DE19754480A1 - Kolbenmotor mit reduzierter Kolbenmasse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich des Maschinenbaus, insbesondere den Bereich der Verbrennungskolbenmotoren. Derartige Motoren sind allgemein bekannt. Die Erfindung kann in den Motorkonstruktionen für Autos, Traktoren, Schiffen, Diesellokomotiven und anderen Maschinen und Aggregaten, auch in Kompressoren und Pumpen verwendet werden.

Sie bietet eine Lösung für Probleme des traditionellen Verbrennungsmotors. Dieser enthält Zylinder und in ihnen laufende Kolben mit Kompressions- und Ölabscheideringen. Die Kolben sind über Kolbenbolzen mit den Pleueln verbunden, die wiederum mit der Kurbelwelle verbunden sind.

Ein Mangel des traditionellen Kolbenmotors ist die große Länge des Kolbens, verursacht durch die Länge der seitlichen Kolbenschäfte; diese sind nötig, um eine Stabilisierung des Kolbens senkrecht zum Kolbenboden/der Kurbelwelle zu erreichen und so die Verkeilung des Kolbens bei der Arbeit des Motors zu verhindern. Diese Erscheinung beruht im Wesentlichen auf dem Vorhandensein des - notwendigen - Spiels zwischen den Oberflächen von Kolben und Zylinder, um deren Kontakt zu vermeiden. Die Verlängerung des Kolbens durch die seitlichen Kolbenschäfte erhöht die Masse des Kolbens und damit die Inertionskräfte des Kolbens bei der Arbeit des Motors. Die Überwindung dieser Inertionskräfte führen zu höherem Brennstoffverbrauch und vermindern den effektiven Druck und den Wirkungsgrad des Motors. Die durch die seitlichen Schäfte vergrößerten Kolben erfordern eine Verlängerung der Zylinder und damit eine Vergrößerung des Zylinderblocks mit zusätzlichem Materialverbrauch. Außerdem wird die Bearbeitung des Zylinders aufwendiger.

Die höheren Massenkräfte wirken auf alle Teile des Motors insbesondere aber auf den Pleuel-Kurbelwellenmechanismus. Die höheren Massenkräfte führen auch zur Reibungskräftevergrößerung im Kurbelwellenmechanismus. Ihre Aufnahme erfordert stärkere Gelenke, Lager und Teilequerschnitte und führt daher zu erhöhten Herstellungskosten. Die Überwindung dieser Kräfte bedingt erhöhten Brennstoffverbrauch, der wiederum zu ökologisch schädlichen Abgasen führt.

Insgesamt erhöht daher die vergrößerte Länge und Masse des Kolbens, des Zylinders und Pleuels sowie auch des gesamten Motors die Umweltbelastung.

Bekannt sind die Kolbenverbrennungsmotoren mit den Katalysatoren im System der Auspuffgasab­ leitungen. Die Katalysatoren vermindern die Menge von toxischen Bestandteilen. Allerdings üben diese Systeme einen positiven Einfluß nicht auf die Ursache, sondern auf die Folge des Entstehens von schädlichen Auswürfen aus. Denn im Motor verbrennt die unveränderte Kraftstoffmenge und dieselbe Menge von Auspuffgasen wird abgeleitet. Aber der Katalysator kann die im Kurbelwellengehäuse entstehenden Gase, die auch die Umwelt beeinträchtigen, nicht reinigen. Außerdem vergrößert die Anwendung vom Katalysator die Menge der abgeleiteten Gase, weil er die aerodynamische Festigkeit des Auspuffs vergrößert. Um diese Festigkeit zu überwinden, wird auch zusätzlich der Kraftstoff verbraucht, der die Motorwirtschaftlichkeit vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung des Kolbenmotors durch Verminderung der Kolbenmasse und damit eine Vergrößerung des effektiven Drucks, eine verbesserte Kolbenbeschleunigung und eine Verminderung des Brennstoffverbrauchs. Außerdem entsteht bei der Herstellung weniger Umweltbelastung.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Kolbenmotor mit mindestens zwei Zylindern jedes Paar benachbarter Kolben über ein breites biegsames und geschmeidiges Band miteinander verbunden sind. Die Enden dieses Bandes sind an den Kopfenden der Kolben (unterhalb des Kolbenbodens) befestigt. Das Band läuft bezogen auf seine Breite senkrecht zur Achse der
Kolbenbolzen durch Richtleisten, die zwischen den Zylindern und der Kurbelwelle angeordnet sind; es läuft ohne Krümmung zwischen den Kopfenden der Kolben und den Richtleisten. Das Band ist in einer Ebene gebogen, die parallel zu der Ebene ist, die durch die Achsen der Zylinder gebildet wird; d. h., daß die auf der breiten Fläche des Bandes stehenden Normalen parallel zu dieser Ebene liegen.

Durch die Erfindung entsteht folgendes Ergebnis:
das breite biegsame, geschmeidige Band verhindert durch seine eigene Steifigkeit und die Steifigkeit seiner Befestigung sowie die Führung in den Richtleisten das Kippen des Kolbens um die Achse des Kolbenbolzen. Insgesamt wird somit Parallelität von Kolben- und Zylinderachse erzeugt und damit die Verkleinerung des Kolbenspiels, welches zu einem Verkeilen des Kolbens führen kann, vermieden. Somit kann der Kolbenschaft, der diese Aufgabe bisher wahrzunehmen hatte, verkürzt werden.

Die Verminderung der Kolbenlänge erlaubt es, die Höhe des Zylinderblocks zu vermindern. Da die Masse des Stabilisierungsbandes weit geringer ist, als die eingesparten Massen bei Kolben und Pleuelstange, gehen die Massenkräfte bei der Arbeit des Motors zurück. Damit geht der Brennstoffverbrauch zurück und es erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors.

Die Verminderung der Länge der Kolben erlaubt es außerdem, mehr Motoröl auf die Zylinderwände im Bereich der größten Erhitzung zu bringen. Dies führt zu einer besseren Wärmeableitung aus dieser Zone und damit zu einer ausgeglicheneren thermischen Belastung. Die thermische Verbesserung erlaubt es, die Menge der Kühlflüssigkeit und den Motorölverbrauch zu senken; es ergibt sich die Möglichkeit, den Kühler zu verkleinern. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Insgesamt führt die vorgeschlagene Lösung zu folgenden Ergebnissen:

• - Verminderung der inneren Massenkräfte im Motor/Verkleinerung der tragen Kolbenmasse
• - Vergrößerung des effektiven Drucks
• - Verkurzung der Zylinderhöhe
• - Verminderung der Motormasse
• - Verminderung des Energie- und Kraftstoffverbrauchs auf die Einheit der effektiven Leistung
• - Verbesserung der ökologischen Wirkungen des Verbrennungsmotors, auch bei der Herstellung.

Das Wesentliche der Erfindung ergibt sich aus der beiliegenden Zeichnung:

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenmotor mit Sicht auf die nebeneinander angeordneten Zylinder.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Motor mit Blick auf Kolben und Pleuel.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Ebene B-B der Fig. 1.

Der Motor in Fig. 1 und 2 umfaßt den Zylinderblock 1 mit den Zylindern 2, den Zylinderkopf (3) und die Ölwanne (4). Im Zylinder (2) laufen die Kolben (5), die Kompressions- und Ölabscheideringe (6) besitzen. Die Kolben (5) sind gelenkig über die Pleuel (8) und die Kolbenbolzen (9) mit den Kurbeln der Kurbelwelle (7) verbunden. Die Kurbelwelle läuft in den Lagern (10) des Zylinderblocks.

An den Unterseiten/Böden der Kolben (5) in den benachbarten Zylindern C und D ist ein Band aus biegsamem Material (11) insbesondere aus Federstahl befestigt, welches durch die Richtleisten (12) läuft, die zwischen den Zylindern C und D arg der Stelle E oberhalb der Kurbelwelle befestigt sind. Die Biegsamkeit des Bandes ist im schmalen Querschnitt viel höher, als in der Breite. Die Ebene, die das Band (11) in seiner Breite darstellt, steht senkrecht zur Achse der Kolbenbolzen (9). Das Band ist so eingerichtet, das es zwischen Befestigung am Kolben und der Richtleiste (12) gerade verläuft, was auch durch seine Spannung erreicht werden kann.

Das Band läuft mit seinem gebogenen Teil durch die Öffnung F im Zylinderblock zwischen den Zylindern C und D. Die Oberfläche der Öffnung F, die zur Innenseite der Biegung des Bandes (11) liegt, hat zusammen mit dem für den freien Lauf des Bandes erforderlichen Spielraum dieselbe Krüm­ mung, wie der in der Öffnung F gebogene Teil des Bandes. Die Verwendung eines biegsamen Bandes zur Stabilisierung und Führung der verkürzten Kolben erfolgt nicht nur in den dargestellten Zylindern C und D, sondern auch in den weiteren Zylindern des Motors.

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Ebene B-B des Motors. Es zeigt sich, daß das Band (11) im Querschnitt eine Wölbung aufweist, die eine erhöhte Stabilität des Bandes bewirkt. Im vorliegenden Fall ist das Band in Richtung auf die Zylinderwand hin ausgewölbt. Die Wölbung kann auch in anderer Richtung ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, daß das Band keine Wölbung aufweist, also im Quer­ schnitt plan ist.

Beim Betrieb des Motors bewegen sich die Kolben in den Zylindern C und D in entgegengesetzter Richtung. Eine Bewegung des Kolbens in Zylinder C über Pleuel und Kurbelwelle auf den Kolben in Zylinder D übertragen. Der gerade Abschnitt des Bandes (11), welches am Kolben in Zylinder C befestigt ist, verkürzt sich, z. B. mit der Bewegung des Kolbens nach unten, und wird in der Öffnung F umgelenkt, um sich mit dem Kolben in Zylinder D nach oben zu bewegen. Die Verkürzung des krümmungsfreien Abschnitts des Bandes in Zylinder C ist genauso groß wie seine Verlängerung im Zylinder D durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens. Beide Kolben können nicht um die Achse des Kolbenbolzen kippen' da die starre Befestigung des Bandes unterhalb des Kolbenbodens und seine Steifigkeit, welche quer zur Breite sehr groß ist, dieses verhindert. Die ebene Ausrichtung des Bandes senkrecht zur Achse der Kolbenbolzen und zur Kurbelwelle wird auch durch die Richtleisten (12) gegeben.

Claims (9)

1. Kolbenmotor mit mindestens zwei Zylindern (2), die jeweils einen Kolben (5) aufweisen, dessen Hin- und Herbewegung innerhalb des Zylinders (2) durch eine Pleuelstange (8) in eine Drehbewegung einer gemeinsamen Kurbelwelle (7) umgesetzt wird dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Kolben (5) benachbarter Zylinder (C,D) durch ein breites biegsames Band (11) verbunden sind.

2. Kolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Bandes (11) an den Böden der Kolben (5) befestigt sind.

3. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Befestigungsstelle des Bandes (11) am Kolben (5) die breite Fläche des Bandes (11) im wesentlichen senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens (9) liegt.

4. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung zweier verbundener Kolben einander entgegengesetzt verläuft.

5. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (11) durch an der Zylinderwand unten angebrachte Richtleisten (12) geführt wird.

6. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (11) von einem ersten Kolbenboden im Zylinder abwärts verläuft, durch eine in einem unteren Bereich der Zylinderwand angeordnete Öffnung (F) in den benachbarten Zylinder und dort aufwärts zum zweiten Kolbenboden verläuft.

7. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (11) im Bereich der Öffnung (f) zwischen den Zylindern in einer Ebene gebogen ist, die parallel zu der Ebene ist, die durch die Achsen der Zylinder gebildet wird.

8. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Öffnung (F) in der Zylinderwand an den gebogene Verlauf des Bandes (11) angepaßt ist.

9. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (11) im Querschnitt eine Wölbung aufweist.