmt den Kolbenhub während eines Ansaugtaktes. Hierfür weist der erste umfängliche Abschnitt eine bevorzugt stetige Änderung von einem ersten radial maximalen Abstand in Form eines oberen Totpunktes zu einem ersten radial minimalen Abstand in Form eines unteren Totpunktes auf, entsprechend dieser der Kolben während des Ansaugtaktes geführt wird. Befindet sich die Kurvenscheibe in einer Drehposition, in welcher der erste radial maximale Abstand in Richtung eines der Kolben ausgerichtet ist, so ist dieser Kolben während des Ansaugtaktes maximal in den jeweiligen Zylinder hinein geschoben. Befindet sich die Kurvenscheibe in einer Drehposition, in welcher der erste radial minimale Abstand in Richtung eines der Kolben ausgerichtet ist, so ist dieser Kolben während des Ansaugtaktes minimal in den jeweiligen Zylinder hinein geschoben. Die Differenz zwischen dem ersten radial maximalen Abstand und dem ersten radial minimalen Abstand bestimmt somit die Länge des Kolbenhubes während des Ansaugtaktes. Ein zweiter umfänglicher Abschnitt der Führungskurve bestimmt den Kolbenhub während eines Arbeitstaktes. Hierfür weist der zweite umfängliche Abschnitt eine bevorzugt stetige Änderung von einem zweiten radial maximalen Abstand in Form eines oberen Totpunktes zu einem zweiten radial minimalen Abstand in Form eines unteren Totpunktes auf, entsprechend dieser der Kolben während des Arbeitstaktes geführt wird. Befindet sich die Kurvenscheibe in einer Drehposition, in welcher der zweite radial maximale Abstand in Richtung eines der Kolben ausgerichtet ist, so ist dieser Kolben während des Arbeitstaktes maximal in den jeweiligen Zylinder hinein geschoben. Befindet sich die Kurvenscheibe in einer Drehposition, in welcher der zweite radial minimale Abstand in Richtung eines der Kolben ausgerichtet ist, so ist dieser Kolben während des Arbeitstaktes minimal in den jeweiligen Zylinder hinein geschoben, nämlich dann, wenn er durch die Verbrennung im Zylinder maximal aus dem Kolben herausgepresst wurde. Die Differenz zwischen dem zweiten radial maximalen Abstand und dem zweiten radial minimalen Abstand bestimmt somit die Länge des Kolbenhubes während des Arbeitstaktes. Die Führungskurve weist weiterhin bevorzugt einen dritten umfänglichen Abschnitt und einen vierten umfänglichen Abschnitt auf. Der dritte umfängliche Abschnitt der Führungskurve bestimmt den Kolbenhub während eines Verdichtungstaktes. Der vierte umfängliche Abschnitt der Führungskurve bestimmt den Kolbenhub während eines Ausstoßtaktes. Der Verbrennungsmotor umfasst weiterhin Koppelelemente, welche jeweils an dem einen oder den mehreren Kolben befestigt sind und an der Führungskurve der Kurvenscheibe anschlagen, wodurch eine Führung des einen oder der mehreren Kolben über die Führungskurve der Kurvenscheibe ermöglicht ist. Ferner umfasst der Verbrennungsmotor Mittel zum Beaufschlagen des einen oder der mehreren Kolben mit einer Kraft in Richtung der Drehachse der Abtriebswelle, sodass die Kolben in den Ansaugtakten oder auch in nicht gezündeten Arbeitstakten zurück in Richtung der Abtriebswelle gezogen werden können. Diese Mittel können auch durch die Führungskurve selbst gebildet sein, wenn diese beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Formgebung der Kurvenscheibe die Länge des Kolbenhubes im Arbeitstakt begrenzbar ist. Der Kolbenhub im Arbeitstakt kann dabei in den Grenzen von 1/2 bis 3/4 des Kolbenhubs im Ansaugtakt begrenzt werden. Hierfür ist die Differenz zwischen dem zweiten radial maximalen Abstand und dem zweiten radial minimalen Abstand 1/2 bis 3/4 so groß wie die Differenz zwischen dem ersten radial maximalen Abstand und dem ersten radial minimalen Abstand.
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Ein Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Kurvenscheibe und den damit verbundenen verkürzten Kolbenhub im Arbeitstakt, der auf die Kurvenscheibe wirkende Druck erhöht wird. Der überschüssige Druck kann beispielsweise einem Turbolader zugeführt werden. Damit verbessert sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Motors. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch die spezielle Formgebung der Kurvenscheibe die Größe der Kurvenscheibe reduziert werden kann. Durch die reduzierte Größe. der Kurvenscheibe verringert sich somit auch die Motorgröße. Die Kurvenscheibe weist in der Regel eine unsymmetrische Form auf.
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Der bevorzugt ausgebildete dritte umfängliche Abschnitt der Führungskurve weist eine stetige Änderung von einem dritten radial minimalen Abstand zu einem dritten radial maximalen Abstand auf, entsprechend dieser der jeweilige Kolben während des Verdichtungstaktes geführt wird. Der bevorzugt ausgebildete vierte umfängliche Abschnitt der Führungskurve weist eine stetige Änderung von einem vierten radial minimalen Abstand zu einem vierten radial maximalen Abstand auf, entsprechend dieser der jeweilige Kolben während des Ausstoßtaktes geführt wird.
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Die Reihenfolge der vier umfänglichen Abschnitte der Führungskurve entlang der Führungskurve ist bevorzugt: erster umfänglicher Abschnitt, dritter umfänglicher Abschnitt, zweiter umfänglicher Abschnitt und vierter umfänglicher Abschnitt. Die vier umfänglichen Abschnitte der Führungskurve schließen sich bevorzugt aneinander an, wobei die umfänglichen Abschnitte der Führungskurve jeweils stetig ineinander übergehen. Daher ist der erste radial minimale Abstand bevorzugt identisch mit dem dritten radial minimalen Abstand. Der dritte radial maximale Abstand ist bevorzugt identisch mit dem zweiten radial maximalen Abstand. Der zweite radial minimale Abstand ist bevorzugt identisch mit dem vierten radial minimalen Abstand. Der vierte radial maximale Abstand ist bevorzugt identisch mit dem ersten radial maximalen Abstand.
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Der Verbrennungsmotor ist bevorzugt derart ausgebildet, dass alle vier Takte eines jeden der Kolben während genau einer vollständigen Umdrehung der Kurvenscheibe erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Unterschiedlichkeit der Differenz zwischen dem zweiten radial maximalen Abstand und dem zweiten radial minimalen Abstand zu der Differenz zwischen dem ersten radial maximalen Abstand und dem ersten radial minimalen Abstand ist bevorzugt dadurch gegeben, dass der zweite radial minimale Abstand größer als der erste radial minimale Abstand ist, während der zweite radial maximale Abstand und der erste radial maximale Abstand gleich groß sind.
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Die Kurvenscheibe ist bevorzugt über einen auf der Abtriebswelle befestigten Kurbelzapfen mit der Antriebswelle fest verbunden. Der Kurbelzapfen stellt einen Hebel dar, über welchen ein Drehmoment von der Kurvenscheibe auf die Abtriebswelle übertragen wird. Der Hebelarm des Kurbelzapfens liegt bevorzugt mit dem den zweiten radial maximalen Abstand aufweisenden oberen Totpunkt auf einer Geraden. Hierdurch sind die Hebelverhältnisse bei der Übertragung der Kraft von den Kolben auf die Abtriebswelle verbessert, sodass sich eine geringere Belastung der Komponenten ergibt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kurvenscheibe eine Aussparung auf. Die Abtriebswelle ist bei dieser Ausführung senkrecht durch die Aussparung hindurchragend angeordnet. Durch die Aussparung wird die Kurvenscheibe leichter. Außerdem verbessern sich die Hebelverhältnisse, insbesondere bei Ausführungsformen mit einem Kurbelzapfen.
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Die Aussparung ist bevorzugt derart ausgeführt, dass durch sie die Kurvenscheibe umfänglich teilweise geöffnet ist, wobei die umfängliche Öffnung innerhalb des ersten umfänglichen Abschnittes der Führungskurve ausgebildet ist. Hierdurch wird die während des Arbeitstaktes auf die Kurvenscheibe einwirkende Kraft insbesondere über denjenigen Teil der Kurvenscheibe auf den Kurbelzapfen geleitet, an welchem der zweite umfängliche Abschnitt der Führungskurve ausgebildet ist. Hierdurch sind die Hebelverhältnisse bei der Übertragung der Kraft von den Kolben auf die Abtriebswelle nochmals verbessert. Bei dieser Ausführungsform des Verbrennungsmotors sind die Mittel zum Beaufschlagen des einen oder der mehreren Kolben mit einer Kraft in Richtung der Drehachse der Abtriebswelle bevorzugt weiterhin zum Beaufschlagen des einen oder der mehreren Kolben mit einer Kraft entgegen der Drehachse der Abtriebswelle während des Ansaugtaktes ausgebildet, beispielsweise dadurch, dass sie eine Nut umfassen, in welcher ein Zapfen geführt ist, der durch die Nut sowohl in Richtung der Drehachse als auch entgegen dieser Richtung mit eine Führungskraft beaufschlagbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Verbrennungsmotor drei der Zylinder, welche um jeweils 120° zueinander versetzt um die Abtriebswelle herum angeordnet sind. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen können vier der Zylinder vorhanden sein, welche um jeweils 90° zueinander versetzt um die Abtriebswelle herum angeordnet sind. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Zylinderanzahlen erfolgen. Ausführungsformen mit mehr als vier Zylindern sind durchaus möglich.
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Von Vorteil ist es, wenn bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform sich die Arbeitstakte der benachbarten Zylinder teilweise überschneiden. Hierfür ist der Verbrennungsmotor so ausgebildet, dass beim Drehen der Kurvenscheibe immer zwei der Kolben über die Koppelelemente an den zweiten umfänglichen Abschnitt der Führungskurve anschlagen. Dadurch wird das abgegebene Drehmoment erheblich gleichförmiger in seiner Bewegung. Trotzdem sind nach einer vollen Umdrehung der Kurvenscheibe alle Takte jedes Kolbens ausgeführt. Bei dieser Ausführungsform ist der dem zweiten umfänglichen Abschnitt der Führungskurve zugeordnete Mittelpunktswinkel der Kurvenscheibe größer als der Quotient eines Vollwinkels geteilt durch die Anzahl der Kolben.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Koppelelemente mit den Kolben starr verbunden. Hierdurch verbessern sich die Winkelverhältnisse bei der Kraftübertragung auf die Kurvenscheibe.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Mittel zum Beaufschlagen der Kolben mit einer Kraft in Richtung der Drehachse der Abtriebswelle, d. h. zum Mitziehen der Kolben im Ansaugtakt bzw. bei nicht gezündetem Arbeitstakt Mitnehmer sind, wobei die Mitnehmer an der Abtriebswelle angeordnet sind. Die Mitnehmer stehen mit den Koppelelementen in Verbindung. Alternativ können bei anderen Ausführungsformen die Kurvenscheibe auf einer Scheibenfläche mit einer umlaufenden Führungsnut versehen werden. Die Koppelelemente sind in diesem Fall in der Führungsnut geführt, sodass die Führungsnut sowohl die Führungskurve als auch die Mittel zum Beaufschlagen der Kolben mit einer Kraft in Richtung der Drehachse der Abtriebswelle bildet. Auch auf diese Art ist sichergestellt, dass der Kolben beim Ansaugen bzw. im Schiebebetrieb, d. h. im nicht gezündeten Arbeitstakt, mitgenommen wird und nicht „hängenbleibt”.
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Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst der Verbrennungsmotor zwei oder mehrere der Zylinder, welche in einer Reihe gegenüber der Abtriebswelle angeordnet sind. Dabei kann die Kurvenscheibe durch eine entsprechende Breite zur Führung aller Kolben ausgebildet sein. Alternativ kann der Motor mehrere der Kurvenscheiben umfassen, welche auf der Abtriebswelle angeordnet sind und jeweils einen der Kolben führen.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1: eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
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2: eine Querschnittsansicht einer in 1 gezeigten Kurvenscheibe;
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3: einen an einer Abtriebswelle angeordneten Mitnehmer;
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4: eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
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5: eine seitliche Ansicht des in 4 gezeigten Verbrennungsmotors; und
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6: eine abgewandelte Ausführungsform einer in 4 gezeigten Kurvenscheibe.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor umfasst bei dieser Ausführungsform drei Zylinder 01, welche in einer gemeinsamen Ebene um jeweils 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Bei abgewandelten Ausführungsformen können beispielsweise auch zwei oder vier Zylinder zum Einsatz kommen. Jeder der Zylinder 01 befindet sich senkrecht zu einer Abtriebswelle 03. Die Zylinder 01 umfassen in bekannter Weise jeweils einen Hohlraum und einen darin gleitenden Kolben 05. Am Kolben 05 ist ein Koppelelement 07 befestigt, wobei vorzugsweise eine starre Verbindung zwischen dem Kolben 05 und dem Koppelelement 07 besteht. Das Koppelement 07 dient zur Kraftübertragung von und auf eine Kurvenscheibe 09. Infolge der starren Verbindung zwischen dem Kolben 05 und dem Koppelelement 07 verbessern sich die Winkelverhältnisse bei der Kraftübertragung auf die Kurvenscheibe 09. Das Koppelelement 07 ist an der Kurvenscheibe 09 reibungsarm gelagert. Hierzu kommt vorzugsweise ein Gleitlager (nicht gezeigt) zum Einsatz. Die Kurvenscheibe 09 besitzt eine unsymmetrische Form. In die Kurvenscheibe 09 ist vorzugsweise eine Aussparung 11 eingebracht. Die Abtriebswelle 03 ist durch diese Aussparung 11 hindurch geführt. Die Kurvenscheibe 09 ist über einen Kurbelzapfen 13 drehfest mit der Abtriebswelle 03 verbunden. Hierbei ist die Drehachse der Kurvenscheibe 09 axial mit der Abtriebswelle 03 ausgerichtet. An dieser Stelle soll auf 2 verwiesen werden, welche eine Querschnittsansicht der Kurvenscheibe 09 zeigt. Die Kurvenscheibe 09 ist derart geformt, dass infolge der Formgebung der Hub der Kolben 05 im Arbeitstakt begrenzbar ist. Der Kolbenhub im Arbeitstakt beträgt erfindungsgemäß von 1/2 bis 3/4 des Kolbenhubs im Ansaugtakt. An der Abtriebswelle 03 sind vorzugsweise Mitnehmer 15 (siehe 3) angeordnet, welche mit den Koppelelementen 07 in Verbindung stehen. Die Mitnehmer 15 drehen sich mit der Abtriebswelle 03 mit. Durch die mit den Koppelelementen 07 in Eingriff stehenden Mitnehmer 15 wird der Kolben 05 beim Ansaugen bzw. im Schiebebetrieb im nicht gezündeten Arbeitstakt mitgezogen. Bei anderen Ausführungen kann diese Funktionalität auch über einer in die Kurvenscheibe eingebrachte umlaufende Führungsnut realisiert werden. In dieser Führungsnut sind dann die Koppelelemente 07 geführt.
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Die Kurvenscheibe 09 weist auf ihrem äußeren Umfang eine Führungskurve 17 auf, welche in einen ersten Abschnitt 18, einen zweiten Abschnitt 19, einen dritten Abschnitt 21 und einen vierten Abschnitt 22 unterteilt ist. Der erste Abschnitt 18 bestimmt den Kolbenhub während eines Ansaugtaktes. Der dritte Abschnitt 21 bestimmt den Kolbenhub während eines Verdichtungstaktes. Der zweite Abschnitt 19 bestimmt den Kolbenhub während eines Arbeitstaktes. Der vierte Abschnitt 22 bestimmt den Kolbenhub während eines Ausstoßtaktes.
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Die ablaufenden Takte sind – abgesehen von der Kraftübertragung auf die Arbeitswelle – im Wesentlichen gleich mit denen eines herkömmlichen Verbrennungsmotors. Die Arbeitsweise lässt sich daher wie im Folgenden beschrieben zusammenfassen. Durch Druck auf den Kolben 05 in Zylinderachsenrichtung wird die Kraft über das Koppelelement 07 auf die Kurvenscheibe 09 übertragen. Unter dieser axialen Belastung dreht sich die Kurvenscheibe 09 und mit ihr die Abtriebswelle 03. Der Kolben 05 bewegt sich im Ansaugtakt durch die Führung des ersten Abschnittes 18 der Führungskurve 17 abwärts und im Zylinder 01 wird das Brennstoffgemisch angesaugt. Sobald der Kolben 03 einen unteren Totpunkt 23 mit einem ersten radial minimalen Abstand erreicht, ist der 1. Takt, der Ansaugtakt beendet. Es folgt das Verdichten des Brennstoffs im 2. Takt, dem Verdichtungstakt. Der Kolben 05 bewegt sich durch die Führung des dritten Abschnittes 21 der Führungskurve 17 nach oben, wobei es sich immer weiter von der Drehachse der Kurvenscheibe 09 entfernt. Die Zündung im 2. Takt an einem oberen Totpunkt 24 mit einem zweiten radial maximalen Abstand bewirkt einen Druckanstieg im Verbrennungsraum, wobei der Kolben 05 im sich anschließenden 3. Takt, dem Arbeitstakt, in welchem er durch den zweiten Abschnitt 19 der Führungskurve 17 geführt wird, in Richtung eines unteren Totpunktes 26 mit einem zweiten radial minimalen Abstand beschleunigt wird. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik vorbekannten Lösungen entspricht der untere Totpunkt 23 im Ansaugtakt nicht dem unteren Totpunkt 26 im Arbeitstakt. Infolge der Formgebung der Kurvenscheibe 09 ist der untere Totpunkt 26 im Arbeitstakt weiter von der Drehachse der Kurvenscheibe 09 entfernt als der untere Totpunkt 23 im Ansaugtakt. Der Kolbenhub im Arbeitstakt ist somit kürzer als der Kolbenhub im Ansaugtakt. Bei einem Kolbenhub von beispielsweise 50 mm im Ansaugtakt verkürzt sich der Kolbenhub im Arbeitstakt auf beispielsweise 30 mm. Erfindungsgemäß kann der Kolbenhub im Arbeitstakt auf 1/2 bis 3/4 des Kolbenhubs im Ansaugtakt verringert werden. Die erzeugte Druckkraft wird mit dem Koppelelement 07 an die Kurvenscheibe 09 weitergeleitet, bis der Kolben 05 den unteren Totpunkt 26 erreicht hat. Durch den verkürzten Kolbenhub im Arbeitstakt erhöht sich die auf die Kurvenscheibe 09 wirkende Druckkraft. Die überschüssige Druckkraft kann beispielsweise in einem Turbolader genutzt werden und somit den Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Motors verbessern. Im sich an den Arbeitstakt anschließenden 4. Takt, dem Ausstoßtakt, in welchem der Kolben 05 durch den vierten Abschnitt 22 der Führungskurve 17 geführt wird, wird ein Auslassventil (nicht gezeigt) geöffnet und durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 05 wird das Abgas aus dem Zylinder 01 geschoben. Am Ende des Ausstoßtaktes hat die Kurvenscheibe 09 gegenüber dem Kolben 05 einen oberen Totpunkt 27 mit einem ersten radial maximalen Abstand erreicht, welcher gleichzeitig den Beginn eines weiteren Ansaugtaktes bildet. Alle vier Takte sind realisiert mit einer vollen Umdrehung der Kurvenscheibe 09.
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Alternativ zu der zuvor beschriebenen einfachsten Betriebsform ist es, insbesondere bei der Verwendung von zwei Zylindern, vorteilhaft, wenn schon in der Endphase des Arbeitstaktes des ersten Zylinders die Anfangsphase des Arbeitstaktes des zweiten Zylinders beginnt. Dieser Fhasenversatz führt zu einem ruhigeren Lauf des Motors.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei für die sich gleichenden Merkmale dieselben Bezugsziffern verwendet sind. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Aussparung 11 nicht vollständig umfänglich durch die Führungskurve 17 auf dem Umfang der Kurvenscheibe 09 geschlossen, sondern innerhalb des ersten Abschnittes 18 der Führungskurve 17 geöffnet. Folglich ist der erste Abschnitt 18 der Führungskurve 17 nicht stetig ausgebildet. Daher wird die Führung des jeweiligen Kolbens 05 während des Ansaugtaktes teilweise durch die Mitnehmer 15 (gezeigt in 3 und 5) gewährleistet, wobei ein innerer Mitnehmer 28 (gezeigt in 3 und 5) verhindert, dass der jeweilige Kolben 05 bereits zu Beginn des Ansaugtaktes maximal aus dem Zylinder 01 herausgezogen bzw. herausgeschoben wird.
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5 zeigt eine seitliche Ansicht des in 4 gezeigten Verbrennungsmotors. Diese Ansicht liegt in der Drehachse der Abtriebswelle 03, sodass die Kurvenscheibe 09 im Querschnitt als Rechteck dargestellt ist. Beidseitig neben der Kurvenscheibe 09 befinden sich die Mitnehmer 15 und die inneren Mitnehmer 28, welche mit Zapfen 29 am Kolben 01 zusammenwirken. Am Kolben 01 sind weiterhin Anschlagstangen 31 befestigt, welche gegen unbewegliche Endanschläge 32 anschlagen, wenn sich der Kolben 01 in einer obersten zulässigen Position bzw. in einer untersten zulässigen Position befindet, wodurch der zulässige Hub des Kolben 01 bestimmt wird.
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6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in 4 gezeigten Kurvenscheibe 09. Bei dieser Ausführungsform weist die Kurvenscheibe 09 Schlitze 33 auf, welche sich vom äußeren Umfang der Kurvenscheibe 09, insbesondere vom Bereich des zweiten Abschnittes 19 der Führungskurve 17 in Richtung des Kurbelzapfens 13 erstrecken und an einem Kraftübertragungsbereich 34 der Kurvenscheibe 09 enden. Der Kraftübertragungsbereich 34 dient der Übertragung von Kräften innerhalb der Kurvenscheibe 09 in Richtung der Befestigung der Kurvenscheibe 09 am Kurbelzapfen 13. Der Kraftübertragungsbereich 34 erstreckt sich am Rand der Aussparung 11. In den Schlitzen 33 sind Stege angeordnet, um die Kurvenscheibe 09 im Bereich der Schlitze 33 mechanisch zu stabilisieren. Die Schlitze 33 bewirken durch ihre Ausrichtung in Richtung des Kurbelzapfens 13 eine optimale Verteilung der von den Kolben 05 (gezeigt in 4) auf die Kurbelscheibe 09 einwirkenden Kräfte innerhalb der Kurvenscheibe 09.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Zylinder
- 02
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- 03
- Abtriebswelle
- 05
- Kolben
- 06
- -
- 07
- Koppelelemente
- 08
- -
- 09
- Kurvenscheibe
- 10
- -
- 11
- Aussparung in der Kurvenscheibe
- 12
- -
- 13
- Kurbelzapfen
- 14
- -
- 15
- Mitnehmer
- 16
- -
- 17
- Führungskurve
- 18
- erster Abschnitt der Führungskurve
- 19
- zweiter Abschnitt der Führungskurve
- 20
- -
- 21
- dritter Abschnitt der Führungskurve
- 22
- vierter Abschnitt der Führungskurve
- 23
- unterer Totpunkt am Ende des Ansaugtaktes
- 24
- oberer Totpunkt am Beginn des Arbeitstaktes
- 25
- -
- 26
- unterer Totpunkt am Ende des Arbeitstaktes
- 27
- oberer Totpunkt am Beginn des Ansaugtaktes
- 28
- innerer Mitnehmer
- 29
- Zapfen
- 30
- -
- 31
- Anschlagstange
- 32
- Endanschlag
- 33
- Schlitze
- 34
- Kraftübertragungsbereich
- 35
- -
- 36
- Stege
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 215605 A1 [0003]
- DE 102008002100 A1 [0004]
