DE19923021B4

DE19923021B4 - Kurbeltrieb und Kurbeltriebanordnung

Info

Publication number: DE19923021B4
Application number: DE19923021A
Authority: DE
Inventors: Franz Brauers
Original assignee: Brauers Franz Dr
Current assignee: BRAUERS, FRANZ, DR., 91315 HOECHSTADT, DE
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: DE19923021A1

Abstract

Kurbeltrieb einer verbrennungskraftmaschine, bei der die Linearbewegung des Kolbens in die Drehbewegung des Kurbeltriebs umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Linearbewegung bewirkende Kraft auf beide Enden einer mit dem Kolben starr verbundenen, radial zu demselben verlaufenden Kurbelstange (1) wirkt, an der ein mittig zwischen zwei Kurbelzapfen (4) angeordneter Mitnehmer verschiebbar gelagert ist und daß die Kurbelzapfen (4) exzentrisch in zwei parallel zueinander angeordnete Schwungscheiben (3) drehbar gelagert sind

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kurbeltrieb einer Verbrennungskraftmaschine, bei der die Linearbewegung des Kolbens in die Drehbewegung des Kurbeltriebs umgewandelt wird, Anordnungen des Kurbeltriebes und Verbrennungskraftmaschinen unter Verwendung des Kurbeltriebes bzw. der Kurbeltriebanordnungen.
Bisherige Hubkolbenmotoren mit Pleuel und Kurbelwelle haben die Eigenheit, daß aufgrund der Kinematik des Kurbeltriebes die Aufenthaltszeit des Kolbens am oberen Totpunkt kürzer ist als am unteren, was sich nachteilig auf den thermischen Wirkungsgrad auswirkt. Die Kinematik dieser Motoren bewirkt außerdem, daß die Kolbenschürzen an den Zylinderwänden entlanggleiten und dabei beträchtlich Reibleistungsverluste verursachen.
Aus diesen Gründen wäre es wünschenswert, Brennkraftmaschinen zu haben, deren Kinematik streng harmonisch ist und bei der die Kolbenschürzen aufgrund einer ausschließlichen linearen Bewegung der Kolben keine Reibungsverluste verursachen.

Bekannte Maschinen solcher Bauart sind die Kurbelschleifen-Brennkraftmaschinen, wie sie in DE-PS 409 919 und DE-OS 34 47 663 für 2-Takt-Maschinen und in DE PS 241 538 für 4-Takt-Maschinen beschrieben sind.

Weitere Brennkraftmaschinen sind in US 3,386,429 und in EP 0 882 875 A1 beschrieben.

Bei diesen Maschinen werden die genannten bauartbedingten Vorteile jedoch durch andere Nachteile (Reibungsverluste in der Kurbelschleife, Verschleiß) zunichte gemacht.

Die Erfindung hat zum Zweck, einen neuartigen Kurbeltrieb vorzuschlagen, der durch eine hohe mechanische Stabilität ebenso gekennzeichnet ist, wie durch geringe Reibleistungsverluste. Vorteilhafte Ausführungen und Anordnungen dieser Erfindung, die sowohl bei im 2-Takt- wie bei im 4-Takt-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann, werden ebenso beschrieben.

Statt eine Kurbelschleife zu nehmen, in der ein Gleitstein auf und ab läuft, erscheint es zweckmäßiger, ein Rohr oder ein im Querschnitt rechteckiges (auch doppel-T-förmiges) Profil zu nehmen – im folgenden als Kurbelstange bezeichnet – an dem außen ein hülsenförmiger Kraftabnehmer (Manschette) wälz- oder gleitgelagert verschiebbar ist bzw. auf und ab läuft. Zum einen ist bei einer solchen Bauweise die mechanische Stabilität größer, zum anderen wirkt nur die Expansionskraft abzüglich der Massen- und Gaskräfte der Gegenseite auf den Kurbeltrieb.

In 1a ist eine Ausführung mit einem Rohr 1 als Kurbelstange und daran entlanggleitender Manschette 2 dargestellt. Die Kraft wird über die exzentrisch in den Schwungscheiben 3 gelagerten Kurbelzapfen 4 auf die Antriebswelle 5 übertragen.
In den 1b und 1c sind eine im Querschnitt rechteckige (bzw. doppel-T-förmige) Kurbelstange 6 (8), an der eine entsprechend geformte wälz- oder kugelgelagerte Manschette 7 auf und ab läuft, gezeigt.
In 2 ist eine wälzgelagerte Ausführung mit halbkreisförmigen Walzen 9 dargestellt.
Die in den 1, 2 dargestellten Möglichkeiten lassen sich elegant bei kurzhubigen, im 2- oder im 4-Takt-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen einsetzen, indem einfach nur die Kolbenschürzen 10 bis auf die Kurbelstangen gezogen werden (3a). Zur Verlängerung der Kurbelstange und zur Verbreiterung der Manschette können die Kolben auch aufgesetzt werden (siehe 11, 3b, 8).
Bei langhubig ausgelegten Brennkraftmaschinen kann die "inverse" Verfahrensweise, bei der ein Gleitkörper 12 wälz- oder kugelgelagert innerhalb der Kurbelstange entlang läuft, eine sinnvolle Alternative sein, wenn auch hier die Kolbenschürzen auf die Kurbelstange gezogen sind und damit die mechanische Stabilität der Kurbelstange verbessern (vgl. 4).
Zum Einsatz in Verbrennungsmotoren ist es zweckmäßig, mindestens zwei gleiche Baueinheiten der in den 1 – 4 dargestellten Prinzipien zu verwenden, wobei sich die beiden Kraftabnehmer gegenläufig zueinander bewegen sollten, damit die Kraftübertragung unter Vermeidung von Seitenkräften erfolgen kann.
Dazu gibt es prinzipiell zwei sinnvolle Anordnungen, die in den 5 und 6 dargestellt sind. 5 zeigt zwei parallel angeordnete Kurbelstangen an einem von. der Kolbenschubstange 14 bewegten Rahmen 13; 6 zeigt zwei achsgleich hintereinander angeordnete Kurbelstangen, wobei diese auf als Zahnräder ausgeführte Schwungscheiben wirken, die sich aufeinander abwälzen.
Die Anordnung in 5 läßt sich sinnvoll mit 2-Zylinder-2-Takt-Motoren kombinieren, beispielsweise mit der in DE-PS 409 919 beschriebenen Bauart oder auch dergestalt, daß die Kolbenunterseitenpumpen entfallen und die Kolbenschürzen direkt auf den Rahmen 13 gezogen werden (vgl. 3), dafür jedoch der Motor mit einem externen Lader ausgerüstet wird.
Auch mit 4-Takt-Motoren ist die Kombination möglich, beispielsweise mit dem in 7c skizzierten 8-Zylinder-4-Takt-Motor (s.u.) oder auch mit einem 4-Zylinder-4-Takt-Motor dergestalt, daß der Rahmen 13 verbreitert wird, so daß zwei Kolben nebeneinander mit ihren Schürzen angebracht werden können und sich dieses Kolben-Paar einem weiteren auf der gegenüberliegenden Seite achsgleich gegenübersteht.
Bei einem 4-Zylinder-4-Takt-Motor läßt sich weiterhin die in 6 gezeigte Anordnung sinnvoll einsetzen, mit der bereits in DE-PS 241 538 beschriebenen Zündfolge. Noch günstiger jedoch ist diese Anordnung mit einem 8-Zylinder-4-Takt-Motor kombinierbar, wobei die in 7a gezeigte Zündfolge (Zahlenangaben neben den Kolben) jegliche Form von Seitenkräften vermeidet und damit ausgesprochen reibungsarm ist.
8-Zylinder-4-Takt-Motoren mit einem Paar von je vier gegenüberliegenden Zylindern lassen sich in verschiedenen Anordnungen realisieren. Wenn Seitenkräfte ausgeschaltet sein sollen, muß zwischen den 4 Zylindern einer Seite ein Inversionszentrum i angeordnet werden können (7b, c, d; in diesen Skizzen sind lediglich die Kolben einer Seite in Draufsicht dargestellt) und die Zündfolge dergestalt sein, daß jeweils zwei am Inversionszentrum sich spiegelnde Zylinder gleichzeitig zünden.
7a, b gibt die klassisch lineare Anordnung an, 7d eine kompakte verschränkte Form, die auch als Mehrventiler nur zwei Nockenwellen nötig macht (vgl. DE 32 43 013 ). Anordnung nach 7c bietet die Möglichkeit, die Kolbenschubstange zentral zwischen den Zylindern hindurch zu führen und erlaubt es somit, den Kurbeltrieb außerhalb des Motors anzuordnen (vgl. auch 9).
Auch ein 6-Zylinder-Konzept ist denkbar, bei dem sämtliche Seitenkräfte vermieden werden (8). Allerdings befinden sich bei diesem Konzept mal einer und mal zwei Zylinder im Arbeitstakt (vgl. die neben den Kolben angegebene Zündfolge), wodurch die Drehmomentübertragung nicht mehr gleichmäßig erfolgt. Vorteilhaft sind jedoch die kompakte Bauweise und die einfache Konstruktion.
Durch die vorstehenden Merkmale werden die Anforderungen nach dem Hauptanspruch, verbesserter thermischer und mechanischer Wirkungsgrad in Brennkraftmaschinen, gelöst.
Der verbesserte thermische Wirkungsgrad ergibt sich daraus, daß die Kinematik der vorgeschlagenen Brennkraftmaschinen streng harmonisch ist. Dies bewirkt, daß sich der Kolben im Vergleich zu Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit Gelenkpleuel und gekröpfter Kurbelwelle länger bei of verharrt und das maximale Drehmoment bei gleichem Druck nicht schon bei ca. 75° nach ot, sondern bei 90° nach of übertragen werden kann. Beides bewirkt, daß der Zündzeitpunkt später gestellt werden kann, die Wärmeverluste geringer sind und ein verbesserter Drehmomentverlauf resultiert.
Die geringeren Reibleistungsverluste und damit der verbesserte mechanische Wirkungsgrad ergeben sich, weil am Kurbeltrieb nur noch minimierte Massen- und Gaskräfte angreifen, wohingegen bei Motoren mit Kurbelschleife die Massen- und Gaskräfte stets von beiden Seiten auf die Kurbelschleife drücken, was zu erhöhten Reibleistungsverlusten und Verschleiß Anlaß gibt. Im Vergleich zu Brennkraftmaschinen herkömmlicher Bauart gleiten die Kolbenschürzen nicht mehr an den Zylinderwänden entlang.
Zwei zueinander gegenläufige Anordnungen von Kraftabnehmern erlauben den vollständigen Ausgleich der Massenkräfte 1. und 2. Ordnung und unterbinden Seitenkräfte.
Da die Lagerkräfte bei den Kurbelstangentrieben minimiert sind, und auch der Brennverlauf schonender abläuft, kann von Gleit- zu Wälzlagerung übergegangen werden, was die Reibungsverluste weiter reduzieren sollte.
Für Großmotoren kann die in 7c angedeutete Zylinderanordnung mit zentral zwischen den Zylindern hindurchgeführter Kolbenschubstange 14 und Kreuzkopf 16 und konventionellem Kurbeltrieb 17 sinnvoll sein (9; 18 bezeichnet die Kreuzkopflagerung und 19 die Kurbelwellenlagerung). Im Vergleich zu herkömmlichen Hubkolben-Brennkraftmaschinen kann eine ganze Anzahl von Lagern und Pleuelstangen eingespart werden, was die Herstellungskosten reduziert. Da die 8-zylindrige Kolbenbaueinheit 15 immer nur zwischen zwei Gaspolstern hin und her geworfen wird (die Zündfolge ist dergestalt, daß immer zwei diagonal gegenüberliegende Zylinder einer Seite gleichzeitig zünden), bleiben Reibleistungsverluste und Lagerbelastung minimal.
Die in 9 skizzierte Bauweise kann zu beliebig großen Einheiten aneinander gereiht werden. Abgesehen von der dargestellten 8-Zylinder-Variante sind auch 10- und 12- Zylindervarianten denkbar, weil um die zentral angeordnete Kolbenschubstange 14 bis zu sechs Kolben angeordnet werden können.

Claims

Kurbeltrieb einer verbrennungskraftmaschine, bei der die Linearbewegung des Kolbens in die Drehbewegung des Kurbeltriebs umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Linearbewegung bewirkende Kraft auf beide Enden einer mit dem Kolben starr verbundenen, radial zu demselben verlaufenden Kurbelstange (1) wirkt, an der ein mittig zwischen zwei Kurbelzapfen (4) angeordneter Mitnehmer verschiebbar gelagert ist und daß die Kurbelzapfen (4) exzentrisch in zwei parallel zueinander angeordnete Schwungscheiben (3) drehbar gelagert sind
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelstange (1) im Querschnitt rohr- oder kreiszylinderförmig ausgebildet ist, auf der der als Manschette (2) ausgebildete Mitnehmer gleitgelagert ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelstange (6, 8) im Querschnitt rechteckig oder doppel-T-förmig ausgebildet ist, auf der der als Manschette (7) ausgebildete Mitnehmer wälz- oder kugelgelagert ist
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelstange (1) rohr- oder kreiszylinderförmig ausgebildet ist, auf deren beiden Seiten als Walzen (9) ausgebildete Mitnehmer rollen, deren Profile dem Umfang der Kurbelstange (1) angepaßt sind
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelstange (1, 6, 8) im Querschnitt rohr- oder kreiszylinderförmig bzw. rechteckig oder doppel-T-förmig ausgebildet ist, in der ein entsprechend geformter, als Läufer (12) ausgebildeter Mitnehmer wälz- oder kugelgelagert hin und her beweglich ist.
Anordnung der Kurbeltriebe nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Kolben verbundene Kolbenschubstange (14) auf einen Kurbeltriebrahmen (13) mit zwei parallel zueinander angeordneten Kurbelstangen (1, 6, 8) und Mitnehmern (2, 7, 9, 12) wirkt, wobei sich die beiden Mitnehmer (2, 7, 9, 12) gegenläufig zueinander bewegen
Anordnung der Kurbeltriebe nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei axial hintereinander angeordnete Kurbelstangen (1, 6, 8) mit Mitnehmern (2, 7, 9, 12) versehen sind, die sich gegenläufig zueinander bewegen und exzentrisch auf als Zahnräder ausgebildete Schwungscheibeneinheiten wirken, die sich aufeinander abwälzen.
2-Zylinder-2-Takt-Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Seitenkräften an den Kolbenschubstangen (14) eine Kurbeltriebanordnung nach Anspruch 6 vorgesehen ist.
2-Zylinder-2-Takt-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8 mit externem Lader, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Schürze (10) der Kolben bis zum Rahmen (13) verlaufen.
4-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit zwei Reihen von zwei nebeneinanderliegenden Zylindern, die sich achsgleich gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurbeltriebanordnung nach Anspruch 6 vorgesehen ist und daß die seitliche Schürze (10) der Kolben bis zum Rahmen (13) verlaufen.
4-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit zwei Reihen von zwei nebeneinanderliegenden Zylindern, die sich achsgleich gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurbeltriebanordnung nach Anspruch 7 vorgesehen ist, wobei die Schürzen (10) der Kolben bis auf die mittig zwischen die Zylinderreihen angeordneten Kurbelstangen (1, 6, 8) verlängert sind und sich die Mitnehmer (2, 7, 9, 12) gegenläufig zueinander bewegen.
6-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine mit zwei Reihen von drei nebeneinanderliegenden Zylindern, die sich achsgleich gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurbeltriebanordnung nach Anspruch 7 vorgesehen ist, wobei die Schürzen (10) der Kolben bis auf die mittig zwischen die Zylinderreihen angeordneten Kurbelstangen (1, 6, 8) verlängert sind und sich die Mitnehmer (2, 7, 9, 12) gegenläufig zueinander bewegen, mit einer zur Vermeidung von Seitenkräften an den Kolben entsprechenden Zündfolge.
8-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine bestehend aus zwei je vier Zylinder umfassenden Zylinderblöcken, die einander achsgleich gegenüberliegen, wobei die Zylinder eines Blockes dergestalt angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein Inversionszentrum existiert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Zylinderblöcken Kurbeltriebanordnungen nach den Ansprüchen 6 oder 7 so angeordnet sind, und darüber hinaus die Zündfolgen der Zylinder dergestalt erfolgen, daß keine Seitenkräfte an den Kolben auftreten.
8-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine bestehend aus zwei je vier Zylinder umfassenden Zylinderblöcken, die sich achsgleich gegenüberliegen, wobei die Zylinder in den Blöcken rechteckig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenschubstange (14) zentral zwischen den Zylindern eines Blockes hindurch geführt ist und auf eine Kurbeltriebanordnung mit Kurbeltriebrahmen (13) nach Anspruch 6 wirkt.
8-Zylinder-4-Takt-Verbrennungskraftmaschine bestehend aus zwei je vier Zylinder umfassenden Zylinderblöcken, die sich achsgleich gegenüberliegen, wobei die Zylinder in den Blöcken rechteckig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenschubstange (14) zentral zwischen den Zylindern eines Blockes hindurch geführt ist und auf einen Kurbeltrieb mit Kreuzkopf (16), Pleuel und gekröpfter Kurbelwelle (17) nach herkömmlicher Bauart führt, wodurch durch die ausschließlich lineare Führung der acht Kolben umfassenden Kolbenbaueinheit (15) keine Seitenkräfte an den Kolbenschürzen hervorgerufen werden.