DE19546468A1 - Kolbenkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenkraftmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder geführten Kolben, der über ein Pleuelgelenk mit mindestens einer Pleuelstange verbunden ist, die an einem Kurbelwellenzapfen einer Kurbelwelle angreift.

Bei Kolbenkraftmaschinen, die als Verbrennungskraft­ maschinen für Kraftfahrzeuge ausgeführt werden, ist die Pleuelstange üblicherweise unmittelbar im Kolben gelagert. Um einen günstigen Drehmomentverlauf an der Kurbelwelle zu erreichen, ist man bestrebt, die Pleuelstangen möglichst kurz auszuführen. Die Länge der Pleuelstangen muß aber konstruktionsbedingt größer als der Kolbenhub sein.

Außerdem verursacht die sich bei jedem Kolbenhub verändernde Schrägstellung der Pleuelstangen auf den Kolben wirkende Querkräfte, die über die Zylinderwand abgetragen werden müssen. Bei Kolbendampfmaschinen und großen Schiffsdieselmotoren ist es bekannt, die Kolbenstange starr am Kolben zu befestigen. In einem geradlinig geführten Kreuzkopf ist die Kolbenstange mit der Pleuelstange verbunden, die wiederum mit dem Kurbelwellenzapfen verbunden ist. Die hierbei durch die wechselnde Richtung der Pleuelstange verursachten Querkräfte werden von den Kreuzkopfführungen aufgenommen.

Auch hierbei ist die kleinstmögliche Pleuellänge aber notwendigerweise größer als der Kolbenhub, wenn die Kreuzkopfführung nicht im Flugkreis der Kurbelwelle angeordnet werden kann.

Der Wirkungsgrad der bekannten Kolbenkraftmaschinen wird zu einem wesentlichen Teil dadurch beeinflußt, daß der Druckverlauf im Zylinder insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen nicht in einen optimalen Drehmomentverlauf an der Kurbelwelle umgesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kolbenkraftmaschine der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß sich eine günstigere Umsetzung des Druckverlaufs im Zylinder in den Drehmomentenverlauf an der Kurbelwelle und damit insbesondere ein erhöhter Wirkungsgrad ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Pleuelgelenk mit zwei Pleuelstangen verbunden ist, die an Kurbelwellenzapfen zweier Kurbelwellen angreifen, und daß die beiden Kurbelwellen durch ein Getriebe zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen verbunden sind.

Der Anschluß der Pleuelstangen an ein mit dem Kolben über vorzugsweise eine Kolbenstange oder ein anderes Übertragungsglied verbundenes Pleuelgelenk ermöglicht es, die Pleuelstangen so kurz auszuführen, wie dies für einen optimalen Drehmomentenverlauf der Kurbelwelle erwünscht ist. Im Gegensatz zu Kreuzkopfmaschinen, die nur als verhältnismäßig langsam laufende Kolbenkraftmaschinen ausgeführt werden und bei denen die am Kreuzkopf auftretenden Querkräfte aufgenommen werden müssen, kompensieren sich bei der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine mit jeweils zwei Pleuelstangen, die an dem Pleuelgelenk miteinander verbunden sind, die dort auftretenden Querkraftkomponenten, so daß keine Kreuzkopfführung erforderlich ist.

Die Übertragung eines verhältnismäßig großen Kolbenhubs über verhältnismäßig kurze Pleuelstangen, die aus konstruktiven Gründen nur wenig länger als der halbe Kolbenhub sein müssen, führt zu einem sehr günstigen Drehmomentverlauf an der Kurbelwelle und damit zu einem wesentlich erhöhten Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen vergleichbaren Kolbenkraftmaschinen.

Gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Kurbelwellen mit fluchtenden Drehachsen angeordnet sind, daß die beiden Kurbelwellenzapfen einander stirnseitig zugekehrt sind und daß die Zylinderachse in einer die beiden Drehachsen der beiden Kurbelwellen enthaltenden Ebene liegt. Damit wird ein sehr kompakter Aufbau der Kolbenkraftmaschine erreicht.

Vorzugsweise sind die beiden Kurbelwellenzapfen an einander stirnseitig zugekehrten Kegelrädern angebracht, die mit einem gemeinsamen Kegelritzel in Eingriff stehen. Der Abtrieb kann an einer der beiden Kurbelwellen oder am Kegelritzel erfolgen.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Kurbelwellen achsparallel angeordnet sind und daß die Zylinderachse in der Symmetrieebene zwischen den beiden Kurbelwellen liegt. Dies ermöglicht mit verhältnismäßig geringem konstruktivem Aufwand den Aufbau von Mehrzylinder-Reihenmotoren, wobei für eine Zylinderreihe zwei gemeinsame, parallele Kurbelwellen herkömmlicher Bauweise verwendet werden.

Vorzugsweise sind die beiden Kurbelwellen über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden, das auf jeder der beiden Kurbelwellen ein Stirnrad aufweist, die miteinander in Eingriff stehen.

Anstelle der genannten Zahnräder können auch andere Getriebeglieder wie Kettentriebe, Zahnriementriebe, Hydraulikgetriebe oder andere Getriebe verwendet werden, die einen Synchronlauf der beiden jedem Zylinder zugeordneten Kurbelwellen mit entgegengesetztem Drehsinn ermöglichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt jeweils in schematischer Darstellungsweise:

Fig. 1 eine Kolbenkraftmaschine mit einem Zylinder und zwei Kurbelwellen mit fluchtenden Drehachsen, die in der Zeichnungsebene liegen,

Fig. 2 eine Ansicht der Kolbenkraftmaschine nach Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II in der oberen Totpunktlage,

Fig. 3 die Kolbenkraftmaschine nach den Fig. 1 und 2 in einer Zwischenstellung des Kolbens,

Fig. 4 die Kolbenkraftmaschine nach den Fig. 1-3 in der unteren Totpunktlage,

Fig. 5 eine andere Ausführungsform einer Kolbenkraftmaschine mit zwei parallelen Kurbelwellen in der oberen Totpunktlage,

Fig. 6 die Kolbenkraftmaschine nach Fig. 5 in der unteren Totpunktlage und

Fig. 7 einen vereinfachten Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6 bei einer Kolbenkraftmaschine mit mehreren Zylindern.

Die in den Fig. 1-4 dargestellte Kolbenkraftmaschine weist einen Zylinder 1 auf, in dem ein Kolben 2 längsbeweglich aufgenommen ist. Es handelt sich beispielsweise um eine Verbrennungskraftmaschine. Der Kolben 2 ist starr mit einer. Kolbenstange 3 verbunden, die in einer Kolbenstangenführung 4 aus dem Zylinder 1 herausgeführt ist und sich geradlinig bewegt. Auf die gesonderte Kolbenstangenführung kann auch verzichtet werden.

Die Kolbenstange 3 ist an ihrem dem Kolben 2 abgekehrten Ende außerhalb des Zylinders 1 in einem Pleuelgelenk 5 mit zwei Pleuelstangen 6, 6′ gelenkig verbunden. Jede Pleuelstange 6 bzw. 6′ greift an einem Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7′ zweier Kurbelwellen 8 bzw. 8′ an. Anstelle der Kolbenstange 3 kann auch ein anderes Übertragungsglied verwendet werden, um die Kolbenkräfte auf die im Pleuelgelenk miteinander verbundenen Pleuelstangen 6, 6′ zu übertragen, beispielsweise ein Hebel.

Die Drehachsen 9 bzw. 9′ der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8′ fluchten miteinander. Die beiden Drehachsen 9 und 9′ sowie die Zylinderachse 1a des Zylinders liegen in einer gemeinsamen Ebene, die der Zeichnungsebene der Fig. 1 entspricht. Die Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7′ sind einander stirnseitig zugekehrt und sind an einander stirnseitig zugekehrten Kegelrädern 10 bzw. 10′ angebracht. Die beiden als geradverzahnte, schrägverzahnte oder spiralverzahnte Zahnräder ausgeführten Kegelräder 10 und 10′ stehen mit einem gemeinsamen Kegelritzel 11 in Eingriff, das auf einer Ritzelwelle 12 angebracht ist. Das zwischen die beiden Kegelräder 10 und 10′ geschaltete Ritzel 11 bewirkt, daß die beiden Kurbelwellen 8 und 8′ zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen verbunden sind.

Der Abtrieb kann an einer der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8′ oder an der Welle 12 des Kegelritzels 11 erfolgen.

Ausgehend von der oberen Totpunktlage, die in Fig. 2 dargestellt ist und bei der sich die beiden Pleuelstangen 6, 6′ in Richtung der Kolbenstange 3 erstrecken, nehmen die beweglichen Teile der Kolbenkraftmaschine nach einem Anfangshub des Kolbens 2 die in Fig. 3 gezeigte Zwischenstellung ein. Die beiden Pleuelstangen 6 und 6′ spreizen sich infolge der entgegengesetzten Drehbewegungen der Kurbelwellenzapfen 7 und 7′. Die von der Kolbenstange 3 in Richtung der Zylinderachse 1a ausgeübte Kraft wird in Richtung der beiden Pleuelstangen 6 und 6′ nach einem Kräfteparallelogramm aufgeteilt, wobei sich die im Pleuelgelenk 5 auftretenden Horizontalkraftkomponenten kompensieren. Die gerade bei kurzen Pleuelstangen besonders hohen Horizontalkräfte der Pleuelstangen 6, 6′ werden in besonders günstiger Weise in die Kurbelwellen eingeleitet. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades der Maschine.

Wie man schon aus der schematischen Darstellung ersieht, ist die Länge der Pleuelstangen 6 bzw. 6′ nur geringfügig größer als der Drehkreisradius der Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7′, der konstruktionsbedingt dem halben Kolbenhub entspricht. Fig. 4 zeigt die untere Totpunktlage der Kolbenkraftmaschine.

Abweichend von dem in den Fig. 1-4 dargestellten Beispiel kann vorgesehen werden, daß daß sich die Kolbenstange über die Kurbelwellenachsen hinauserstreckt und die Pleuelstangen auf Zug beansprucht werden.

Es ist auch möglich, daß am Pleuelgelenk zwei Kolbenstangen oder andere Übertragungsglieder zweier entgegengesetzt gerichteter Zylinder angreifen. Die zu mehreren Zylindern 1 gehörenden Kurbelwellen 8, 8′ können zur Bildung einer mehrzylindrischen Maschine durch Übertragungsglieder miteinander verbunden sein.

Bei der in den Fig. 5-7 dargestellten Ausführungsform einer Kolbenkraftmaschine, bei der fuhr gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 1-4 verwendet werden, sind die beiden Kurbelwellen 8 und 8′ achsparallel und im Abstand zueinander angeordnet. Die Kolbenstange 3 jedes Zylinders 1 ist an ihrem Pleuelgelenk 5 über die beiden Pleuelstangen 6 bzw. 6′ jeweils mit einem Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7′ einer der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8′ verbunden.

Wie man aus Fig. 7 erkennt, sind mehrere in einer Reihe angeordnete Zylinder 1 auf diese Weise mit den beiden parallelen Kurbelwellen 8 bzw. 8′ verbunden. In Fig. 7 ist angedeutet, daß die Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7′ jeder Kurbelwelle 8 bzw. 8′ in der bei Reihenmotoren üblichen Weise gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt sind, um einen gleichmäßigen Lauf der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen.

Die Zylinderachsen 1a aller Zylinder 1 liegen in der Symmetrieebene 8a zwischen den beiden Kurbelwellen 8 und 8′.

Wie in Fig. 7 dargestellt, sind die beiden Kurbelwellen 8 und 8′ über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden, das auf jeder der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8′ ein Stirnrad 13 bzw. 13′ aufweist, die miteinander in Eingriff stehen und die einen Synchronlauf der beiden Kurbelwellen 8 und 8′ in entgegengesetzten Drehrichtungen bewirken. Der Abtrieb kann an einer der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8′ erfolgen

Fig. 6 zeigt die untere Totpunktlage der Kolbenkraftmaschine nach Fig. 5. In dieser unteren Totpunktlage erstrecken sich die Pleuelstangen 6 bzw. 6′ ausgehend vom Pleuelgelenk 5 durch die Achsen der beiden Kurbelwellen 8 und 8′ bis zu den Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7′. Konstruktionsbedingt muß hierbei die Länge der Pleuelstangen 6 bzw. 6′ etwas größer als der Drehkreisdurchmesser der Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7′ gewählt werden.

Die nur schematisch dargestellten Kolbenkraftmaschinen können beispielsweise als Verbrennungskraftmaschinen in der Ausführung als Ottomotore, Dieselmotore und in einer Zweitaktbauart oder Viertaktbauart ausgeführt sein. Statt dessen können die Kolbenkraftmaschinen auch Dampfmaschinen, Luftdruck- oder Gasdruckmaschinen sein.

Für eine Ausführung als Zweitakt-Verbrennungsmotore erweist sich die geradlinige Führung der Kolbenstange 6 als besonders vorteilhaft, weil der im Zylinder 1 unterhalb des Kolbens 2 befindliche Zylinderraum in einfacher Weise abgedichtet werden kann, um einen Ladezylinder für die Zweitaktspülung des über dem Kolben 2 befindlichen Verbrennungsraums zu bilden.

Abweichend von den dargestellten Beispielen kann auch vorgesehen werden, jeder Kurbelwellenzapfen 7, 7′ mit jeweils zwei Pleuelstangen verbunden ist, die mit den beiden Kolben 2 zweier Zylinder 1 über Kolbenstangen oder andere Zwischenglieder verbunden sind.

Claims (14)

1. Kolbenkraftmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder geführten Kolben, der über ein Pleuelgelenk mit mindestens einer Pleuelstange verbunden ist, die an einem Kurbelwellenzapfen einer Kurbelwelle angreift, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuelgelenk (5) mit zwei Pleuelstangen (6, 6′) verbunden ist, die an Kurbelwellenzapfen (7, 7′) zweier Kurbelwellen (8, 8′) angreifen, und daß die beiden Kurbelwellen (8, 8′) durch ein Getriebe (10, 10′, 11; 13, 13′) zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen verbunden sind.

2. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) über ein Übertragungsglied (3) mit dem Pleuelgelenk (5) verbunden ist.

3. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) über eine sich geradlinig bewegende Kolbenstange (3) als Übertragungsglied mit dem Pleuelgelenk (5) verbunden ist.

4. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurbelwellen (8, 8′) mit fluchtenden Drehachsen (9, 9′) angeordnet sind, daß die beiden Kurbelwellenzapfen (7, 7′) einander stirnseitig zugekehrt sind und daß die Zylinderachse (1a) in einer die beiden Drehachsen (9, 9′) der beiden Kurbelwellen (8, 8′) enthaltenden Ebene liegt.

5. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurbelwellenzapfen (7, 7′) an einer stirnseitig zugekehrten Kegelrädern (10, 10′) angebracht sind, die mit einem gemeinsamen Kegelritzel (11) in Eingriff stehen.

6. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrieb an einer der beiden Kurbelwellen (8 bzw. 8′) erfolgt.

7. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrieb am Kegelritzel (11) erfolgt.

8. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurbelwellen (8, 8′) achsparallel angeordnet sind und daß die Zylinderachse (1a) in der Symmetrieebene (8a) der beiden Kurbelwellen (8, 8′) liegt.

9. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurbelwellen (8, 8′) über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden sind, das auf jeder der beiden Kurbelwellen (8, 8′) ein Stirnrad (13 bzw. 13′) aufweist, die miteinander in Eingriff stehen.

10. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtrieb an einer der beiden Kurbelwellen (8 bzw. 8′) erfolgt.

11. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß sich die Kolbenstange (3) über die Kurbelwellenachsen hinauserstreckt und die Pleuelstangen (6, 6′) auf Zug beansprucht werden.

12. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Pleuelgelenk (5) zwei Kolbenstangen (3) oder andere Übertragungsglieder zweier entgegengesetzt gerichteter Zylinder (1) angreifen.

13. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu mehreren Zylindern (1) gehörenden Kurbelwellen (8, 8′) zur Bildung einer mehrzylindrischen Maschine durch Übertragungsglieder miteinander verbunden sind.

14. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kurbelwellenzapfen (7, 7′) mit jeweils zwei Pleuelstangen verbunden ist, die mit den beiden Kolben (2) zweier Zylinder (1) verbunden sind.