DE10348345B4

DE10348345B4 - Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10348345B4
Application number: DE2003148345
Authority: DE
Inventors: Rupert Baindl; Willi Rüfenacht
Original assignee: NEANDER MOTORFAHRZEUGE GmbH; NEANDER-MOTORFAHRZEUGE GmbH
Current assignee: Neander Motors GmbH
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2023-10-18
Also published as: WO2005038197A1; DE10348345A1

Abstract

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit
– zumindest zwei in Reihe angeordneten Zylindern (2), in denen jeweils ein Hubkolben (1, 9) hin und her bewegbar vorgesehen ist,
– einer ersten Kurbelwelle (4),
– einer zweiten Kurbelwelle (6),
– wobei die erste und die zweite Kurbelwelle (4, 6) zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen,
– wobei die Drehachsen (X, X') der beiden Kurbelwellen (4, 6) zu einer gemeinsamen Zylinder-Mittelebene (Z) parallel verlaufen und bezüglich dieser seitlich versetzt sind,
– wobei jedem Hubkolben (1; 9) ein erstes und ein zweites Pleuel (3, 5; 7, 8) derart zugeordnet sind,
– daß das erste Pleuel (3; 7) mit seinem ersten Ende schwenkbar am Hubkolben (1; 9) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (40; 45) der ersten Kurbelwelle (4) drehbar gelagert ist und
– daß das zweite Pleuel (5; 8) mit seinem ersten Ende schwenkbar am Hubkolben...

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine ist aus der WO 97/22785 A1 bekannt. Dabei handelt es sich um einen Doppelkurbelwellenmotor mit zwei Zylindern und zwei Kolben, die als sogenannter Twin angeordnet sind. Die Kurbelwelle weist dabei einen klassischen Aufbau mit drei Kurbelwellenlagern und zwei dazwischen gelegenen Pleuellagern auf.
Die US 5,870,979 A offenbart einen Zweizylinder-Doppelkurbelwellenmotor, bei welchem die Lagerung der Pleuel an der zugeordneten Kurbelwelle an Pleuellagerabschnitten der jeweiligen Kurbelwelle erfolgt, deren Achsen um 180° versetzt sind. Die Kurbelwelle selbst ist in klassischer Form in Axialrichtung außerhalb der Pleuellagerabschnitte im zugeordneten Motorgehäuse gelagert.
Eine weitere Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Doppelkurbelwellen ist aus der DE 30 00 531 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Hubkolben-Brennkraftmaschine sind die Kurbelzapfen, die benachbarten Zylinder-Kolben-Anordnungen zugeordnet sind, in Umfangsrichtung der Kurbelwelle zueinander versetzt angeordnet, so daß die bewegten Massen einer jeden Kolben-Zylinder-Anordnung nicht im Gleichlauf sind. Bei dieser bekannten Hubkolben-Brennkraftmaschine sollen durch die Anordnung von zwei parallelen Kurbelwellen Kippmomente im Kolben und damit die Kolbenreibung im Zylinder reduziert werden und gleichzeitig sollen die oszillierenden Massenkräfte herabgesetzt werden. Diese Herabsetzung der Massenkräfte trifft beim Stand der Technik jedoch nur für die Massenkräfte erster Ordnung zu.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Kolben-Brennkraftmaschine anzugeben, die bei kompakten Abmessungen und hoher Laufruhe eine hohe spezifische Leistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung ist im Bereich der axialen, stirnseitigen Enden der Kurbelwellen jeweils ein Kurbelzapfen vorgesehen und die Kurbelwellen sind jeweils an beiden axialen Enden als Stirnkurbelwellen ausgebildet, wobei in Axialrichtung zwischen den Kurbelzapfen zumindest ein Lagerabschnitt auf der jeweiligen Kurbelwelle gebildet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht den sehr kompakten Aufbau des Motors.
Durch diese besondere Bauweise wird eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit geringen Einbauabmessungen geschaffen. Die Reihenmotor-Bauweise mit gleichlaufenden Kolben und der Doppel-Kurbelwellen-Anordnung sorgt für einen wirksamen Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung und somit für einen ruhigen Motorlauf.
In einer bevorzugten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine sind die Pleuel am jeweiligen Kolben derart gelagert, daß die jeweiligen Lager in Bezug auf die parallel zu den Achsen der Kurbelwellen verlaufende Zylinder-Mittelebene seitlich versetzt sind. Diese Ausgestaltung sorgt dafür, daß die Kolben-Kippkräfte noch weiter reduziert werden und so eine noch höhere Laufruhe erzielt wird. Auch kann durch diese Ausgestaltung die Höhe des Kolbens und damit dessen Masse sehr stark reduziert werden, so daß Kolben aus temperaturfesterem, wenn auch schwererem Material gewählt werden können, wodurch wiederum die Verbrennungstemperatur und damit die spezifische Leistung des Motors erhöht werden können.
Weiter vorzugsweise ist zumindest eine der Kurbelwellen im Bereich zwischen den stirnseitigen Kurbelzapfen mit Antriebskraft-Übertragungselementen zum Antrieb von Steuereinrichtungen und/oder von Hilfseinrichtungen versehen.
In dieser Ausführungsform dient der Zwischenraum zwischen den stirnseitigen Kurbelzapfen nicht nur zur Lagerung der Kurbelwelle, sondern in ihm sind auch Antriebskraft-Übertragungselemente vorgesehen, die bei herkömmlichen Motoren an der Kurbelwelle außerhalb des Kurbeltriebs angebracht sind. Derartige Antriebskraft-Übertragungselemente können beispielsweise zum Antrieb von Ventilsteuerungen, beispielsweise Nockenwellen, oder zum Antrieb von Hilfseinrichtungen, wie einer Ölpumpe oder einer Hydraulikpumpe oder einem Kompressor dienen.
Vorzugsweise stehen die Kurbelwellen über Zahnräder mit einander in Eingriff. Eine derartige Kopplung der Kurbelwellen dient nicht nur der Synchronisation, sondern überträgt außerdem die an den jeweiligen Kurbelwellen anliegenden Arbeits-Drehmomente, welche beispielsweise an einem Zahnrad einer Kurbelwelle durch ein weiteres Abtriebszahnrad über eine Abtriebswelle abgeführt werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Hubkolben-Brennkraftmaschine zwei Zylinder auf. Diese Ausführungsform gestattet einen besonders kompakten Aufbau einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine mit hoher Laufruhe und hoher spezifischer Leistung.
Vorzugsweise ist die Hubkolben-Brennkraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet.
Bevorzugt wird weiterhin, wenn die Hubkolben-Brennkraftmaschine nach dem Viertaktverfahren arbeitet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
1 eine teilweise geschnittene schematische Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine,
2 eine Seitenansicht eines Kurbeltriebs einer Zweizylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung in Richtung des Pfeils II in 1 und
3 ein perspektivische Ansicht des Kurbeltriebs aus 2.
In 1 ist eine schematische teilweise geschnittene Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine gezeigt. Ein Hubkolben 1 ist in der Bohrung 20 eines mit einem Zylinderkopf 24 versehenen Zylinders 2 entlang einer Zylinderachse A hin- und herbewegbar aufgenommen. Der Kolben 1 ist in herkömmlicher Weise mit einer Mehrzahl von Kolbenringen 10 gegen die Zylinderbohrung 20 abgedichtet. Von der Bohrung 20 und dem Hubkolben 1 wird in herkömmlicher Weise ein Brennraum 22 begrenzt, in dem die Verbrennung des Kraftstoffgemisches stattfindet. Die üblicherweise im Zylinderkopf 24 vorgesehenen Einlaßventile, Auslaßventile, Zündkerze oder Glühkerze und Einspritzvorrichtung sind nicht im einzelnen dargestellt, da sie der dem Fachmann allgemein bekannten Technologie entsprechen.
An seinem vom Brennraum 22 abgewandten Ende ist der Kolben 1 mit einem Kolbensteg 12 versehen, an dem bezüglich der Zylinderachse A seitlich zueinander versetzt zwei Pleuellager 14, 16 vorgesehen sind.
Am ersten Pleuellager 14 ist ein erstes Pleuel 3 mit einem an seinem ersten Ende vorgesehenen Pleuelauge 30 schwenkbar angebracht. Am anderen Ende des Pleuels 3 ist ein weiteres Pleuelauge 32 vorgesehen, welches auf einem ersten Kurbelzapfen 40 einer ersten um eine Achse X rotierbaren Kurbelwelle 4 drehbar gelagert ist.
In gleicher Weise ist am zweiten Pleuellager 16 des Kolbens 1 ein zweites Pleuel 5 mit einem ersten Pleuelauge 50 schwenkbar gelagert. Das Pleuel 5 ist mit einem an seinem anderen Ende vorgesehenen weiteren Pleuelauge 52 drehbar auf einem ersten Kurbelzapfen 60 einer zweiten um eine Achse X' rotierbaren Kurbelwelle 6 gelagert.
Die beiden Kurbelwellen 4 und 6 stehen über Zahnräder 42 und 62 miteinander kämmend in Eingriff. Dieser Eingriff der Zahnräder 42, 62 sorgt für einen gegenläufig synchronen Umlauf der Kurbelwellen 4, 6 in Richtung der Pfeile 4', 6'.
Die Lage der Kurbelzapfen 40, 60 und somit auch die Anordnung der Pleuel 3, 5 ist bezüglich der Kolbenmittelachse A beziehungsweise bei einem Mehrzylindermotor bezüglich einer aus der Reihe der jeweiligen Zylinderachsen A aufgespannten Zylindermittelebene Z symmetrisch. Der in 1 dargestellte Aufbau eines Doppelkurbelwellenmotors beziehungsweise Doppelpleuelmotors mit zwei zueinander parallel verlaufenden und sich gegensinnig synchron drehenden Kurbelwellen 4, 6 sorgt dafür, daß der Kolben 1 reibungsarm in der Zylinderbohrung 20 laufen kann, ohne bezüglich der Zylinderachse A seitlich zu kippen.
Der Aufbau der Kurbelwelle wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 erläutert, wobei in 2 lediglich die Kurbelwelle 6 dargestellt ist. Der Aufbau der Kurbelwelle 4 ist analog dem der Kurbelwelle 6.
2 zeigt die Kurbelwelle 6 einer als Zweizylindermotor ausgebildeten Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Kurbelwelle 6 weist einen zentralen rohrförmigen Mittelabschnitt 61 auf, der koaxial zur Achse X' der Kurbelwelle 6 ausgerichtet ist. An einem axialen Ende geht der rohrförmige Abschnitt 61 in einen ersten Stirnabschnitt 63 mit gegenüber dem rohrförmigen Abschnitt 61 vergrößertem Durchmesser über. Auf dem Umfang des ersten Stirnabschnitts 63 ist das Zahnrad 62 ausgebildet, welches zur Synchronisation und zur Kraftübertragung mit dem Zahnrad 42 der Kurbelwelle 4 kämmt. Die Verzahnung 62' des Zahnrads 62 kann eine Geradverzahnung oder vorzugsweise eine Schrägverzahnung sein.
Auf der vom rohrförmigen Abschnitt 61 abgewandten Stirnseite des ersten Stirnabschnitts 63 ist der Kurbelzapfen 60 vorgesehen, dessen Achse Y' zur Kurbelwellenachse X' um eine Exzentrizität E seitlich versetzt ist. Auf dem Kurbelzapfen 60 ist das Pleuel 5 drehbar gelagert. In 2 ist auch das in Blickrichtung hinter dem Pleuel 5 gelegene Pleuel 3 der ersten Kurbelwelle 4 zu sehen.
An seinem zweiten Ende geht der rohrförmige Abschnitt 61 in einen zweiten Stirnabschnitt 64 über, dessen Durchmesser gegenüber dem Durchmesser des rohrförmigen Abschnitts 61 ebenfalls vergrößert ist und vorzugsweise dem Durchmesser des ersten Stirnabschnitts 63 entspricht. An seiner vom rohrförmigen Abschnitt 61 abgewandten Stirnseite ist am zweiten Stirnabschnitt 64 ein zweiter Kurbelzapfen 65 angebracht, der bezüglich der Kurbelwellenachse X' ebenfalls um die Exzentrizität E seitlich versetzt ist und dessen Achse mit der Achse Y' des ersten Kurbelwellenzapfens 60 identisch ist.
Auf dem zweiten Kurbelzapfen 65 ist ein zweites Pleuel 8 einer zweiten Kolben-Zylinder-Anordnung des Zweizylindermotors gezeigt. Auch das auf einem weiteren Kurbelzapfen 45 der spiegelsymmetrisch aufgebauten ersten Kurbelwelle 4 drehbar gelagerte erste Pleuel 7 der zweiten Kolben-Zylinder-Anordnung ist in der 2 zu erkennen. Die beiden Pleuel 7, 8 sind über Pleuellager 94, 96 am in 3 gezeigten Kolben 9 der zweiten Kolben-Zylinder-Anordnung schwenkbar gelagert. Auch die beiden Kurbelzapfen 40, 45 der ersten Kurbelwelle 4 liegen auf einer gemeinsamen Achse Y, die ebenfalls um die Exzentrizität E von der Kurbelwellenachse X beabstandet ist.
In 2 ist weiterhin zu erkennen, daß auf dem Außenumfang des zweiten Stirnabschnitts 64 ein weiteres Zahnrad 66 vorgesehen ist, welches zum Antrieb von Hilfseinrichtungen, beispielsweise einer Ölpumpe, dient. Auch auf dem analog ausgebildeten zweiten Stirnabschnitt 44 der ersten Kurbelwelle ist ein Zahnrad 46 angeordnet, welches in Richtung der Kurbelwellenachsen X, X' versetzt zum Zahnrad 66 angeordnet ist, so daß die beiden Zahnräder 46 und 66 einander nicht beeinträchtigen und nicht miteinander kämmen. Das Zahnrad 46 der ersten Kurbelwelle 4 dient ebenfalls zum Antrieb einer weiteren Hilfseinrichtung, beispielsweise einer Hydraulikpumpe oder eines Kompressors.
Unmittelbar dem ersten Stirnabschnitt 63 und dem zweiten Stirnabschnitt 64 benachbart ist jeweils ein Lagerabschnitt 67, 68 auf dem rohrförmigen Abschnitt 61 der zweiten Kurbelwelle 6 vorgesehen. Mit den Lagerabschnitten 67, 68 ist die Kurbelwelle 6 auf herkömmliche Weise in Gleit- oder Wälzlagern im (nicht gezeigten) Motorblock der Hubkolben-Brennkraftmaschine gelagert. Diese Lagerung sehr nahe an den Stirnabschnitten 63, 64 und damit an den Kurbelzapfen 60, 65 sorgt für eine ideale Biegemomentenverteilung in der Kurbelwelle 6, da die von dem jeweiligen Pleuel 5, 8 aufgebrachten Radialkräfte in Axialrichtung nahe am Ort der Einleitung (dem Kurbelzapfen) im Motorblock abgestützt werden. Des weiteren sorgt diese Anordnung der Lagerabschnitte 67, 68 im mittleren Bereich der als Stirnkurbelwelle ausgebildeten Kurbelwelle 6, nämlich im Bereich des rohrförmigen Abschnitts 61 für eine sehr kompakte Bauweise der Kurbelwelle 6 und damit der gesamten Hubkolben-Brennkraftmaschine. Die Lagerung der ersten Kurbelwelle 4 ist analog gestaltet.
Zwischen dem ersten Lagerabschnitt 67 und dem zweiten Lagerabschnitt 68 ist auf dem rohrförmigen Abschnitt 61 der Kurbelwelle 6 ein Ritzel 69 ausgebildet, welches zum Antrieb einer Steuerkette für im Zylinderkopf 24 vorgesehene (nicht gezeigte) Nockenwellen zur Steuerung der (nicht gezeigten) Ventile dient. Das Ritzel 69 ist in den Figuren nur auf der zweiten Kurbelwelle 6 vorgesehen, kann aber auch auf der ersten Kurbelwelle 4 vorgesehen sein.
Zum besseren Verständnis ist der Aufbau des die beiden Kurbelwellen 4 und 6 aufweisenden Kurbeltriebs in 3 nochmals in einer räumlichen perspektivischen Ansicht dargestellt.
Es ist in 3 deutlich zu erkennen, wie die erste Kurbelwelle 4 und die zweite Kurbelwelle 6 über ihre am Umfang der jeweiligen ersten Stirnabschnitte 43, 63 vorgesehenen Zahnräder 42, 62, die über die Verzahnungen 42' und 62' miteinander kämmen, synchronisiert sind.
Zum Ausgleich der rotierenden und oszillierenden Massen sind die beiden Stirnabschnitte 43 und 63 mit jeweiligen Auswuchtmassen 43', 63' versehen. Zusätzlich zu den Auswuchtmassen 43', 63' sind zum Ausgleich der rotierenden Massen in den ersten Stirnabschnitten 43, 63 auch Ausnehmungen 43'' beziehungsweise 63'' vorgesehen.
In 3 ist außerdem zu erkennen, daß die Kolbenhöhe sehr gering ist. Dies ermöglicht es, bei kompakter Bauweise einen Kolbenwerkstoff von hoher Temperaturfestigkeit, also großer spezifischer Masse, vorzusehen, der hohen Verbrennungstemperaturen standhält. Die jeweiligen Hubkolben 1, 9 sind zudem im Kolbenboden mit einer zentralen Mulde 11, 91 versehen, die einen Teil des Brennraums bildet. Des weiteren sind im Kolbenboden jeweils vier Vertiefungen 13, 15, 17, 18 beziehungsweise 93, 95, 97, 98 vorgesehen, die Raum für die teilweise Aufnahme der Ventilteller der (nicht gezeigten) Ventile des mit einer Vierventil-Steuerung pro Zylinder vorgesehenen Zweizylindermotors sind.
Der Zündabstand dieses Zweizylindermotors beträgt 360°, das heißt, daß das Gemisch in einem Zylinder gezündet wird, während sich der andere Zylinder zwischen Auspuff- und Ansaugtakt bewegt.
Der erfindungsgemäße, im Ausführungsbeispiel gezeigte Parallel-Zwei-Zylinder-Motor, kurz Twin genannt, stellt die kompakteste Art der Zwei-Zylinder-Motorenbauweise dar. Kühlmäntel um Zylinder und Zylinderköpfe können zusammengefaßt werden und benötigen keine störanfälligen Verbindungsleitungen. Die gesamte Ventilsteuerung kann mittels eines einzigen Nockenwellenantriebs und zweier über beide Zylinder reichenden Nockenwellen realisiert werden.
Dies ermöglicht eine funktional sehr steife Bauweise und führt zu einer sehr wirtschaftlich herzustellenden Baueinheit.
Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.

Claims

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit – zumindest zwei in Reihe angeordneten Zylindern (2), in denen jeweils ein Hubkolben (1, 9) hin und her bewegbar vorgesehen ist, – einer ersten Kurbelwelle (4), – einer zweiten Kurbelwelle (6), – wobei die erste und die zweite Kurbelwelle (4, 6) zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen, – wobei die Drehachsen (X, X') der beiden Kurbelwellen (4, 6) zu einer gemeinsamen Zylinder-Mittelebene (Z) parallel verlaufen und bezüglich dieser seitlich versetzt sind, – wobei jedem Hubkolben (1; 9) ein erstes und ein zweites Pleuel (3, 5; 7, 8) derart zugeordnet sind, – daß das erste Pleuel (3; 7) mit seinem ersten Ende schwenkbar am Hubkolben (1; 9) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (40; 45) der ersten Kurbelwelle (4) drehbar gelagert ist und – daß das zweite Pleuel (5; 8) mit seinem ersten Ende schwenkbar am Hubkolben (1; 9) und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen (60; 65) der zweiten Kurbelwelle (6) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, – daß die Kurbelzapfen (40, 45; 60, 65) der jeweiligen Kurbelwelle (4; 6) eine gemeinsame Achse (Y; Y') aufweisen, die parallel zur Drehachse (X; X') der zugeordneten Kurbelwelle (4; 6) verläuft und – daß im Bereich der axialen, stirnseitigen Enden der Kurbelwellen (4; 6) jeweils ein Kurbelzapfen (40, 45; 60, 65) vorgesehen ist und die Kurbelwellen (4; 6) jeweils an beiden Enden als Stirnkurbelwellen ausgebildet sind, wobei in Axialrichtung zwischen den Kurbelzapfen zumindest ein Lagerabschnitt (67, 68) auf der jeweiligen Kurbelwelle gebildet ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuel (3, 5; 7, 8) am jeweiligen Kolben (1; 9) derart gelagert sind, daß die jeweiligen Lager (14, 16; 94, 96) in Bezug auf die parallel zu den Achsen (X, X') der Kurbelwellen (4, 6) verlaufende Zylinder-Mittelebene (Z) seitlich versetzt sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Kurbelwellen (4; 6) im Bereich zwischen den stirnseitigen Kurbelzapfen (40, 45; 60, 65) mit Antriebskraft-Übertragungselementen (46; 66, 69) zum Antrieb von Steuereinrichtungen und/oder von Hilfseinrichtungen versehen ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwellen (4, 6) über Zahnräder (42, 62) miteinander in Eingriff stehen.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolben-Brennkraftmaschine zwei Zylinder aufweist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolben-Brennkraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolben-Brennkraftmaschine nach dem Viertaktverfahren arbeitet.