DE102011112653A1

DE102011112653A1 - Hubkolbenmaschine, vorzugsweise der Bauart Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011112653A1
Application number: DE102011112653A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wittwer
Original assignee: Neander Motors AG
Current assignee: Neander Motors AG
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Diese Hubkolbenmaschine, vorzugsweise der Bauart Brennkraftmaschine umfasst wenigstens einem in einer Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses hin und her bewegbaren Hubkolben, der unter Vermittlung von zwei Pleueln mit zwei Kurbelwellen zusammenwirkt, welche Kurbelwellen über Synchronisationszahnräder in entgegen gesetzten Drehrichtungen rotieren, wobei eine Wandstruktur eines Schmieröl für die Brennkraftmaschine enthaltenden Kurbelraums umgibt Um diese Hubkolbenmaschine zu optimieren, wird durch Rotationsbewegungen der Kurbelwellen in die entgegen gesetzten Drehrichtungen Schmieröl in Ölrückführöffnungen, die zumindest in einer Kurbelraumwand des Kurbelraums angeordnet sind, gefördert, von wo aus das Schmieröl in ein vom Zylindergehäuse getrenntes z. B. mit einer Ölpumpe versehenes Ölgehäuse gelangt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine, vorzugsweise der Bauart Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist eine auch als Brennkraftmaschine betreibbare Hubkolbenmaschine bekannt, FR 1 011 422 , die zwei parallel zueinander verlaufende Kurbelwellen umfasst. Die Kurbelwellen wirken über Synchronisationszahnräder derart zusammen, dass letztere sich gegenläufig drehen und mit jeweils einem Pleuel unter Zwischenschaltung einer Verbindungsstange mit einem Hubkolben verbunden sind. Der Hubkolben wird in einer Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses hin und her bewegt. Das Zylindergehäuse ist an ein Kurbelgehäuse angeschlossen, das ein Oberteil mit trapezförmiger und ein Unterteil mit trogförmiger Gestalt aufweist. Das Oberteil und das Unterteil sind in einer Ebene zusammengesetzt, die Drehachsen der Kurbelwellen einschließt. Gehäusewände des Oberteils und des Unterteils begrenzen einen Raum, der die Kurbelwellen umgibt.
Aus der DE 197 31 934 B4 geht eine Hubkolbenbrennkraftmaschine hervor, die einen in einer Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses sich bewegenden, mit zwei Pleueln gekoppelten Hubkolben aufweist. Diese Pleuel stehen mit zwei parallelen, sich gegensinnig drehenden Kurbelwellen in Wirkverbindung. Ein im Querschnitt sich nach oben hin verjüngendes Kurbelgehäuse trägt das Zylindergehäuse und umgibt einen Kurbelraum, in dem die Kurbelwellen rotieren.
Die DE-OS 1 567 361 strebt an, Planscharbeit in einem Schmiermittel-Sumpf einer Brennkraftmaschine mit Trockensumpfschmierung zu vermeiden. Hierzu ist in einem Kurbelgehäuse-Unterteil der Brennkraftmaschine zwischen dem Schmiermittel-Sumpf und drehenden Maschinenteilen – Kurbelwelle – ein flüssigkeitsdurchlässiger Zwischenboden angeordnet. Im Bereich des Zwischenbodens ist eine Mündung zur Absaugung des Schmieröls vorgesehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung in einem Kurbelraum einer Hubkolbenmaschine, vorzugsweise der Bauart Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Hubkolben, zwei Pleueln und zwei in entgegen gesetzten Drehrichtungen rotierenden Kurbelwellen solche Vorkehrungen zu treffen, dass Schmieröl für die Brennkraftmaschine gezielt und Leistungsverluste reduzierend abgeführt wird.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, dass in dem Kurbelraum der Brennkraftmaschine mit zwei gegenläufigen Kurbelwellen und zwei Pleueln je Hubkolben Vorkehrungen in Gestalt von Rückführöffnungen vorgesehen sind, über die dank der Rotationen der Kurbelwellen funktionsgerecht Schmieröl in das nachgeordnete mit der Ölpumpe versehene Ölgehäuse gefördert wird. Aufgrund der Kurbelwellenrotationen und den wirkungsoptimiert angebrachten Ölrückführöffnungen werden signifikante Leistungsverluste, hervorgerufen durch Planscharbeit im Kurbelraum, gerade bei einer Brennkraftmaschine mit gegenläufigen Kurbelwellen, deutlich reduziert. Unterstützt wird dies auch noch durch die Gegengewichte der beiden Kurbelwellen. Hervorzuheben in diesem Zusammenhang ist die Konstruktion der Gegengewichte, die nach Art von Kreissektoren mit den Kreissektorbögen und den Kreisradiusseiten ausgebildet sind, welche Konstruktion zur effektiven Abführung des Schmieröls aus dem Kurbelraum beiträgt. Vorteilhaft ist, wenn die Ölrückführöffnungen benachbart von den Gehäusewänden angebracht sind, und zwar in der Weise, dass die beiden Gegengewichte der beiden Kurbelwellen Schmieröl in die Ölrückführöffnungen bewegen. Musterhaft ist, dass benachbart der Gehäusewänden des Kurbelraums, und zwar mit gleichem Abstand zu der Längsmittelachse der Zylinderbohrung und in der Nähe von Bodenwandabschnitten die ersten Ölrückführöffnungen eingearbeitet sind, wobei beabstandet zu den ersten Ölrückführöffnungen zweite Rückführöffnungen relativ Nahe an den Gehäusewänden vorgesehen sind. Beispiel gebend ist, dass in Drehrichtung der Kurbelwellen betrachtet die vorderen Kreiradiusseiten der Gegengewichte Schmieröl in die ersten und die zweiten Ölrückführöffnungen fördern, wobei die Kreissektoren der Kurbelwellen zeitweise die ersten Ölrückführöffnungen überdecken und die Kreisbögen mit definiert geringem Abstand an den zweiten Ölrückführöffnungen vorbeigeführt werden. Wirkung optimierend sind darüber hinaus die dritten Ölrückführöffnungen. Ein ausgeklügelte technische Lösung wird erreicht, wenn die zweiten Ölückführöffnungen zumindest teilweise von den im Querschnitt U-förmigen Steuerabschnitten umgeben werden, wovon äußere Schenkel in die Gehäusewandabschnitte integriert sind und die inneren Schenkel nach Art von Rippen zu den Kreissektorbögen der Kreissektoren hin gerichtet sind. Schließlich wirkt funktionsunterstützend, wenn die Enden der Stege mit relativ geringem Abstand an diese Kreissektorbögen herangeführt sind.
In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das nachstehend näher erläutert wird.
Es zeigen
1 eine schematische Brennkraftmaschine mit zwei Kurbelwellen und einem von zwei Pleueln betätigten Kolben,
2 einen Teillängsschnitt der Brennkraftmaschine in Einbaulage, die bspw. als Außenbordmotor zum Antrieb eines Schiffs dient,
3 einen Teilquerschnitt der Brennkraftmaschine nach 2, jedoch um 180° gedreht.
Eine Hubkolbenmaschine 1, die bspw. als Viertakter Brennkraftmaschine im Diesel oder Ottobetrieb arbeitet und für den Außenbordantrieb von Schiffen geeignet ist, umfasst wenigstens einen Hubkolben 2, der in einer Zylinderbohrung 3 mit einer Mittellängsachse 4 hin und her bewegbar ist, und er durchläuft einen oberen Totpunkt und einen unteren Totpunkt. Der Hubkolben 2 ist unter Vermittlung eines ersten Pleuels 5 und eines zweiten Pleuels 6 mit einer ersten Kurbelwelle 7 und einer zweiten Kurbelwelle 8 gekoppelt. In ein Zylindergehäuse Zyg, das einen Zylinderkopf Zyk mit Gaswechsel steuernden Einlassventilen Ev und Auslassventilen AV besitzt, ist die Zylinderbohrung 3 eingearbeitet. Gemäß 2 umfasst die Brennkraftmaschine zwei übereinander liegende Zylinder ZI und ZII, wobei die dort nicht dargestellten Kurbelwellen 7 und 8 aufrecht stehen.
Die Pleuel 5 und 6 stehen über Kolbenbolzenlager 9 und 10 mit dem Hubkolben 2 in Wirkverbindung. Die Kolbenbolzenlager 9 und 10 verlaufen mit Abständen AsI und AsII zur Mittellängsachse 4 der Zylinderbohrung 3 bzw. dem Hubkolben 2, die gleich oder unterschiedlich sein können. An den parallel zueinander ausgerichteten ersten und zweiten Kurbelwellen 7 und 8 sind die Pleuel 5 und 6 mittels Hubzapfenlagern 11 und 12 gelenkig angebracht.
Die Kurbelwellen 7 und 8 sind beispielsweise benachbart von Endbereichen Eb1 und Eb2 mit Synchronisationszahnrädern 13 und 14 versehen – 1 –, die miteinander kämmen, eine Art Stirnradgetriebe 15 bilden und die beiden Kurbelwellen 7 und 8 synchron, jedoch in entgegen gesetzte Drehrichtungen Dr1 und Dr2 bewegen. Der Hubkolben 2, die Pleuel 5 und 6 und die Kurbelwellen 7 und 8 stellen einen Kurbeltrieb 16 der Hubkolbenmaschine 1 dar. In die Kurbelwellen 7 und 8 integriert sind Kurbelzapfen 17 und 18 mit Kurbelzapfenmittelachsen 19 und 20 sowie Wellenzapfen 21 und 22 mit Wellenzapfenmittelachsen 23 und 24. Zwischen den Kurbelzapfenmittelachsen 19 und 20 erstrecken sich radiale Verbindungsebenen 25 und 26.
Zu den Kurbelzapfen 17 und 18 der Kurbelwellen 7 und 8 um bspw. 180° winkelversetzt angebracht sind Kurbelwangen 27 und 28 und Gegengewichte 29 und 30 vorgesehen. In Richtung der Stirnseiten der Kurbelwellen 7 und 8 betrachtet besitzen die Gegengewichte 29 und 30 die Form von Kreissektoren 31 und 32. Jeder Kreissektor z. B. 31 wird von einem Kreissektorbogen 33 und in Drehrichtung Dr1 und Dr2 betrachtet eine vordere Kreisradienseiten 34 und eine hintere Kreisradienseite 35 begrenzt. Ein Schnittpunkt 36 der Kreisradienseiten 34 und 35 und des Kreissektorbogens 33 liegt auf der Wellenzapfenmittelachse 23 der Kurbelwelle 7; ein entsprechender Schnittpunkt 36 auf der Wellenzapfenmittelachse 24 der Kurbelwelle 8. Die Form und das Gewicht der Gegengewichte 27 und 28 lassen sich unter Berücksichtigung von Parametern der Hubkolbenmaschine 1 – z. B. Hub, Pleuellänge, Abstand der Kurbelwellen zueinander, Drehzahl oder dgl. – iterativ und/oder rechnerisch festlegen.
Die Kurbelwellen 7 und 8 sind in einem Kurbelraum 37 gelagert, der im Wesentlichen durch ein mit dem Zylindergehäuse Zyg verbundenes Gehäuseoberteil 38 und ein Gehäuseunterteil 39 umfasst. Das Gehäuseoberteil 38 und das Gehäuseunterteil 39 sind in einer Ebene 40 zusammengesetzt, die die Wellenzapfenmittelachsen 23 und 24 der Kurbelwellen 7 und 8 einschließt und senkrecht zur Mittellängsachse 3 ausgerichtet ist.
Aufgrund von Rotationsbewegungen in die entgegen gesetzten Drehrichtungen Dr1 und Dr2 wird Schmieröl, das nach erfolgter Schmierleistung über das Zylindergehäuse Zyg und den Zylinderkopf Zyk in den Kurbelraum 37 gelangt, unter Vermittlung von Ölrückführungsbohrungen 41, 42, 43, 44, 45 und 46 – siehe Pfeilangabe Pa1, Pa2 und Pa3 – aus dem Kurbelraum 37 abgeführt – 2; siehe Pfeilangabe Pa4 –. Besagtes Schmieröl wird dazu in einen einen Ölstand Öst aufweisenden Ölbehälter 47 geleitet, in dem eine Ölpumpe 48 arbeitet. Ein Hüllrohr 49 durchdringt den Ölbehälter 47, welches Hüllrohr 48 eine Antriebswelle 50 für eine nicht näher dargestellte Schiffsschraube umgibt. Darüber hinaus sind erste und zweite Ölrückführöffnungen 41 und 42 bzw. 43 und 44 benachbart von in Längsrichtung der Kurbelwellen 7 und 8 ausgerichteten Gehäusewänden 51 und 52 bzw. 53 und 54 des Gehäuseunterteils 39 bzw. des Gehäuseoberteils 38 vorgesehen. Die ersten und zweiten Gegengewichte 29 und 30 unterstützen die Steuerung von Schmieröl in die Ölrückführöffnungen 41, 42, 43, 44, 45 und 46, die in eine oder mehrere Querwände Qw, angeordnet zwischen dem Gehäuseoberteil 38 und dem Gehäuseunterteil 39, eingearbeitet sind. Die Querwände Qw sind mit Kurbelwellenlagern für die Wellenzapfen 21 und 22 versehen, und beiderseits der Querwände Qw drehen sich die die Gegengewichte 29 und 30 der Kurbelwellen 7 und 8. Die ersten Ölrückführbohrungen 41 und 42 sind benachbart der Gehäusewänden 51 und 52 angeordnet, will heißen beiderseits der Mittellängsachse 4 der Zylinderbohrung 3 und in der Nähe von Bodenabschnitten 57 und 58 des Gehäuseunterteils 39. Mit vertikalem Abstand Abs zu den ersten Ölrückführöffnungen 41 und 42 sind die zweiten Ölrückführbohrungen 43 und 44 relativ nahe an den Gehäusewänden 51 und 52 des Gehäuseoberteils 38 vorgesehen. Darüber hinaus sind dritte Ölrückführöffnungen 43 und 46 benachbart der zweiten Ölrückführöffnungen 42 und 45 wirksam, die beiderseits der Mittellängsachse 4 der Zylinderbohrung 4 angeordnet sind In Drehrichtung Dr1 und Dr2 der Kurbelwellen 7 und 8 betrachtet fördern die vorderen Kreisradiusseiten 34 und 34' der Gegengewichte 29 und 30 Schmieröl zumindest in die ersten und die zweiten Ölrückführungsöffnungen 41, 42 bzw. 43, 44. Dabei überdecken wenigstens bereichsweise durch die Rotationen der Kurbelwellen 7 und 8 die Kreissektoren 31 und 32 der Gegengewichte 29 und 30 die ersten Ölrückführöffnungen 42 und 43 zeitweise, und die Kreissektorbögen 33, 33' der Kreissektoren 31 und 32 werden mit geringem Abstand an den unteren Bodenabschnitten 57 und 58 des Gehäuseunterteils 39 bzw. Gehäusewänden 51 und 52 des Gehäuseunterteils 39 und Gehäusewänden 53 und 54 des Gehäuseoberteils 38 vorbeigeführt.
Die zweiten Ölrückführöffnungen 43 und 44 werden zumindest teilweise von im Querschnitt U-förmigen Steuerelementen 55 und 56 umgeben, deren äußere Schenkel 59 und 60 in die Gehäusewände 51 und 52 des Gehäuseoberteils 38 integriert sind. Dagegen sind innere Schenkel 61 und 62, die von den Gehäusewänden 51 und 52 weggeführt sind, nach Art von Rippen ausgeführt und zu den Kreisbögen 33 und 33' der Kreissektoren 31 und 32 hin gerichtet, dergestalt, dass zwischen Enden der inneren Schenkel 61 und 62 und den Kreisbögen 33 und 33' ein relative geringer Spalt verbleibt und die inneren Schenkel 61 und 62 als Ölhobel arbeiten.
Die Ölrückführöffnungen 41 42, 43, 44, 45 und 46 können kreisartiger, elliptischer, vieleckiger oder andersartiger Form sein. Im Ausführungsbeispiel weisen die ersten und dritten Ölrückführöffnungen 41, 42 bzw. 45, 46 eine elliptische Form auf. Bei den ersten Ölrückführöffnungen 41 und 42 steht die längere Achse der jeweiligen Ellipse aufrecht; die längere Achse der dritten Ölrückführungsöffnungen 45 und 46 verläuft hingegen geneigt zur Mittellängsachse 4 der Zylinderbohrung 3, und zwar in der Weise, dass der obere Bereich der Ellipsen näher an der Mittellängsachse 4 liegt als deren unterer Bereich. Schließlich sind die Durchtrittsflächen der ersten Ölrückführöffnungen 41 und 42 und der dritten Ölrückführöffnungen 44 und 46 größer als die der zweiten Ölrückführöffnungen 43 und 44.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 1011422 [0002]
DE 19731934 B4 [0003]
DE 1567361 [0004]

Claims

Hubkolbenmaschine, vorzugsweise der Bauart Brennkraftmaschine mit wenigstens einem in einer Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses hin und her bewegbaren Hubkolben, der unter Vermittlung von zwei Pleueln mit zwei Kurbelwellen zusammenwirkt, welche Kurbelwellen über Synchronisationszahnrädern in entgegen gesetzte Drehrichtungen rotieren, wobei eine Wandstruktur eines Schmieröl für die Brennkraftmaschine enthaltenden Kurbelraums umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass durch Rotationsbewegungen der Kurbelwellen (7 und 8) in die entgegen gesetzten Drehrichtungen (Dr1 und Dr2) Schmieröl in Ölrückführöffnungen (41, 42, 43. 44, 45 und 46) gefördert wird, die zumindest in einer Kurbelraumwand (Querwand Qw) des Kurbelraums (37) vorgesehen sind, von wo aus das Schmieröl in einen vom Zylindergehäuse (Zyg) getrennten z. B. mit eine Ölpumpe (4) versehenen Ölbehälter 47) gelangt.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwellen (7 und 8) mit ersten und zweiten Gegengewichten (29 und 30) versehen sind, die zur gezielten Förderung des Schmieröls in die Ölrückführöffnungen (41, 42, 43, 44 45 und 46) beitragen.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – von den Stirnseiten der Kurbelwellen (7 und 8) aus betrachtet – die Gegengewichte (29 und 30) winkelversetzt zu Kurbelzapfen (17 und 18) der Kurbelwellen (7 und 8) angeordnet sind, nach Art von Kreissektoren (31 und 32) ausgebildet sind, welche Kreissektoren (31 und 32) von Kreissektorbögen (33 und 33') und von in Drehrichtungen (Dr1 und Dr2) der Kurbelwellen (7 und 8) aus gesehen vordere Kreisradienseiten (34 und 34') und hinteren Kreisradienseiten (35 und 35') begrenzt werden.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius (R) des Kreissektorbogens (33; 33') und Kreisradienseiten (35 und 35') eines jeden Kreissektors (31; 32) einen Schnittpunkt (36; 36') aufweisen, der auf einer Wellenzapfenmittelachse (23; 24) eines Wellenzapfens (21; 22) der zugehörigen Kurbelwelle (7; 8) liegt.
Hubkolbenmotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölrückführöffnungen (41, 42, 43 und 44) benachbart von in Längsrichtung der Kurbelwellen (7 und 8) ausgerichteten Gehäusewänden (51; 52 und 53; 54) angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Gegengewichte (29 und 30) der Kurbelwellen (7 und 8) Schmieröl in die Ölrückführöffnungen (41; 42, 43 und 44) fördern.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart den Gehäusewänden (51 und 52) des Gehäuseoberteils (38) des Kurbelraums (37) beiderseits einer Mittellängsachse (4) der Zylinderbohrung (3) und in der Nähe von Bodenwandabschnitten (51 und 52) erste Ölrückführöffnungen (41 und 42) angeordnet sind, wobei mit Abstand zu den ersten Ölrückführöffnungen (41 und 42) zweite Ölrückführöffnungen (43 und 44) relativ nahe den Gehäusewänden (53 und 54) des Gehäuseoberteils (38) vorgesehen sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart der zweiten Ölrückführöffnungen (43 und 44) beiderseits der Mittellängsachse (4) der Zylinderbohrung (3) dritte Ölrückführöffnungen (45 und 46) vorgesehen sind.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Drehrichtung (Dr1 und Dr2) der Kurbelwellen (7 und 8) betrachtet die vorderen Kreisradiusseiten (34; 34') der Gegengewichte (29 und 30) Schmieröl zumindest in die ersten und zweiten Ölrückführöffnungen (41; 42) fördern, wobei durch die Rotationen der Kurbelwellen (7 und 8) zeitweise die Kreissektoren (31 und 32) der Gegengewichte (29 und 30) die ersten Ölrückführöffnungen (41 und 42) überdecken und die Kreissektorbögen (33 und 33') mit definiert geringem Abstand an den zweiten Rückführöffnungen (43 und 44) vorbeigeführt werden.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Ölrückführöffnungen (43 und 44) zumindest teilweise von im Querschnitt U-förmigen Steuerelementen (55 und 56) umgeben werden, deren äußere Schenkel (59) in die Gehäusewände (53 und 54) des Gehäuseoberteils (38) integriert sind, wogegen innere Schenkel (61 und 62) nach Art von Rippen ausgeführt sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Enden der inneren Schenkel (61 ubd 62) mit relativ geringem Abstand an die Kreissektorbögen (33 und 33') der Gegengewichte (29 und 39) herangeführt sind.
Hubkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölrückführöffnungen (41, 42, 43, 44, 45 und 46) kreisartige, elliptische oder vieleckige Formen aufweisen.
Hubkolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ölrückführöffnungen (41 und 42) sowie die dritten Ölrückführöffnungen (45 und 46) eine elliptische Form und die zweiten Ölrückführöffnungen (43 und 44) eine kreisartige Form besitzen.
Hubkolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsflächen der ersten Ölrückführöffnungen (41 und 42) und der dritten Ölrückführöffnungen (45 und 46) größer sind als die Durchtrittsflächen der zweiten Ölrückführöffnungen (43 und 44).