DE19814870A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine weist wenigstens einen Zylinder (2) auf, in dem ein Kolben (4) hin- und herbeweglich ist, der über je ein Pleuel (36, 38) mit einer von zwei parallel zueinander angeordneten, über eine Verzahnung miteinander in Eingriff befindlichen, sich gegensinnig drehenden Kurbelwellen (36, 38) verbunden ist. Zur Vergrößerung des möglichen Hubs sind die Pleuel (36, 38) zur Zylinderachse hin gekrümmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine solche Hubkolbenbrennkraftmaschine ist aus der DE 32 38 030 A1 bekannt und wird im folgenden anhand der Fig. 8 beschrieben. Die am Beispiel eines Ottomotors dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine weist einen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 4 arbeitet. Ein Einlaßkanal 6 mündet in den Zylinderkopf 8, wobei in der Mündung des Einlaßkanals in den Zylinderkopf ein Einlaßventil 10 arbeitet. Weiter ist ein Auslaßkanal 12 dargestellt, in dessen Mündung in den Zylinderkopf 8 ein Auslaßventil 14 arbeitet.

Im Einlaßkanal befindet sich eine Drosselklappe 16 sowie strömungsabwärts der Drossel­ klappe 16 ein Einspritzventil 18. Im Zylinderkopf befinden sich Zündkerzen 20, die in den Brennraum einragen.

Zur Ansteuerung der Zündkerzen 20 und des Einspritzventils 18 ist ein Steuergerät 22 vor­ gesehen, dessen Eingängen in an sich bekannter Weise Signale von unterschiedlichen Sen­ soren zur Erfassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zugeführt werden, aus denen die Steuersignale zur Steuerung der Einspritzung und der Zündung errechnet wer­ den.

Im Kurbelgehäuse 28 der Brennkraftmaschine sind parallel zueinander und bezogen auf die Achse der Kolbenbewegung symmetrisch zwei Kurbelwellen 30 und 32 angeordnet, die miteinander über eine Verzahnung 34 kämmen, so daß sie gegensinnig drehen. Jede der Kurbelwellen 30 und 32 ist über ein Pleuel 36 und 38 mit dem Kolben 4 verbunden, der an seiner Unterseite 2 in Richtung des Abstandes zwischen den Kurbelwellen 30 und 32 beabstandete Lager 40 und 42 zur Lagerung der Pleuel 36 und 38 aufweist. Alternativ kön­ nen die Pleuel am Kolben auch koaxial zueinander gelagert sein.

Eine besondere Eigenschaft des Doppelkurbeltriebs wird anhand der Fig. 9 erläutert: Die Ordinate stellt den Kolbenhub H und die Abszisse den Drehwinkel der Kurbelwellen, bezo­ gen auf den unteren Totpunkt UT des Kolbens dar; das heißt, zwischen den beiden UT-Stellungen liegen 360° Kurbelwellendrehung.

Die gestrichelte Kurve zeigt das Verhalten eines konventionellen Kurbeltriebs, bei dem die Kurbelwelle mittig unter dem Kolben angeordnet ist. Der obere Totpunkt OT₁ des Kolbens befindet sich beim konventionellen Kurbeltrieb genau zwischen den beiden UT-Stellungen, das heißt bei 180° Kurbelwinkel.

Bei dem Doppelkurbeltrieb gemäß Fig. 8, bei dem die beiden Kurbelwellen 30 und 32 ge­ genüber der Mitte des Kolbens 4 symmetrisch versetzt sind, ergibt sich die durchgezogene Kurve. Ausgehend von der UT-Stellung des Kolbens drehen sich die gegensinnig drehen­ den Kurbelwellen 30 und 32, wobei die gemäß Fig. 1 linke Kurbelwelle in Uhrzeigerrich­ tung dreht, um weniger als 180°, bis der obere Totpunkt OT₂ des Kolbens erreicht wird, und dann um mehr als 180°, bis wiederum der untere Totpunkt UT erreicht wird. Bei ei­ nem Viertaktverfahren steht somit für den Ansaugtakt und den Arbeitstakt im Vergleich zu einem herkömmlichen Kurbeltrieb ein größerer Winkelbereich und damit ein größerer Zeit­ raum zur Verfügung, wodurch die Füllung und die Ladungsumsetzung begünstigt werden.

Eine Eigenart des Doppelkurbeltriebs besteht darin, daß die Pleuel 36 und 38 von der Ach­ se des Kolbens weg nach außen verschwenkt werden und die Wand des Zylinders 2 somit in Richtung zum Kurbeltrieb nur begrenzt verlängerbar ist. Dies begrenzt bei gegebenem Bauraum den realisierbaren Hub und bestimmt die Bauhöhe des Motors mit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftma­ schine derart auszubilden, daß bei gegebener Baugröße ein größerer Hub realisierbar ist.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.

Der Anspruch 2 ist auf eine vorteilhafte Weiterbildung der Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 1 gerichtet.

Die Ansprüche 3 bis 5 sind auf weitere Lösungen der erfindungsgemaßen Aufgabe gerich­ tet.

Der Anspruch 6 kennzeichnet eine besonders vorteilhafte Dimensionierung der erfindungs­ gemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine Hubkolbenbrennkraftmaschine geschaffen, die ge­ genüber herkömmlichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit nur einer Kurbelwelle ein hö­ heres Drehzahlniveau und damit eine höhere Leistung aufweist. Bezogen auf ihre Leistung hat die erfindungsgemäße Maschine ein geringes Gewicht und baut kompakt. Speziell mit der Erfindung ist es möglich, gattungsgemaße Hubkolbenbrennkraftmaschinen bei gegebe­ nen Hubraum mit geringerer Bauhöhe auszuführen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Detailschnitt durch die Pleuel der Fig. 1, geschnitten in der Ebene II-II bei gegenüber Fig. 1 in abgeänderter Lage Drehstellung der Kurbelwellen,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Kolben,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine abgeänderte Form eines Kolbens,

Fig. 6 eine Aufsicht auf den Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine,

Fig. 7 eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Kolbentriebs,

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Doppelkurbeltriebs.

In Fig. 1 sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 8 verwendet. Der Unterschied ge­ genüber der Fig. 8 besteht darin, daß die Kurbelwellen 30 und 32 sich in der Stellung be­ finden, in der die Pleuel 36 und 38 maximal weit nach außen verschwenkt sind und daß die Pleuel nicht geradlinig ausgebildet sind, sondern zur Längsmitte des Motors bzw. Achse des Zylinders 2 hin gekrümmt sind.

Die in der Figur linke Kontur des Pleuels 36 bei geradliniger Ausbildung ist strichpunktiert mit 70 bezeichnet. Wie ersichtlich, würden die Pleuel 36 und 38 bei geradliniger Ausbil­ dung an dem unteren Ende 72 des Zylinders. 2 anstehen, so daß der in der Fig. 1 realisier­ te Hub nicht realisierbar wäre. Durch die einwärts gekrümmte Ausbildung der Pleuel 36 uns 38 und die damit erreichte Konkavität ihrer Außenseiten wird erreicht, daß ein Frei­ raum zwischen dem unteren Bereich 72 des Zylinders 2 und den Pleueln 36 und 38 bei an­ sonsten gleicher Auslegung des Kurbeltriebs (Abstand zwischen den Achsen der Kurbel­ wellen 30 und 32 sowie Abstand des Pleuellagers an der Kurbelwelle von der Kurbelwel­ lenachse) besteht.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Pleuel 36 und 38 in der Stellung der Kurbelwellen 30 und 32, in der sich deren Pleuellager in maximaler gegenseitiger Annäherung befinden. Wegen ihrer Krümmung würden die Innenseiten der Pleuel 36 und 38 in dieser Stellung der maximalen Annäherung in gegenseitige Anlage kommen, was entweder die Krümmung begrenzt oder eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Kurbelwellen erfordert, oder eine Verminderung des Hubs erfordert. Um dies zu vermeiden, sind die Innenflächen der Pleuel 36 und 38 konisch bzw. mit Schrägflächen 76 und 78 ausgebildet, so daß die Pleuel in der Ansicht der Fig. 1 sich in gegenseitige Überlappung bewegen können.

Die Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß der Fig. 3 unterscheidet sich von der der Fig. 1 dadurch, daß das gemäß der Fig. 3 linke Pleuelauge 88 zur Lagerung des mit der gemäß Fig. 3 rechten Kurbelwelle 32 verbundenen Pleuels 38 dient und daß das rechte Pleuelauge 90 des Kolbens 4 zur Lagerung des mit der linken Kurbelwelle 30 verbundenen Pleuels 36 dient. Wie aus der Fig. 3 unmittelbar ersichtlich, kann auf diese Weise der Zy­ linder 2 besonders weit in Richtung auf die Kurbelwelle verlängert werden, ohne daß es zu einer Behinderung mit den Pleueln 36 und 38 kommt. Wie aus Fig. 3 ohne weiteres er­ sichtlich, bewegen sich bei dieser Ausführungsform die Pleuel 36 und 38 zumindest teil­ weise in unterschiedlichen Ebenen, so daß die in der Fig. 3 dargestellte überlappende Be­ wegung möglich ist. Die Pleuel 36 und 38 können in einer abgeänderten Ausführungsform geradlinig ausgebildet sein.

Fig. 4 zeigt eine gegenüber den bisher erläuterten Ausführungsformen unterschiedliche Ausführungsform des Kolbens 92. Der Kolben 92 ist im Querschnitt insgesamt sichelför­ mig ausgebildet, wobei seine konkave Oberseite 94 an den Brennraum (nicht dargestellt) grenzt und die konvexe Unterseite eine Verdickung 96 aufweist, an der die Pleuel 36 und 38 gelagert sind. Mit dieser Ausbildung des Kolbens werden nicht nur die Strömungsver­ hältnisse im Brennraum günstig beeinflußt; die Lagerungen der Pleuel 36 und 38 werden relativ zum Brennraum weit nach unten verschoben, wodurch bezogen auf ein vorgegebe­ nes unteres Ende des Zylinders 2 ein größerer Hub möglich ist.

Eine weitere Ausführungsform eines Kolbens 98 ist in Fig. 5 dargestellt. Der Kolben die­ ser Ausführungsform weist einen insgesamt scheibenförmigen Kolbenboden 100 auf, von dem aus im mittleren Bereich ein Ansatz 102 vorsteht, an dem die Pleuel 36 und 38 gela­ gert sind. Der Ansatz 102 geht zur Gewichtsverminderung des Kolbens 98 vorteilhafter­ weise über eine Einschnürung 104 in den Kolbenboden 98 über. Auch bei dieser Ausfüh­ rungsform des Kolbens 98 ist die Lagerung der Pleuel 36 und 38 weit vom Brennraum ent­ fernt, wodurch der zulässige Hub vergrößert werden kann.

Allen geschilderten Kolben gemeinsam ist, daß sie wegen des fehlenden Hemds im Ver­ gleich zu herkömmlichen Kolben leichter ausgebildet sein können, wobei dieser Vorteil bei dem Kolben gemäß Fig. 1 und 3 am größten ist.

Es versteht sich, daß die beschriebenen Ausführungsformen der Pleuel und deren Anlen­ kung an den Kolben sowie die Kolben selbst miteinander kombiniert werden können. Des weiteren müssen die Lager der Pleuel im Kolben nicht radial voneinander entfernt sein, sondern können gleichachsig sein.

Der Zahneingriff zwischen den Kurbelwellen muß nicht notwendigerweise an deren Ende sein; vielmehr können die Kurbelscheiben, die die Pleuellager tragen und/oder Ausgleichs­ scheiben an ihren Außenumfängen verzahnt sein und miteinander kämmen. Der Abtrieb nach außen kann über eine dieser Verzahnungen erfolgen, wobei mehrere Abtriebswellen, beispielsweise eine mit einem Getriebe verbundene und eine zum Antrieb von Nebenaggre­ gaten vorgesehen sein kann.

Fig. 6 zeigt eine Aufsicht auf zwei Kurbelwellen 30 und 32, wie sie beispielsweise in dem Motor gemäß Fig. 3 vorhanden sind. Schematisch dargestellt ist weiter die versetzte An­ lenkung der Pleuel 36 und 38. An jeder der Kurbelwellen sind starr Zahnscheibenaus­ gleichsscheiben 76 und 78 befestigt, die die durch die Kurbeln bedingten Unwuchten aus­ gleichen. Die Ausgleichsscheiben 76 und 78 sind an ihren Außenumfängen mit Verzahnun­ gen ausgebildet, die bei 34 miteinander kämmen. Auf diese Weise wird eine sichere und spielfreie Verzahnung zwischen den Kurbelwellen 30 und 32 erreicht.

Je nach Anwendungszweck kann der Abtrieb von dem Kurbeltrieb axial über eine der Kur­ belwellen oder über beide Kurbelwellen und/oder über eine oder mehrere der Ausgleichs­ scheiben 76 und 78 erfolgen. Im dargestellten Beispiel sind Abtriebswellen 80 und 82 starr mit Zahnscheiben 84 und 86 verbunden, die mit den Ausgleichsscheiben 76 und 78 käm­ men. Die Anordnung gemäß Fig. 6 ist beispielsweise zum Antreiben von mit zwei Schrau­ ben versehenen Schiffen besonders geeignet. Die Schrauben drehen gegenläufig, so daß das Schiff besonders gut steuerbar ist.

Die Ausführungsform der Fig. 7 unterscheidet sich von der der Fig. 6 dadurch, daß der Abstand zwischen den Achsen der Kurbelwellen 30 und 32 kleiner ist als die doppelte Kur­ bellänge, so daß sich die Kurbelkreise in Stirnansicht durchdringen. Die Kurbeln, an denen die Pleuel 36 und 38 eingreifen, sind entsprechend axial kürzer ausgebildet und liegen ne­ beneinander, wobei die Ausgleichsscheiben 76 und 78 mit gegenüber der Fig. 6 erheblich kleinerem Durchmesser ausgebildet sind.

Es versteht sich, daß der erfindungsgemäße Doppelkurbelwellenmotor nicht auf zweizylin­ drige Ausführungen beschränkt ist; es können mehrere Zwei-Zylinder-Motoren hinterein­ ander angeordnet sein oder die Kurbelwellen eines Motors mit mehreren Kröpfungen zum Anschließen von Pleueln versehen sein.

In der Praxis hat sich für Ottomotoren ein Kurbeltrieb mit folgenden Abmessungen beson­ ders gut bewährt:

Pleuellänge: 160 mm; Kurbelwellenabstand: 135 mm; Kurbelhub: 79 mm.

Für die Praxis günstig ist es, mit folgenden Verhältnissen zu arbeiten:+z Pleuellänge (Abstand zwischen den Lagerachsen eines Pleuels) zu Kurbelwellenabstand (Abstand zwischen den Achsen der Kurbelwellen) zu Kurbelhub (Abstand zwischen Pleuel­ lager und Kurbelwellenachse): 2,2 bis 1,8 zu 1,85 bis 1,55 zu 1,1 bis 0,9.

Bei Dieselmotoren beträgt das Verhältnis Kurbelwellenabstand zu Pleuellänge vorteilhafter­ weise etwa 1 : 1,3.

Für spezielle Anwendungsfälle, und wenn es für die Praxis vorteilhaft ist, beispielsweise bei Verwendung besonders rasch brennender Kraftstoffe oder für Pumpen kann es zweck­ mäßig sein, den Kurbeltrieb mit gegenüber Fig. 1 umgekehrter Drehrichtung laufen zu las­ sen.

Claims (6)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (4) hin- und herbeweglich ist, der über je ein Pleuel (36, 38) mit einer von zwei parallel zueinander angeordneten, über eine Verzahnung 34 miteinander in Eingriff befind­ lichen, sich gegensinnig drehenden Kurbelwellen (30, 32) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuel (36, 38) zur Zylinderachse hin gekrümmt sind.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) zwei in Richtung des gegenseitigen Abstandes der Kurbelwellen (30, 32) von einander beabstandete Pleuelaugen (40, 42) aufweist und die einander zugewandten Seitenflächen der Pleuel (36, 38) derart abgeschrägt (76, 78) sind, daß sich die Pleuel in gegenseitige Überlappung bewegen können.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (4) hin- und herbeweglich ist, der über je ein Pleuel (36, 38) mit einer von zwei parallel zueinander angeordneten, über eine Verzahnung 34 miteinander in Eingriff befind­ lichen, sich gegensinnig drehenden Kurbelwellen (30, 32) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) zwei in Richtung des gegenseitigen Abstandes der Kurbelwellen (30, 32) voneinander beabstandete Pleuellager (40, 42) aufweist, und daß die Pleuel (36, 38) je eine Kurbelwelle (30, 32) mit dem kurbelwellenfernen Pleuellager verbinden.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (4) hin- und herbeweglich ist, der über je ein Pleuel (36, 38) mit einer von zwei parallel zueinander angeordneten, über eine Verzahnung 34 miteinander in Eingriff befind­ lichen, sich gegensinnig drehenden Kurbelwellen (30, 32) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (98) einen insgesamt scheibenförmigen Kolbenboden (100) aufweist, von dessen mittleren Bereich ein Ansatz (102) vorsteht, dessen Endbereich zur Aufnahme der Pleuel (36, 38) ausgebildet ist.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (4) hin- und herbeweglich ist, der über je ein Pleuel (36, 38) mit einer von zwei parallel zueinander angeordneten, über eine Verzahnung 34 miteinander in Eingriff befind­ lichen, sich gegensinnig drehenden Kurbelwellen (30, 32) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (92) im Querschnitt sichelförmig ist, wobei die konkave Seite (94) der Sichel dem Brennraum zugewandt ist und die konvexe Seite zur Aufnahme der Pleuel (36, 38) ausgebildet ist.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verhältnis von Pleuellänge zu Kurbelwellenabstand zu Kurbelhub 2,2 bis 1,8 zu 1,85 bis 1,55 zu 1,1 bis 0,9 beträgt.