DE19846909A1 - Kolbenmotor mit dem Mechanismus der Kolbenstabilisierung - Google Patents

Abstract

In Kolbenmotoren wird ein wesentlicher Teil der Energie für die Überwindung der Massenkräfte der Kolben verbraucht. Dies führt zur Verringerung des effektiven Drucks, Vergrößerung des Brennstoffverbrauchs und zur überflüssigen Verschmutzung der Umwelt durch die Ableitungsgase. Die vorgeschlagene technische Lösung soll den effektiven Druck durch die Verringerung der Kolbenmassen der Kolben und folglich der Massenkräfte vergrößern. DOLLAR A Um dieses Ziel zu erreichen, wird jeder Kolben mit dem Zylinderblock durch den Stabilisierungsmechanismus verbunden, der aus den Hebeln und einer Latte besteht, die in dem Kurbelwellengehäuse aufgebaut ist, mit der Möglichkeit der Drehung um die Achse, die senkrecht zur sekanten, durch die Zylinderachse durchgehende Ebene liegt. Der Stabilisierungsmechanismus vermindert den Pendelschaftkolben und verhindert das Kolbenkippen um den Kolbenbolzen. Deshalb kann die Länge des Kolbenschafts vermindert werden und folglich seine Masse und Massenkräfte. Dies führt zur Vergrößerung des Nutzeffektes, Verminderung des spezifischen Brennstoffverbrauchs und infolgedessen zur Verbesserung der Umwelt. DOLLAR A Die Anwendung ist in allen Kolbenmotoren und Kolbenkompressoren möglich, unabhängig von der Zahl und Aufstellung der Zylinder, die weder entwickelt oder im Betrieb gelaufen werden - durch ihre Modernisierung.

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet des Maschinenbaus, die Verbrennungsmotoren insbesondere. Diese Motoren sind allgemein bekannt. Die Erfindung kann in den Konstruktionen der Otto- und Dieselmotoren für Kraftwagen, Traktoren, Motorräder, Schiffe, Diesellokomotive; Hubschrauber, Flugzeuge und andere bewegende und stationierte Maschinen und Geräte sowie auch für Kolbenkompressoren angewendet werden. Die Anwendung ist sowohl für die Motoren in der Entwicklungsphase als auch für die sich im Betrieb befindenden Motoren - durch ihre Modernisierung - möglich.

Die Erfindung schlägt vor, ein Problem der traditionellen Motoren zu lösen. In diesen Motoren sind die Zylinder vorhanden, in denen es die bewegenden Kolben mit den Kompressions- und Ölabscheideringe gibt. Die Kolben sind mit den Pleueln durch die Kolbenbolzen und die Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden.

Die Beispiele sind auch im Buch von Prof. Dr-Ing. Alfred Urlaub: Verbrennungsmotoren. Grundlagen, Verfahrenstheorie, Konstruktion. Springer-Verlag S. 128-165; Johannes Feihl: Die Diesellokomotive. Transpress-Verlag 1. Auflage, 1997; C.C. Pounder: Marine Diesel Engines. Newnes-Butterworths. London - Boston, 1972 S. 251, 253).

In den bestehenden Kolbenmotoren wird ein wesentliches Teil der bei der Kraftstoffverbrennung ausgesonderten Energie für die Überwindung der Kolbenmassenkräfte verbraucht. Denn am Anfang des Arbeitshubes bekommt der Kolben eine Beschleunigung, die eine Geschwindigkeit vom Null bis Maximum während einer Halbe seines Arbeitshubes versorgt.

Z. B. ist die Kolbenbeschleunigung am Anfang des Arbeitshubes im Motor mit der Drehzahl n = 5800'/min. s = 71 mm gleich 16 350 m/s2.

Unter diesen Riesenbeschleunigungen führt sogar eine kleine Masse, die in Grammen gemessen wird, zu den in den Hunderten Newtons gemessenen Massenkräften. Dabei tendiert die Entwicklung der Motorherstellung zur Drehzahlerhöhung und so auch zur Erhöhung der Kolbenbeschleunigung.

Ein Teil der Energie, die bei der Kraftstoffverbrennung in einem Zylinder ausgesondert worden ist, wird für die Überwindung der Massenkräfte der Kolben und anderen Einzelteilen auch in den übrigen Zylindern verbraucht.

Die Kolben sind in den Zylindern mit dem für ihre freie Bewegung erforderlichen Einbauspiel, das sich die Kolbenlänge entlang zum Feuersteg erhöht, aufgebaut. (s. Urlaub, A.: Verbrennungsmotoren, Band 3. Konstruktion, Springer-Verlag 1989 S. 84, Bild 3.5.).

Dieses Einbauspiel ermöglicht Kolbenkippen und Pendeln um die Kolbenbolzenachse. (Düsan Grunden und 19 Mitautoren: Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der Ottomotoren. Expert-Verlag 1993. Band 404 S. 132 Bild 5.7. Mitte; MAHLE Kolbenkunde: Technisches Handbuch. Karl Schmidt GmbH Werke in Neckarsulm, Hamburg und Rot, 1964, S. 230, Bild 226). Um das Kolbenkippen zu begrenzen und das Steckenbleiben des Kolbens im Zylinder zu vermeiden, muß der Kolbenschaft die notwendige Länge haben, was seine überflüssige Masse, die die Massenkraft erhöht, erzeugt. Die Folge ist die Verminderung des effektiven Drucks und infolgedessen die Erhöhung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs sowie die Verschlechterung der anderen sowohl wirtschaftlichen als auch ökologischen Merkmale durch die überflüssige Menge der abgeleiteten Gase.

Die überflüssige Kolbenlänge vergrößert die Höhe des Zylinderblocks, die Länge der Pleuelstange und ihre Masse. Deshalb werden die Massenkräfte noch größer, was auch zur Vergrößerung der Reibungskräfte in den bewegenden Verbindungen der Kurbelgetriebe führt. Als Ergebnis wird der effektive Druck verringert.

Die überflüssige Masse des Kolben, des Zylinderblocks und anderer Einzelteilen vergrößert auch den Materialverbrauch und den Arbeitsaufwand bei der Motorherstellung.

Die überflüssige Materialmenge im Herstellungsvorgang führt zur Vergrößerung der schädlichen Abfallstoffe und beeinträchtigt die Umwelt. Das Einbauspiel führt auch zum Kolbengeräusch. (Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der Ottomotoren. S. 130, Bild 5.15)

Es gibt Verbrennungsmotoren als Schiffskraftwerken z. B., wo der Pleuel mit dem Kolben durch eine zusätzliche Stange, die durch eine Richtbuchse im unteren Teil des Zylinders läuft, verbunden ist. Diese Stange ist hart an den Kolben gefestigt. Der Scharnier, der die Stange mit dem Pleuel verbindet, stützt sich auf eine zusätzliche Seitenstrebe und bewegt sich sie entlang. (Pounder C.C.: Marine Diesel Engines. Newnes-Butterworths, London-Boston. S. 59, 60, 86, 114, 115). In dieser Konstruktion ist tatsächlich keine Schwingung des Kolben um den Kolbenbolzen vorhanden. Allerdings entsteht wegen einer zusätzlichen Stange die zusätzliche Massenhaft und so erhöht sich das Außenmaß des Motors in seiner Länge.

Im Buch "Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der Ottomotoren" werden für die Perspektive die Kolbenkonstruktionen mit dem verringerten Gewicht vorgeschlagen (S. 131, Bild 5.16.) und die asymmetrische Kolbenbauarten (S. 133, Bild 5.18.). Allerdings wird in diesen Konstruktionen das Vermeiden des Kolbenkippens durch eine örtliche Vergrößerung des Kolbenschaftes auf der Achsenebene, die senkrecht zur Kolbenbolzenachse liegt, erreicht. Die Asymmetrie der Massenverteilung auf dieser Ebene erregt ein zusätzliches Moment des Kolbenkippens durch die Massenkraft.

Nächstliegend in seinem technischen Kern zu diesem Erfindungsvorschlag ist "Kolbenmotor mit reduzierter Kolbenmasse", die Patentanmeldung Nr.: 197 54 480.0 beim Deutschen Patentamt vom 08.12.97. Da enthält der Zylinderblock die Kolben, die durch eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden sind. In diesem Motor sind die in den benachbarten Zylindern vorhandenen und durch die Pleuelstangen mit den diametral befindenden Kurbeln verbundenen Kolben mit dem dünnen breiten biegsamen und elastischen Band verbunden.

Der Querschnitt des Bandes wird in Bogenform gemacht. Deshalb sind die Abschnitte zwischen den Kolben und der Richtleiste geradlinig. Diese Abschnitte liegen mit ihrer breiten Seite auf den zur Kolbenbolzenachse senkrecht liegenden Ebenen. Die Starrheit des Bandes auf seiner Breite und seine Zusammenwirkung mit der Richtleiste verhindern das Kolbenkippen. Dies ermöglicht die Kolbenschaftlänge zu vermindern; außerdem kann auf der Ebene der Triebstangeschwingung die Kolbenmasse und die Massenkräfte verringert werden.

Der Nachteil dieser technischen Lösung ist ihre beschränkte Anwendung, weil sie grundsätzlich nur in den 2- und 4-Zylindermotoren mit der kleinen Kolbenbohrung angewendet werden kann.

Als Grundlage dieses Erfindungsvorschlages dient die Aufgabe der Vervollkommnung des Kolbenmotors unabhängig von der Menge, Aufstellung und Größe der Zylinder durch die Massenkräfteverminderung, die zur Erhöhung des effektiven Drucks, Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und Verbesserung der wirtschaftlichen und ökologischen Merkmale führt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß, entsprechend dem Erfindungsvorschlag, wird jeder Kolben durch Scharnieren mit dem Zylinderblock mittels aufeinanderfolgend miteinander verbundenen Hebeln verbunden. Ein von ihnen ist im Kurbelgehäuse aufgebaut mit der Möglichkeit der Schwingung um die Achse, die senkrecht zur Sekantenebene, die durch die Zylinderachse führt, liegt. Diese Hebelschar bildet der Stabilisierungsmechanismus, der den Kolben vom Kippen um die Kolbenbolzen verhindert. Dieser Mechanismus ermöglicht die Kolbenschaftlänge und die Kolbenmasse zu verringern.

Die Kräfte, die auf die Teile und Kupplungen des Stabilisierungsmechanismus wirken, sind ganz klein im Vergleich mit der Arbeitsbelästigung auf die Kolben, Pleuelstangen und andere Teile und Kupplungen des Kurbelbetriebs, weil sie den Kolben nur vom Drehen um den Kolbenbolzen abhalten und keine unmittelbare Arbeitsbelästigung entgegennehmen.

Die zur Anmeldung vorgelegene Erfindung gewährleistet folgendes technisches Ergebnis:

• - die Scharnierverbindung der Kolben mit dem Zylinderblock mittels des Stabilisierungsmechanismus, der aus den aufeinanderfolgend verbundenen Hebeln besteht, ein von denen in den Kurbelgehäuse aufgebaut ist mit der Möglichkeit der Schwingung um die Achse, die senkrecht zur Sekantenebene liegt, die die Zylinderachse hindurch geht, gewährleistet eine stabile Position der Kolbenachse zur Zylinderachse. Dies ermöglicht den Kolbenschaft und deshalb die Kolbenmasse zu reduzieren.
• - die Kolbenmassereduzierung führt zur Verringerung der Massenkräfte und infolgedessen werden die Energieverluste wegen der Überwindung des inneren Motorwiderstands verringert. Dies erhöht den effektiven Druck und den Wirkungsgrad und verringert den spezifischen Kraftstoffverbrauch.
• - Die Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs verringert die Menge der Ableitungsgase und folglich verbessert die ökologische Situation. Dabei wird infolge der Verminderung der Kraftstoffmenge auch die Menge der im Kurbelgehäuse entstehenden Gase, die vom Katalysator nicht unschädlich gemacht werden können, sondern in die Umwelt durch die Ventilationssysteme des Motors abgeleitet werden, vermindert.
• - Die Verminderung der Kolbenlänge ermöglicht die Zylinderlänge und folglich die Länge des Zylinderblocks zu vermindern sowie auch die Pleuellänge und -masse. Dies vermindert seine Massenkräfte und erhöht zusätzlich den effektiven Druck.
• - Die Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs ermöglicht es, die Durchschnitte und Größen der Rohrleitungen und anderen Bauteilen des Versorgungs- und Ableitungssystems einschließlich Kollektor, Schalldämpfer, Katalysatoren, Klappen, Vergaser, Luft- und Brennstoffilter, Rohre usw. zu vermindern sowie auch die Größe und Masse der Bauteile des Motorsteuerungsmechanismus, was zusätzlich die Massenkräfte vermindert.
• - Die Verminderung des spezifischen Brennstoffverbrauch verringert die Menge der abgeleiteten Wärme. Daher ist eine geringere Menge der Kühlflüssigkeit erforderlich und entsprechend können die Größe und Masse der Kühlsystembauteile (Radiator, Wasserpumpe, Ventilator, Rohre u. s. w.) vermindert werden.
• - Die Verminderung der Kolbenschaftlänge ermöglicht es, das Öl auf der Zylinderlaufbahn zur Zone der maximalen Erwärmung näher zu bringen und deshalb das Einölen und Wärmeableitung zu verbessern.
• - Die Verminderung der Größe und Masse der Baugruppen, Bauteile und des ganzen Motors ermöglicht bei der unveränderten Leistung die Nutzlast auf die von ihm bewegenden Baugruppe zu erhöhen.
• - Der Stabilisierungsmechanismus ermöglicht das Spiel des Kolbenpendelns zu verringern und auf dieser Weise die gegenseitige Position der Arbeitsfläche der Kolbenringe im Kontakt mit der Zylinderlaufbahn zu stabilisieren. Als Ergebnis wird die Abnutzung verringert, die Motorreserve und die Kompression werden erhöht. Dies begünstigt die Laufruhe und vermindert das Kolbengeräusch.
• - Dabei erscheint die Möglichkeit, das Spiel im Feuersteg zu vermindern, d. h. den Biegungsradius des Kolbenschafts im Kontakt mit der Zylinderlaufbahn zu vergrößern. Dies verringert den spezifischen Druck und folglich die Abnutzung und erhöht die Motorreserve. Zusätzlich wird das Einschmieren durch die Unversehrtheit des Schmierfilms und Reibleistungseinfluß verbessert.
• - Die Verminderung der Massenkräfte der Kolben und Pleuel verringert die Belastungen auf alle Bauteile des Kurbelgetriebes einschließlich Kurbelwelle, Lagerschale u. s. w. Dies vermindert die Reibungskräfte, was die Verminderung nicht nur ihrer Größe und Masse sondern auch noch eine zusätzliche Verminderung der mechanischen Verluste ermöglicht.
• - Die Verminderung der Masse und Größe der Bauteile, Baugruppen und des ganzen Motors vermindert den Materialverbrauch, die Arbeitsleistung und andere Kosten bei der Herstellung der Bau- und Ersatzteile.
• - Die Verminderung der ganzen Materialmenge, die während der Herstellung verarbeitet wird, ermöglicht es, die Menge der schädlichen Abfallstoffe zu vermindern, was die Umwelt freundlicher macht.
• - Die Anwendung des Stabilisierungsmechanismus in Kompressoren ermöglicht es, den inneren Widerstand durch die Verminderung der Massenkräfte der Kolben und Pleuel zu verringern und daher die Energie zu sparen.

Das Wesentliche der Erfindung ergibt sich aus der beiliegenden Zeichnung:

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Motor mit Blick auf Kolben und Pleuel.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Ebene A-A der Fig. 1 mit den Hebeln des Stabilisierungsmechanismus in den äußersten Positionen.

Fig. 3 zeigt den Blick I der Fig. 1 mit dem Blick auf den zusammengesetzten 2- Schulterhebel, der auf dem Kurbelzapfen aufgebaut wird, und auf seine Verbindungen mit dem Kolbenstabilisierungsmechanismus.

Fig. 4 zeigt den Blick II der Fig. 2.

Fig. 5 zeigt de Blick B der Fig. 2 mit den selben parallelen Hebeln in den äußersten Positionen.

Fig. 6 zeigt die Variante I der Fig. 1.

Fig. 7 zeigt den Blick C der Fig. 6.

Fig. 8 zeigt die Variante II der Fig. 1 mit dem Blick auf die Zugglieder im Kolbenstabilisierungsmechanismus.

Fig. 9 zeigt einen Schnitt der Ebene D-D der Fig. 8 mit der Aufbauvariante der zwei Zugglieder.

Fig. 10 zeigt die Variante III der Fig. 1.

Fig. 11 zeigt einen Schnitt der Ebene der Fig. 10.

Fig. 12 zeigt einen Schnitt der Ebene der Fig. 11 mit dem Blick auf die gegenseitige Position des Pleuels in den Hebellöchern des Stabilisierungsmechanismus.

Der Motor in den Fig. 1 und 2 umfaßt den Zylinderblock (1) mit den Zylindern (2), den Zylinderkopf (3) und die Ölwanne (4). In den Zylindern (2) laufen die Kolben (5), die Kompressions- und Ölabscheideringe (6) besitzen. Die Kolben (5) sind gelenkig über die Pleuel und die Kolbenbolzen (8) mit den Kurbeln (9) der Kurbelwelle (10) verbunden. Die Kurbelwelle (10) läuft in den Lagern (11) des Zylinderblocks (11). Die Kurbelwelle hat die Gegengewichte.

Jeder Kolben (5) ist mit dem Zylinderblock (1) durch den Stabilisierungsmechanismus verbunden, der einen Hebel enthält (13). Dieser Hebel verbindet den Kolben (5) mit dem zusammengesetzten Hebel (14), der durch die selben parallelen Hebel (15) mit der pendelnden Latte (16) verbunden ist.

Die Latte (16) wird mit den Scharnieren in den Kurbelgehäuse des Zylinderblocks durch einen Träger (17) aufgebaut, der beispielsweise auf den Schrauben (18) befestigt ist, die für die Befestigung des Lagerdeckels (19) der Kurbelwelle (10) vorherbestimmen sind.

Die Latte (16) ist mit einem Ende auf den Träger (17) aufgestellt, mit der Möglichkeit des Pendels um die Achse G, die parallel zur Lattenebene liegt und sich senkrecht zur Längsebene befindet, die durch die Zylinderachse (2) liegt. Auf seinem anderen Ende wird ein Stift (20) aufgebaut mit der Möglichkeit der Drehbewegung um die zur Achse G parallel liegende Achse. Auf den Enden des Stifts (20) werden die Buchsen (21) befestigt mit der Möglichkeit der Drehung zusammen mit dem Stift und die seine Achsenumstellung begrenzen. Die Buchsen (21) werden mit den Zapfen H gemacht, die senkrecht zur Stiftachse liegen und so auf dem Stift befestigt werden, das die Zapfenachsen gegenseitig parallel sind.

Auf den Zapfen H werden zwei gleiche Hebel (15) mit der Möglichkeit der Drehung aufgestellt. Der zusammengesetzte Hebel (14) wird auf den Kurbelzapfen neben dem unteren Pleuelkopf mit der Möglichkeit der Umdrehung aufgebaut. Er ist als eine zusammengesetzte Scheibe, die aus zwei miteinander durch beispielsweise Schweißen L verbundenen Teilen I und K besteht, gemacht. Der Bauteil I wird in Form einer Klammer mit dem inneren Radius, der zum Durchschnitt des Kurbelzapfen (9) paßt, gemacht. Der andere Bauteil K wird als eine Latte mit der Rundung des gleichen Radius gemacht.

Die Verringerung des Kontaktteils des Kurbelzapfen, die von der Aufstellung des Hebels (14) hervorgerufen wird, ist unwesentlich und wird durch die Verminderung der Trägheitsbelastung auf die Pleuelstange ausgeglichen. Der Hebel (14) ist mit zwei Klammern versehen, wo mit der Möglichkeit der Drehung der zweite Stift (20) mit den Buchsen (21) auf den Enden aufgestellt werden, deren Zapfen H auch gegenseitig parallel sind.

Der Abstand zwischen den Achsen der Buchsenzapfen H, die auf dem Hebelstift befestigt sind, ist gleich dem analogen Abstand zwischen diesen Buchsenachsen, die auf dem Lattenstift befestigt sind. Deshalb sind die zwei gleichen Hebel gegenseitig parallel und die Stiftachse auf dem Hebel ist parallel verhältnismäßig der Achse des zweiten Stiftes und der Achse G.

Hebel (13) wird als die Zugstange fürs Herumlegen der Kurbelzapfen, Kolbenbolzennaben und Zylinderwände beim Drehen der Kurbelwelle und der entsprechenden Kolbenbewegung gemacht. Auf den Kolbenbolzennaben werden die Klammer für den Anschluß des Hebels (13) gemacht.

Die Scharnierachsen, die den Hebel (13) mit dem Kolben (5) und dem Hebel (14) verbinden, sind gegenseitig und auch der Kurbelwelleachse parallel.

Der Abstand zwischen den Achsen dieser Scharniere ist gleich dem Abstand zwischen den Achsen der Pleuelköpfe (7). Der Abstand zwischen der Scharnierachse am Kolben und der Achse des Kolbenbolzens ist gleich dem Abstand zwischen der Scharnierachse am Hebel (14) und der Achse des Kurbelzapfens (9). Die Geraden, die die Querpunkte dieser vier Achsen mit der Ebene verbinden, bilden ein Rechteck, das sich bei der Drehung der Pleuelstange in ein Parallelogramm umwandelt.

Bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens (5) dreht sich der Hebel (14) zusammen mit dem Kurbelzapfen (9) und macht die Vorwärtsbewegung. Dabei pendeln die gleichen parallelen Hebel (15) in der Ebene, die senkrecht zur Zapfenachse H liegt und drehen die Latte (16) um die Achse G.

Dadurch bleiben die Achsen der beiden Stifte (20) parallel zur Achse G bei der beliebigen Position des Kurbelzapfens. Infolgedessen wird eine stabile Position der Kolbenachsen zur Zylinderachsen gewährleistet auf der Ebene, die senkrecht zur Achse der Kurbelwelle, d. h. auf der Ebene des Pendelns der Pleuelstange (7), liegt. Auf der sekanten Längsebene, die durch die Zylinderachsen liegt, wird die Position der Kolbenachse mit dem Kolbenbolzen (8) stabilisiert, der den Kolben auch vom Drehen um seine Längsachse verhindert.

Fig. 6 zeigt die Variante I des Teils der Fig. 1. Der Hebel (14), der durch den Hebel (13) mit dem Kolben zusammenwirkt, ist mit der Latte (16) durch den Hebel (22) verbunden. Die Achse des Scharniers, die den Hebel (22) mit der Latte (16) verbindet, ist der Achse G parallel. Der Hebel (22) ist als ein Rahmen gemacht und enthält die Stange M, deren Achse den Achsen der Lattenscharniere, d. h. der Achse G, parallel ist. Der Hebel (14) wird mit dem Hebel (22) durch seine Klammern N, die mit der Stange M verbunden sind, mit der Möglichkeit der Umdrehung und Längsbewegung die Stange entlang.

Die Stabilität der Achse des Kolbens (5) zur Achse des Zylinders (2) wird in dieser Variante durch die Wechselwirkung des Kolbens (5) mit dem Hebel (14) gewährleistet mittels des Hebels (13) und durch die Wechselwirkung des Hebels (14) mit der Stange M, deren Achse zur Achse G bei beliebiger Position der Kurbel (9) und dementsprechend des Kolbens (5) parallel ist.

Fig. 8 zeigt die Variante II der Fig. 1. Der Kolben (5) wird mit dem Hebel (14) mittels zweier Zugglieder (23) verbunden, die beispielsweise aus dem dünnen Stahlseil oder Draht ausgefertigt sind. Die Achsen der beiden Zugglieder sind parallel zur Längsachse der Pleuelstange (7). An einem Ende des Zugglieds wird die Gabel P mit dem Stift (24) befestigt, auf dem anderen Ende - der Zugbolzen Q. Die beiden Zugglieder werden mit den Scharnieren aufgebaut mit der Möglichkeit der Drehung und Spannung mit der Hilfe von den Stiften (24) und (25) und zwei Schraubenmuttern (26) und (27) auf den Zugmäulern R und S, die auf dem Kolben und dem Hebel (14) ausgefertigt werden.

Der Aufbau der Zugglieder ist auch mit der Umbiegung der Zylinderflächen möglich, die ent­ sprechend auf dem Kolben (5) und zusammengesetzten Hebel gemacht werden.

Die Geraden, die die Querpunkte der Achsen dieser Scharniere mit der Ebene, die senkrecht zur Achse der Kurbelwelle liegt, verbinden, bilden ein Rechteck bei den Kolbenpunkte. Bei der Kolbenbewegung und der entsprechenden Drehung der Pleuelstange (7) verwandelt sich dieses Dreieck in einen Parallelogramm. Dies gewährleistet, unter Berücksichtigung der flach-parallelen Vorwärtsbewegung des Hebels (14), eine stabile Position der Kolbenachse zur Zylinderachse.

Fig. 10 zeigt die Variante III der Fig. 1. Der Kolben (5) verbindet sich mit dem Kolbenblock mittels des Hebels (28), der mit einem Ende mittels der Scharniere auf die Kolbenbolzennaben aufgestellt wird und mit dem anderen Ende wird er mit der pendelnden Latte (16) mittels Scharniere verbunden. Die Achsen der beiden Scharniere sind parallel zur Achse G. Der Hebel (28) und die Latte (16) werden mit den Spalten T für die Aufstellung und das Pendeln der Pleuelstange gemacht sowie für die Massenverminderung.

Bei der konstruktiven Notwendigkeit kann die Pleuelstange so gemacht werden, daß der größere Teil ihres Querschnittes auf der Achse, die der Achse der Lager parallel liegt, aufgestellt wird, wie es auf dem Blick T (F-F) gezeigt wird. Dies gewährleistet ein größeres Spiel zwischen der Pleuelstange (7) und den Kolbenwände für die freieren Aufstellung des Hebels (28) und der Latte (16) in der Zylinderhöhle bei ihrem Pendeln während der Motorarbeit.

Die Latte (16) wird auf dem Träger (29) aufgebaut; dabei sind auf dem Träger und der Latte die Rundungen fürs Durchgehen des Gegengewichts (12) der Kurbelwelle (10).

Bei der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kolbens bleibt die Achse des Scharniers, der den Kolben mit dem Hebel verbindet, parallel zur Achse G, was die Stabilität der Kolbenachse zur Zylinderachse bei der beliebigen Position der Kurbel gewährleistet.

Die elastischen Deformationen des Hebels (28) und der Latte (16) und die Spiele in den Scharnierverbindungen, die unter der Wirkung der Seitenkraft Fn und des Kippenmoments von der Reibungskraft im Kontakt Kolbenschaft-Zylinderwände entstehen, werden mittels des Kolbenspiels und der balligen Form des Kolbens ausgeglichen. Dabei kann die Seitenanstrengung Fn teilweise oder völlig durch diese Hebel und Verbindungen angenommen werden, wenn ihre elastische Deformation das Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder nicht überschreitet. Dies vermindert die Verluste für die Reibung und die Größe des Kippenmoments des Kolbens.

In großen Motoren, beispielsweise in Schiffkraftanlagen, ist die Anwendung der Kugellager in den Verbindungen der Bauteile des Stabilisierungsmechanismus möglich. Die Stabilität der Achse des Kolbens ermöglicht seine Länge und Masse zu verringern, d. h. eine bestimmte Menge des Kolben- und Pleuelmaterials zu sparen.

Bei der Motorarbeit unterziehen sich die Hebel des Stabilisierungsmechanismus der Wirkung der Kräfte, die vom Reibungsmoment des Kolbens am Zylinder hervorgerufen werden. Diese Kraft wirkt auf der Schulter, die einem Halbdurchschnitt des Kolbens gleich ist. Die Größe der Reibungskraft ist gleich der normalen Seitenkraft Fn mal Reibungskoeffizient Kraft F_n = f_k.tanχ (Urlaub A: Verbrennungsmotoren. Band 3. Konstruktion S. 12, 13).

Fk ist eine Kraft, die den Kolben beim Takt "Arbeitshub" bewegt. In den herkömmlichen Motoren ist tanχ ≈ 0,24...0,33. Bei der Kolbenarbeit im Kontakt zwischen dem Kolbenschaft und der Zylinderlaufbahn ist die Flüssigkeitsreibung vorhanden, bei der µ = 0,001...0.01. Die Reibungskraft der Kolbenringe beeinflußt das Kippenmoment des Kolbens nicht, denn diese Kraft wird gleichmäßig auf den Kreiskontakt verteilt. Bei µ = 0,01 macht die Reibungskraft, die das Kolbenkippen hervorruft, 0,3 × 0,01 = 0,003 aus, d. h., unter Berücksichtigung der eventuellen Abweichungen, nicht mehr als 0,5% von der Belästigung auf die Bauteile des Kurbelbetriebes. Dabei ist die Kraft Fn und folglich das Kippenmoment des Kolben gleich 0 am Anfang des Takts "Arbeitshub", wenn die Anstrengung auf den Kolben Fk maximal ist, den in diesem Moment tanχ = 0. Dies bedeutet, daß unter Berücksichtigung der relativ kleinen Belästigungen können die Hebel und Baugruppen des Stabilisierungsmechanismus mit kleinen Arbeitsgrößen und -Schnitten ausgefertigt werden. Deshalb kann ihre Masse weniger, als die Masse des gesparten Metalls sein.

Die Hebel und Baugruppen des Stabilisierungsmechanismus arbeiten unter Bedingungen des reichhaltigen Schmierens und bewegen sich mit den Beschleunigungen, die weniger, als die Kolbenbeschleunigungen sind, weil sie kürzere Abschnitte durchgehen. Folglich sind die Massenkräfte, die bei ihrer Bewegung entstehen, kleiner, als die Massenkräfte des gesparten Metalls der Kolben und Lager.

Ein besonders großer Effekt kann bei dieser technischen Lösung in den Motoren mit einem großen Durchschnitt der Zylinder und Kolben erreicht werden auf den Kosten der aus dem leichten Metall ausgefertigten Bauteile des Stabilisierungsmechanismus.

Die Temperatur der Umgebung, in der die Bauteile des Stabilisierungsmechanismus arbeiten, überschreitet 120-130°C nicht. Dies ermöglicht ihre Herstellung aus den thermodauerhaften polymerisierten Kunststoffen, was zur zusätzlichen Verminderung ihrer Masse führt. Dies entspricht den Rechercheergebnissen und Empfehlungen, die im Buch "Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der Ottomotoren" S. 101, Bild 4.16 dargelegt werden.

Die vorgeschlagene technische Lösung ermöglicht es, den effektiven Druck im Motor und den Nutzeffekt zu erhöhen, den spezifischen Brennstoffverbrauch zu verringern, die wirtschaftlichen und ökologischen Merkmale zu verbessern.

Ihre Anwendung ist in allen Kolbenmotoren und Kompressoren möglich, unabhängig von der Zahl, Größe und Aufstellung der Zylinder. Die Anwendung ist sowohl in den entworfenen als auch im Betrieb laufenden Motoren - durch ihre Modernisierung - möglich.

Claims (19)

1. Kolbenmotor mit mindestens einem Zylinder (2), in dem mit der Möglichkeit der Hin- und Herbewegung ein Kolben (5) aufgestellt wird, dessen Bewegung durch den Pleuel (7) in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle (10) umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) mit dem Zylinderblock (1) durch einen Stabilisierungsmechanismus verbunden sind, der aus aufeinanderfolgend gegenseitig verbundenen Hebeln und einer Latte (16) besteht, die (16) in das Kurbelgehäuse mit der Möglichkeit des Pendelns um die Achse, die senkrecht zur sekante, durch die Zylinderachse durchgehende Längsebene liegt.

2. Kolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mit einer Klammer (V) gemacht wird, mit deren er mittels des Hebels (13) beweglich mit dem auf den Kurbelzapfen neben dem Pleuelköpfchen aufgebauten zusammengesetzten Hebel (14) verbunden ist. Dabei wird der zusammengesetzte Hebel (14) mit der Latte (16) mittels des Paares der gleichen Hebel (15) verbunden.

3. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsenquerpunkte des Kolbenbolzens, Kurbelzapfens und der Scharniere des Hebels (13) mit der sekanten Querebene, die durch die Geraden verbunden sind, bei der Kolbentotlage ein Rechteck bilden; dieses Rechteck verwandelt sich in einen Parallelogramm bei der Drehung der Pleuelstange.

4. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichen Hebel (15) mit der Möglichkeit der gleichen Drehung um die Achsen der Scharniere in ihrer Verbindung mit der Latte (16) und dem zusammengesetzten Hebel (14) aufgestellt werden sowie auch mit der Möglichkeit der gleichen Drehung um die Achsen, die senkrecht zu den gegenseitig parallelen Achsen dieser Scharniere liegen.

5. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Hebel (14) als eine Scheibe mit den Klammern gemacht wird, aus mindestens zwei gegenseitig verbundenen Teile besteht und auf dem Kurbelzapfen (9) neben dem Pleuelkopf mit der Möglichkeit der Drehung um die Kurbelzapfen aufgestellt wird.

6. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Hebel (14) aus zwei gegenseitig befestigten Bauteilen besteht, ein von denen in Klammerform (I) gemacht ist mit dem inneren Radius, der dem Kurbelzapfendurchschnitt paßt; der andere Bauteil wird in Lattenform (K) mit den Rundungen des gleichen Radius gemacht.

7. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Hebel (14) beweglich mit dem Zylinderblock (1) verbunden ist mittels des mit der pendelnden Latte (16) verbundenen zusätzlichen Hebels (22), der die Stange M enthält, deren Achse parallel zur Achse G liegt, um die die Latte (16) pendelt; die Achse des Scharniers, der den zusätzlichen Hebel (22) mit der Latte (16) verbindet, ist auch der Achse G parallel.

8. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Hebel (14) mit der Stange M des zusätzlichen Hebels (22) mittels der zwei Klammer N verbunden ist, mit der Möglichkeit der Drehung im Verhältnis zur Achse der Stange M und der Längsumsetzung sie entlang.

9. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) beweglich mit dem zusammengesetzten Hebel (14) mittels mindestens zwei Zugglieder (23) verbunden ist die auf beiden Seiten der Pleuelstange (7) mit der Möglichkeit der Spannung aufgestellt sind.

10. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Zugglieder (23) parallel zur Längsachse der Pleuelstange (7) sind.

11. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Scharniere, die die Zugglieder (23) mit dem Kolben (5) und dem zusammengesetzten Hebel (14) verbunden, parallel zur Achse der Kurbelwelle (10) sind.

12. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querpunkte der Achsen der Scharniere für die Befestigung der Zugglieder auf der sekanten Ebene, die durch die Geraden verbunden sind, bei der Kolbentotlage, ein Rechteck bilden; dieses Rechteck verwandelt sich in einen Parallelogramm bei der Drehung der Pleuelstange.

13. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) und der zusammengesetzte Hebel (14) mit den Zugmäulern für eine bewegliche Befestigung der Zugglieder versehen sind, die sich auf beiden Seiten von der sekanten Ebene, die durch die Achsen des Kolbenbolzens (8) und Kurbelzapfens (9) liegen, befinden.

14. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugglieder (23) aus einem elastischen Material ausgefertigt sind, beispielsweise aus dem dünnen Stahlseil oder Draht, und mit einem Zuganker auf einem Ende und einem Zugbolzen auf dem anderen versehen sind für ihren Aufbau auf dem Kolben (5) und dem zusammengesetzten Hebel (14) mit der Möglichkeit der Spannung.

15. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) beweglich mit dem Zylinderblock mittels des Hebels (28) verbunden ist; der Hebel ist beweglich mit der Latte (16) verbunden; die Achsen dieser Scharniere sind dabei parallel zur Achse G, um die die Latte (16) pendeln kann.

16. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Konturen des Hebels (28) und der Latte (16) der Form des Querschnittes des Zylinders passen, um ihre Aufstellung in der Zylinderhöhle bei der Kolbenumsetzung zu ermöglichen.

17. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (28) und die Latte (16) mit den Spalten für die Aufstellung und das Pendeln der Pleuelstange (7) und für die Massenverminderung ausgefertigt sind.

18. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Latte (16) und der Träger (29), der für ihren Aufbau in das Kurbelgehäuse vorherbestimmt ist, werden mit den Rundungen für die Aufstellung des Gegengewichts (12) bei der Drehbewegung der Kurbelwelle (10) ausgefertigt.

19. Kolbenmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kolben (5) eine Klammer gemacht wird, die sich beispielsweise auf der Kolbenbolzennabe befindet, für eine bewegliche Verbindung mit dem Hebel (28); die Scharnierachse kreuzt sich mit der Kolbenbolzenachse unter dem rechten Winkel.