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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Eine solche Hubkolbenbrennkraftmaschine ist
aus der
DE 32 38 030
A1 bekannt und wird im folgenden anhand der
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.
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Im Einlaßkanal befindet sich eine Drosselklappe 16 sowie
strömungsabwärts der
Drosselklappe 16 ein Einspritzventil 18. Im Zylinderkopf
befinden sich Zündkerzen 20,
die in den Brennraum einragen.
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Zur Ansteuerung der Zündkerzen 20 und
des Einspritzventils 18 ist ein Steuergerät 22 vorgesehen, dessen
Eingängen
in an sich bekannter Weise Signale von unterschiedlichen Sensoren
zur Erfassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zugeführt werden,
aus denen die Steuersignale zur Steuerung der Einspritzung und der
Zündung
errechnet werden.
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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
können
die Pleuel am Kolben auch koaxial zueinander gelagert sein.
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Eine besondere Eigenschaft des Doppelkurbeltriebs
wird anhand der 9 erläutert: Die
Ordinate stellt den Kolbenhub H und die Abszisse den Drehwinkel
der Kurbelwellen, bezogen auf den unteren Totpunkt UT des Kolbens
dar; das heißt,
zwischen den beiden UT-Stellungen
liegen 360° Kurbelwellendrehung.
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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.
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Bei dem Doppelkurbeltrieb gemäß 8, bei dem die beiden Kurbelwellen 30 und 32 gegenüber der
Mitte des Kolbens 4 symmetrisch versetzt sind, ergibt sich
die durchgezogene Kurve. Ausgehend von der UT-Stellung des Kolbens
drehen sich die gegensinnig drehenden Kurbelwellen 30 und 32,
wobei die gemäß 1 linke Kurbelwelle in Uhrzeigerrichtung
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 einem Viertaktverfahren
steht somit für
den Ansaugtakt und den Arbeitstakt im Vergleich zu einem herkömmlichen
Kurbeltrieb ein größerer Winkelbereich
und damit ein größerer Zeitraum
zur Verfügung,
wodurch die Füllung
und die Ladungsumsetzung begünstigt
werden.
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Eine Eigenart des Doppelkurbeltriebs
besteht darin, daß die
Pleuel 36 und 38 von der Achse 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.
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Aus der WO 98/02028 ist ebenfalls
eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der beigefügten nebengeordneten
Patentansprüche bekannt.
Bei dieser Brennkraft maschine ist der Kolben hemdlos ausgebildet.
Die an den Brennraum grenzende Oberseite des Kolbens ist konkav
ausgebildet. Die Unterseite des Kolbens weist zwei in gegenseitigem
Abstand angeordnete Ansätze
auf, an denen je ein Pleuel gelagert ist, das den Kolben mit derjenigen
der beiden Kurbelwellen verbindet, die dem jeweiligen Ansatz näher ist.
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Aus der
US 2,392,921 ist eine Brennkraftmaschine
mit einem Doppelkurbeltrieb bekannt, wobei jede Kurbelwelle über ein
sogenanntes Knickpleuel mit dem Kolben verbunden ist. Jedes Knickpleuel
ist in zwei Pleuelteile unterteilt, die gelenkig miteinander verbunden
sind, wobei in der Gelenkachse jedes Knickpleuels ein weiterer Hebel
gelagert ist. Die von den Knickpleueln abgewandten Enden der weiteren Hebel
sind koaxial zueinander in einem weiteren Lager maschinenfest gelagert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine
derart auszubilden, daß bei
gegebener Baugröße ein größerer Hub
realisierbar ist.
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Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.
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Der Anspruch 2 ist auf eine vorteilhafte
Weiterbildung der Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Anspruch
1 gerichtet.
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Die Ansprüche 3 und 4 sind auf weitere
Lösungen
der erfindungsgemäßen Aufgabe
gerichtet.
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Der Anspruch 5 kennzeichnet eine
besonders vorteilhafte Dimensionierung der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine.
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Insgesamt wird mit der Efindung eine
Hubkolbenbrennkraftmaschine geschaffen, die gegenüber herkömmlichen
Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit nur einer Kurbelwelle ein höheres 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,
gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschinen
bei gegebenen Hubraum mit geringerer Bauhöhe auszuführen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar:
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1 einen
Querschnitt durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine,
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2 einen
Detailschnitt durch die Pleuel der 1,
geschnitten in der Ebene II-II bei gegenüber 1 in abgeänderter Lage Drehstellung der Kurbelwellen,
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3 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Hubkolbenbrennkraftmaschine,
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4 einen
Querschnitt durch einen Kolben,
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5 einen
Querschnitt durch eine abgeänderte
Form eines Kolbens,
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6 eine
Aufsicht auf den Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine,
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7 eine
Aufsicht auf eine andere Ausführungsform
eines Kolbentriebs,
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8 einen
Querschnitt durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Stand
der Technik und
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9 ein
Diagramm zur Erläuterung
der Funktionsweise des Doppelkurbeltriebs.
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In 1 sind
die gleichen Bezugszeichen wie in 8 verwendet.
Der Unterschied gegenüber der 8 besteht darin, daß die Kurbelwellen 30 und 32 sich
in der Stellung befinden, 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.
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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 Ausbildung an dem unteren Ende 72 des Zylinders 2 anstehen,
so daß der
in der 1 realisierte
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
Freiraum zwischen dem unteren Bereich 72 des Zylinders 2 und
den Pleueln 36 und 38 bei ansonsten gleicher Auslegung
des Kurbeltriebs (Abstand zwischen den Achsen der Kurbelwellen 30 und 32 sowie
Abstand des Pleuellagers an der Kurbelwelle von der Kurbelwellenachse)
besteht.
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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 1 sich
in gegenseitige Überlappung
bewegen können.
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Die Ausführungsform des Kurbeltriebs
gemäß der 3 unterscheidet sich von
der der 1 dadurch, daß das gemäß der 3 linke Pleuelauge 88 zur
Lagerung des mit der gemäß 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 3 unmittelbar ersichtlich, kann auf diese
Weise der Zylinder 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 3 ohne weiteres
ersichtlich, bewegen sich bei dieser Ausführungsform die Pleuel 36 und 38 zumindest
teilweise in unterschiedlichen Ebenen, so daß die in der 3 dargestellte überlappende Bewegung möglich ist. Die
Pleuel 36 und 38 können in einer abgeänderten Ausführungsform
geradlinig ausgebildet sein.
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4 zeigt
eine gegenüber
den bisher erläuterten
Ausführungsformen
unterschiedliche Ausführungsform
des Kolbens 92. Der Kolben 92 ist im Querschnitt
insgesamt sichelförmig
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 Strömungsverhältnisse
im Brennraum günstig
beeinflußt;
die Lagerungen der Pleuel 36 und 38 werden relativ
zum Brennraum weit nach unten verschoben, wodurch bezogen auf ein vorgegebenes
unteres Ende des Zylinders 2 ein größerer Hub möglich ist.
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Eine weitere Ausführungsform eines Kolbens 98 ist
in 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 gelagert
sind. Der Ansatz 102 geht zur Gewichtsverminderung des
Kolbens 98 vorteilhafterweise über eine Einschnürung 104 in
den Kolbenboden 98 über.
Auch bei dieser Ausführungsform des
Kolbens 98 ist die Lagerung der Pleuel 36 und 38 weit
vom Brennraum entfernt, wodurch der zulässige Hub vergrößert werden
kann.
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Allen geschilderten Kolben gemeinsam
ist, daß sie
wegen des fehlenden Hemds im Vergleich zu herkömmlichen Kolben leichter ausgebildet
sein können,
wobei dieser Vorteil bei dem Kolben gemäß 1 und 3 am
größten ist.
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Es versteht sich, daß die beschriebenen Ausführungsformen
der Pleuel und deren Anlenkung 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.
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Der Zahneingriff zwischen den Kurbelwellen muß nicht
notwendigerweise an deren Ende sein; vielmehr können die Kurbelscheiben, die
die Pleuellager tragen und/oder Ausgleichsscheiben 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 Nebenaggregaten vorgesehen sein kann.
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6 zeigt
eine Aufsicht auf zwei Kurbelwellen 30 und 32,
wie sie beispielsweise in dem Motor gemäß 3 vorhanden sind. Schematisch dargestellt
ist weiter die versetzte Anlenkung der Pleuel 36 und 38.
An jeder der Kurbelwellen sind starr Zahnscheibenausgleichsscheiben 76 und 78 befestigt,
die die durch die Kurbeln bedingten Unwuchten ausgleichen. Die Ausgleichsscheiben 76 und 78 sind
an ihren Außenumfängen mit
Verzahnungen ausgebildet, die bei 34 miteinander kämmen. Auf
diese Weise wird eine sichere und spielfreie Verzahnung zwischen
den Kurbelwellen 30 und 32 erreicht.
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Je nach Anwendungszweck kann der
Abtrieb von dem Kurbeltrieb axial über eine der Kurbelwellen oder über beide
Kurbelwellen und/oder über
eine oder mehrere der Ausgleichsscheiben 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 kämmen. Die
Anordnung gemäß 6 ist beispielsweise zum
Antreiben von mit zwei Schrauben versehenen Schiffen besonders geeignet.
Die Schrauben drehen gegenläufig,
so daß das
Schiff besonders gut steuerbar ist.
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Die Ausführungsform der 7 unterscheidet sich von der der 6 dadurch, daß der Abstand zwischen
den Achsen der Kurbelwellen 30 und 32 kleiner
ist als die doppelte Kurbellänge,
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 nebeneinander, wobei die Ausgleichsscheiben 76 und 78 mit
gegenüber
der 6 erheblich kleinerem
Durchmesser ausgebildet sind.
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Es versteht sich, daß der erfindungsgemäße Doppelkurbelwellenmotor
nicht auf zweizylindrige Ausführungen
beschränkt
ist; es können
mehrere Zwei-Zylinder-Motoren hintereinander angeordnet sein oder
die Kurbelwellen eines Motors mit mehreren Kröpfungen zum Anschließen von
Pleueln versehen sein.
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In der Praxis hat sich für Ottomotoren
ein Kurbeltrieb mit folgenden Abmessungen besonders gut bewährt:
Pleuellänge: 160
mm; Kurbelwellenabstand: 135 mm; Kurbelhub: 79 mm.
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Für
die Praxis günstig
ist es, mit folgenden Verhältnissen
zu arbeiten:
Pleuellänge
(Abstand zwischen den Lagerachsen eines Pleuels) zu Kurbelwellenabstand
(Abstand zwischen den Achsen der Kurbelwellen) zu Kurbelhub (Abstand
zwischen Pleuellager und Kurbelwellenachse): 2,2 bis 1,8 zu 1,85
bis 1,55 zu 1,1 bis 0,9.
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Bei Dieselmotoren beträgt das Verhältnis Kurbelwellenabstand
zu Pleuellänge
vorteilhafterweise etwa 1:1, 3 .
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Für
spezielle Anwendungsfälle,
und wenn es für
die Praxis vorteilhaft ist, beispielsweise bei Verwendung besonders
rasch brennender Kraftstoffe oder für Pumpen kann es zweckmäßig sein,
den Kurbeltrieb mit gegenüber 1 umgekehrter Drehrichtung
laufen zu lassen.