DE19733538A1 - Schrägkolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrägkolbenmotor.

Ein Schrägkolbenmotor ist ein Kolbenmotor mit schräg, das heißt windschief angeordneter Zylinderachse gegenüber der Drehachse der Kurbelwelle.

Schrägkolbenmotoren sind bisher unbekannt. Vielmehr sind bei den bekannten Kolbenmotoren die Zylinder gegenüber der Drehachse symmetrisch angeordnet, das heißt, ihre Mittelachsen durchdringen die Drehachse der Kurbelwelle.

Nachteil der bekannten symmetrischen Kolbenmotoren ist, daß in der Phase des Gasdrucks auf den Kolben die Pleuelstange gegenüber der Zylinderachse verhältnismäßig große Winkel aufweist, was bewirkt, daß eine verhältnismäßig große Komponente der Kraft, die die Pleuelstange antreibt, als Querkraft auf die Zylinderwandung einwirkt und dort unnötige Reibung, unnötigen Verschleiß und unnötige Materialbeanspruchung verursacht. Gerade in der Kolbenstellung maximalen Drehmomentes ist der besagte Winkel und damit die Querkraftkomponente besonders groß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den angegebenen Nachteil vermeiden und durch konstruktive Merkmale dafür zu sorgen, daß in der Antriebsphase des Kolbens möglichst kleine Querkräfte auf die Zylinderwand einwirken und statt dessen der Kolbendruck sich in optimaler Weise auf den Antrieb der Kurbelwelle auswirken kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Um zu vermeiden, daß bei der angegebenen Lösung und bei kurzer Pleuelstange diese von innen gegen die Zylinderwand stößt, wird die Erfindung gemäß Anspruch 2 ausgestaltet.

Die Erfindung sei nun anhand der Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt auf einen Zylinder 1 eines herkömmlichen Kolbenmotors mit dem sich darin befindlichen Kolben 4 und der Pleuelstange 3 in Blickrichtung der Kurbelwelle. Der Kreis K beschreibt die Bewegung des äußeren Lagers der Kurbel 5 um die Drehachse AD der Kurbelwelle 2. Das Kurbellager befindet sich in seinem oberen toten Punkt.

Fig. 2 zeigt den gleichen Schnitt, jedoch im unteren Totpunkt der Kurbel 5, beziehungsweise des Kolbens 4.

Fig. 3 zeigt wieder den gleichen Schnitt jedoch in einer Position der Kurbel, bei der der Kolben etwa ein Drittel seines Weges vom oberen bis zum unteren Totpunkt zurückgelegt hat. Die Kraftübertragung im Kurbeltrieb ist sehr gut, da die über das Pleuel übertragene Kraft senkrecht zur Kurbel steht. Die Verhältnisse im Zylinder aber sind ziemlich ungünstig, da eine Komponente der senkrecht auf den Kolben wirkenden Kraft als Druck auf die linke Zylinderwand verloren geht.

Fig. 4 zeigt nun einen Schnitt durch einen Zylinder 1 eines Schrägkolbenmotors gemäß den Ansprüchen 1 und 2 der Erfindung. Auch hier sind die Verhältnisse im Kurbeltrieb optimal, die Lage im Zylinder noch ziemlich gut, da der Anstellwinkel (α2) verhältnismäßig klein ist und nur wenig Kraft in Form von Druck auf die linke Zylinderwand verloren geht.

Fig. 5 zeigt, warum das Pleuel gekröpft, das heißt gekrümmt sein muß und welche Stellung das Pleuel einnehmen würde, wenn es gerade wäre beziehungsweise der Zylinder keine Neigung gegenüber der Mittellinie des Kurbeltriebes hätte.

Fig. 6 zeigt, daß im oberen Bereich des Arbeitstaktes, das heißt, wenn die Druckwelle sich aufbaut, im Zylinder sich in Bezug auf die Kraftübertragung ideale Verhältnisse darbieten, wie sie sich beim herkömmlichen Motor in keinem aller möglichen Fälle ergeben. Der Druck Zylinder kommt ohne seitliche Druckverluste voll zur Geltung, da der im Punkt b ausgeübte Druck der Wirkungslinie der Kolbenkraft entspricht.

Fig. 7 zeigt, daß im unteren Bereich des Arbeitstaktes, das heißt, wenn die Druckwelle dabei ist abzuklingen, im Zylinder sich in Bezug auf die Kraftübertragung wieder ideale Verhältnisse darbieten. Der Druck im Zylinder kommt ohne seitliche Druckverluste wieder voll zur Geltung, da der im Punkt c ausgeübte Druck der Wirkungslinie der Kolbenkraft entspricht.

Fig. 8 zeigt, daß der untere tote Punkt auf Grund der vorgegebenen Geometrie nicht genau unterhalb des Kurbelpunktes liegt. Dies ist sehr positiv zu bewerten, da für den Verbrennungstakt mehr Zeit zur Verfügung steht und das Auslaßventil später als bisher geöffnet zu werden braucht.

Fig. 9 zeigt, daß die Punkte, bei denen die Kolbengeschwindigkeit am größten ist, nicht auf Wagerechten links und rechts neben dem Kurbelmittelpunkt liegen. Die größte Geschwindigkeit hat das Pleuel, wenn sich sein Lager parallel zur Mittellinie des Zylinders bewegt, das ist im Punkte e und d der Fall. Sehr günstig wirkt sich dabei aus, daß die Punkte e und a (siehe Fig. 4) sehr nahe beieinander liegen. Auch die Tatsache, daß bei der Aufwärtsbewegung die Höchstgeschwindigkeit des Kolbens schon früher als bei den herkömmlichen Motoren erreicht wird, ist von Vorteil. Da die Gase ja auch eine gewisse Trägheit haben, ist es im Interesse einer möglichst vollständigen Zylinderentleerung gut, wenn die Verbrennungsgase früh eine Beschleunigung erfahren.

Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinder mit Kolben und Kurbelantrieb, bei dem der Kolben im Verhältnis zur Länge der Kurbel größer ist als bei den vorangegangenen Figuren. Damit wird gezeigt, daß der Schrägkolbenmotor nicht nur bei Langhuber Anwendung finden kann. Aus diesem Bild ist auch ersichtlich, daß bei einem Kurzhuber der Einsatz eines nur wenig gekrümmten Pleuels möglich ist.

Besonderheiten

Der neue Schrägkolbenmotor bietet eine Fülle von Vorteilen. Es könnte aber der Einwand vorgebracht werden, daß das, was durch den günstigen Ablauf beim Arbeitstakt gewonnen wird, durch die etwas ungünstigen Anstellwinkel bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens wieder verloren geht. Das ist aber nicht der Fall, da beim Hinausschieben der Verbrennungsgase kaum ein Gegendruck vorhanden ist und beim Verdichten ein solcher erst im nennenswerten Maße entsteht, wenn der Kolben etwa 50 bis 60% seines Weges nach oben zurückgelegt hat. Dann ist aber die Winkelstellung so günstig, daß sie kaum noch von der bisher üblichen abweicht (siehe Fig. 5 und 10).

Außerdem kann die Zylinderwand auf Grund der geringeren Seitenkräfte dünner gehalten werden. Der Kolben, der nicht mehr so starker seitlicher Belastung ausgesetzt ist, kann dünnwandiger angelegt werden, das heißt, er wird leichter.

Der Hauptvorteil des neuen Motors liegt darin, daß dann, wenn das höchste Drehmoment entsteht, der Anstellwinkel α2 (siehe Fig. 4) ziemlich klein ist. Drücken dabei zum Beispiel 100% in die Richtung, die für die Bewegung des Kolbens relevant ist, so wären es beim herkömmlichen Motor lediglich 69 beim Schrägkolbenmotor aber 92. Dies ergibt sich aus den entsprechenden Kräfteparallelogrammen (siehe Fig. 11 und 12). Die fehlenden 31 bzw. 8% gehen dabei als nicht verwendbarer Druck auf die Zylinderwand verloren. Es wurde aber bewußt darauf verzichtet, den Zylinder so schräg zu legen, daß der Winkel α2 auf 0 reduziert wird, da sich dann zwar das beste Drehmoment mit der besten Winkelstellung für den Kolben verbinden würde. Weil aber die günstigsten Zwischenstellungen in den Punkten b und c entfallen würden, wäre dieser punktuelle Vorteil zu teuer erkauft.

Da bereits kurz nach dem oberen toten Punkt (siehe Fig. 6, Punkt b) der Kolben sich in der Idealform bewegt, nämlich ohne seitlichen Druck, und die Druckwelle in diesem Punkt um so stärker ist, je langsamer der Kolben sich bewegt, ist mit einem kräftigen Durchzugsvermögen des Motors im unteren Drehzahlbereich zu rechnen.

Ein sich schnell bewegender Kolben wird im Gegensatz dazu aber relativ spät von der maximalen Druckwelle erfaßt. Aus diesem Grunde kommt dem Punkte c besondere Bedeutung zu. In der praktischen Auswirkung heißt dies, daß der Motor auch im oberen Drehzahlbereich gute Leistungen erbringt.

Der Einsatz eines gekröpften Pleuels kann vermieden werden, wenn am unteren Ende des Zylinders eine geringe Aussparung vorgenommen wird. Dies ist technisch kein großer Nachteil, was vom Zweitakter her bekannt ist, da dort sogar eine wesentlich größere Aussparung für den Überströmkanal vorhanden ist. Der beim Zweitakter anfallende etwas größere Verschleiß im Bereich des Überströmkanals wird in erster Linie durch die Kolbenringe verursacht. Diese aber überstreichen die hier gemeinte Aussparung gar nicht, sie bleiben nämlich immer darüber. Auch die Frage des Kompressionsverlustes stellt sich nicht, da in dem vorhandenen Bereich eine Kompression kaum noch beziehungsweise noch nicht gegeben ist.

Verfolgt man die Entwicklung im Motorenbau, so zeigt sich daß sich die technisch anspruchsvolleren Lösungen gegenüber den einfachen, zum Beispiel kopfgesteuerte gegenüber seitengesteuerten Motoren, Direkteinspritzung gegenüber dem Vorkammersystem, durchgesetzt haben.

Claims (2)

1. Schrägkolbenmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse (AZ) des Zylinders (1) eines Kolbenmotors gegenüber der Drehachse (AD) die Kurbelwelle (2) schräg angeordnet ist, das heißt, daß sie sie nicht durchdringt, sondern daß sie - in Längsrichtung der Drehachse betrachtet - zur Verbindungslinie (L) zwischen einem auf ihr liegenden Punkt (P) und der Drehachse (AD) einen Winkel (α) bildet (α3).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstange (3) gekrümmt ist derart, daß sie einseitig nicht gegen die Zylinderwand stößt.