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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine bauliche Anordnung für einen Motor mit gegenüberliegenden Kolben und gegenüberliegenden Zylindern.
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Ein Motor mit gegenüberliegenden Kolben und gegenüberliegenden Zylindern (opposed-piston, opposed-cylinder, OPOC) wird in der
US 6,170,443 offenbart, die hiermit vollumfänglich durch Bezugnahme umfasst wird. Der Aufbau der '443 weist eine asymmetrische Anordnung der Kolben auf. Das heißt, dass bei einem der Zylinder der Einlasskolben, d. h. der Kolben, der Einlassöffnungen freimacht, sich näher an der Kurbelwelle befindet als der Auslasskolben. Bei dem anderen Zylinder befindet sich der Auslasskolben näher an der Kurbelwelle als der Einlasskolben. Eine solche Anordnung bringt einige deutliche Vorteile, wie etwa eine nahezu perfekte Auswuchtung des Motors. Jedoch ergeben sich aufgrund der asymmetrischen Anordnung und der Phasenverschiebung zwischen dem Einlass- und dem Auslasskolben einige kleine Beeinträchtigungen, wobei die Verschiebung für Spülzwecke vorgesehen ist. Insbesondere weist die Kurbelwelle eine Split-Pin-Konstruktion auf. Das heißt, dass die Zapfen der Kurbelwelle, an die die Kolben der beiden Zylinder gekoppelt sind, nicht glatte Zylinder sein können, an die die beiden Pleuelstangen gekoppelt sind, sondern zylindrische Kurbelzapfen umfassen, die zueinander versetzt sind (wie in der
9 und
10b in der '443 gezeigt). Dies ist eine kostenintensivere und weniger robuste Konstruktion als die einfacheren einzelnen zylindrischen Zapfen, an die zwei Pleuelstangen gekoppelt sind.
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Des weiteren weist der Motor aus der
'443 , da die inneren Kolben auf andere Weise an die Kurbelwelle gekoppelt sind als die äußeren Kolben, vier deutlich unterschiedliche Kolben auf: einen inneren Einlasskolben, einen äußeren Einlasskolben, einen inneren Auslasskolben und einen äußeren Auslasskolben. Um den Konstruktionsaufwand, den Herstellungsaufwand und die Komplexität zu verringern, ist es wünschenswert, so wenige verschiedene Teile wie möglich zu haben. Andere Beeinträchtigungen umfassen die Optimierung von zwei Brennkammerformen und Öffnungshöhen, d. h. eine für jeden der beiden Zylinder. Eine Brennkammer wird durch einen inneren Einlasskolben und einen äußeren Auslasskolben gebildet, und die andere wird durch einen äußeren Einlasskolben und einen inneren Auslasskolben gebildet. Teil des Grundes für die Uneinheitlichkeit von einem Zylinder zum anderen Zylinder liegt in Unterschieden bei den Fließeigenschaften aufgrund des asymmetrischen Wesens der Ansaug- und Ablasssysteme.
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Um diese Nachteile zu überwinden, wird ein OPOC mit einer symmetrischen Anordnung der Kolben in der
US 7,469,664 offenbart, die hiermit vollumfänglich durch Bezugnahme umfasst wird. Bei dem Motor in der '664 sind zwei ineinandergreifende Pleuelstangen an einen einzigen Zapfen gekoppelt, was im Allgemeinen als eine Gabelstangenkonstruktion bezeichnet wird. Da die Gabelstange über den Zapfen geschoben werden muss, anstatt dass sie einen Lagerdeckel aufweist, der die Positionierung auf dem Zapfen einer einstückigen Kurbelwelle erlaubt, ist die Kurbelwelle ein ”Gefüge”, was bedeutet, dass sie aus mehreren Teilen zusammengebaut ist, wobei der endgültige Zusammenbau erreicht ist, nachdem die Pleuelstangen montiert wurden. Die Herstellung und der Zusammenbau einer solchen Kurbelwelle ist teurer. Man beachte, dass die beiden Zylinder des OPOC in der '664 kollinear sind.
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Um Probleme im Zusammenhang mit einer mehrstückigen Kurbelwelle zu überwinden, werden in den gegenwärtig unveröffentlichten US-Anmeldungen 13/365,558, eingereicht am 3. Februar 2012 bzw. 13/437,207 eingereicht am 2. April 2011, alternative Kopplungsstrategien für innere Kolben und für äußere Kolben offenbart. 13/365,558 und 13/437,207 sind einem gemeinsamen Inhaber zugeordnet und werden hiermit vollumfänglich durch Bezugnahme umfasst. Obwohl derartige offenbarte Lösungen viele Vorteile für den OPOC Motor bieten und die gewünschte symmetrische Anordnung der Kolben vorsehen, sind diese Kopplungsanordnungen in der Industrie einzigartig und bis heute nicht ausgetestet. Für Zwecke der Herstellung in näherer Zukunft bevorzugen einige Hersteller die Verwendung von Technologien, die gut entwickelt sind, und sind daher dabei zurückhaltend, die Kopplungsanordnungen anzuwenden, die in '558 und '207 offenbart werden, bis diese sich weiter bewährt haben.
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Eine vorteilhafte OPOC-Konfiguration gemäß einiger hier offenbarter Ausführungsformen, beruht auf bewährten mechanischen Technologien, sieht eine symmetrische Anordnung der Kolben vor und verwendet eine einstückige Kurbelwelle.
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Es ist ein Verbrennungsmotor offenbart, der umfasst: eine einstückige Kurbelwelle, einen Block, in dem die Kurbelwelle gelagert ist, wobei der Block zwei Zylinder definiert, wobei ein erster der beiden Zylinder bezüglich der Kurbelwelle im Wesentlichen gegenüber einem zweiten der beiden Zylinder angeordnet ist, und eine Mittelachse des ersten Zylinders von einer Mittelachse der zweiten Achse um einen vorbestimmten Abstand versetzt ist, einen ersten Einlasskolben und einen ersten Auslasskolben, die in den ersten Zylinder eingesetzt sind, wobei der erste Auslasskolben näher an der Kurbelwelle ist, als der erste Einlasskolben, und einen zweiten Einlasskolben und einen zweiten Auslasskolben, die in den zweiten Zylinder eingesetzt sind, wobei der zweite Auslasskolben näher an der Kurbelwelle ist, als der zweiten Einlasskolben.
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Der Motor kann eine erste Druckstange, die zwischen einem Mittelzapfen der Kurbelwelle und dem ersten Auslasskolben gekoppelt ist, und eine zweite Druckstange aufweisen, die zwischen dem Mittelzapfen der Kurbelwelle und dem zweiten Auslasskolben gekoppelt ist, wobei die erste Druckstange und die zweite Druckstange zueinander benachbart sind, und der vorbestimmte Abstand, um den die Zylinder versetzt sind, im Wesentlichen gleich einem Abstand zwischen den Druckstangen entlang einer Drehachse der Kurbelwelle ist.
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Bei einigen Ausführungsformen ist ein erstes Paar Schalenlager auf dem Mittelzapfen platziert, wobei das erste Paar Schalenlager sich zwischen dem Mittelzapfen und der ersten Druckstange befindet, und ein zweites Paar Schalenlager ist auf dem Mittelzapfen platziert, wobei das zweite Paar Schalenlager sich zwischen dem Mittelzapfen und der zweiten Druckstange befindet, wobei das erste Paar Schalenlager zu dem zweiten Paar Schalenlager benachbart ist. Alternativ ist ein einzelner Teil der Schalenlager auf dem Mittelzapfen platziert, wobei die erste und die zweite Druckstange an die Außenfläche der Schalenlager gekoppelt sind.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst zumindest eines des Paars Schalenlager eine sich nach außen erstreckende Nase; die erste Druckstange weist eine Ausnehmung auf, die auf einer Oberfläche der ersten Druckstange definiert ist, die mit den Schalenlagern ineinander geschachtelt ist; und die Nase ist mit der Ausnehmung in Eingriff.
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Bei einigen Ausführungsformen weist die Kurbelwelle mindestens fünf Zapfen auf: einen mittleren Exzenterzapfen, einen vorderen Exzenterzapfen, einen hinteren Exzenterzapfen, einen vorderen Hauptzapfen, der eine Drehachse hat, die mit einer Drehachse der Kurbelwelle kollinear ist, und einen hinteren Hauptzapfen, der eine Drehachse hat, die mit einer Drehachse der Kurbelwelle kollinear ist. Der Motor umfasst ferner: eine erste hintere Zugstange, die zwischen dem hinteren Zapfen der Kurbelwelle und dem ersten Einlasskolben gekoppelt ist, eine erste vordere Zugstange, die zwischen dem vorderen Zapfen der Kurbelwelle und dem ersten Einlasskolben gekoppelt ist, eine zweite hintere Zugstange, die zwischen dem hinteren Zapfen der Kurbelwelle und dem zweiten Einlasskolben gekoppelt ist, und eine zweite vordere Zugstange, die zwischen dem vorderen Zapfen der Kurbelwelle und dem zweiten Einlasskolben gekoppelt ist.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Motor ferner: ein erstes hinteres Paar Schalenlager, die auf dem hinteren Zapfen platziert sind, wobei das erste hintere Paar Schalenlager sich zwischen dem hinteren Zapfen und der ersten hinteren Zugstange befindet, ein zweites hinteres Paar Schalenlager, die auf dem hinteren Zapfen platziert sind, wobei das zweite hintere Paar Schalenlager sich zwischen dem hinteren Zapfen und der zweiten Zugstange befindet, wobei das erste hintere Paar Schalenlager zu dem zweiten hinteren Paar Schalenlager benachbart ist, ein erstes vorderes Paar Schalenlager, die auf dem vorderen Zapfen platziert sind, wobei das erste vordere Paar Schalenlager sich zwischen dem vorderen Zapfen und der ersten vorderen Zugstange befindet, und ein zweites vorderes Paar Schalenlager, die auf dem vorderen Zapfen platziert sind, wobei das zweite vordere Paar Schalenlager sich zwischen dem vorderen Zapfen und der zweiten Zugstange befindet, wobei das erste vordere Paar Schalenlager zu dem zweiten vorderen Paar Schalenlager benachbart ist.
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Einige Ausführungsformen umfassen ein hinteres Paar Schalenlager, die auf dem Mittelzapfen platziert sind, wobei die erste und die zweite hintere Zugstange an die Außenfläche des hinteren Paars Schalenlager gekoppelt sind, und ein vorderes Paar Schalenlager, die auf dem Mittelzapfen platziert sind, wobei die erste und die zweite vordere Zugstange an die Außenfläche des vorderen Paars Schalenlager gekoppelt sind. Bei einigen Alternativen umfasst zumindest eines des hinteren Paars Schalenlager eine sich nach außen erstreckende Nase; die erste hintere Zugstange weist eine Ausnehmung auf, die auf einer Oberfläche der ersten hinteren Zugstange definiert ist, die mit den Schalenlagern ineinander geschachtelt ist; die zu dem hinteren Paar Schalenlager gehörige Nase ist mit der zu der ersten hinteren Zugstange gehörigen Ausnehmung in Eingriff; zumindest eines des vorderen Paars Schalenlager umfasst eine sich nach außen erstreckende Nase; die erste vordere Zugstange weist eine Ausnehmung auf, die auf einer Oberfläche der ersten vorderen Zugstange definiert ist, die mit den Schalenlagern ineinander geschachtelt ist; und die zu dem vorderen Paar Schalenlager gehörige Nase ist mit der zu der ersten vorderen Zugstange gehörigen Ausnehmung in Eingriff.
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Bei einigen Ausführungsformen ist die Kurbelwelle eine einstückige oder einteilige Kurbelwelle. Der vordere und der hintere Exzenterzapfen weisen eine im Wesentlichen identische Kurbelkröpfung und im Wesentlichen gleiche Phaseneinstellung auf. Der Mittelzapfen weist eine größere Kurbelkröpfung als die Kurbelkröpfung des vorderen und hinteren Exzenterzapfens auf und ist bezüglich des vorderen und hinteren Exzenterzapfens um zwischen 150 bis 180 Grad versetzt.
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Ebenfalls offenbart ist ein Verbrennungsmotor mit einer einstückigen Kurbelwelle, einem Block, in dem die Kurbelwelle gelagert ist, wobei der Block zwei Zylinder definiert, wobei ein erster der beiden Zylinder bezüglich der Kurbelwelle im Wesentlichen gegenüber einem zweiten der beiden Zylinder angeordnet ist, zwei im Wesentlichen identischen inneren Kolben, von denen einer in den ersten Zylinder eingesetzt und der andere in den zweiten Zylinder eingesetzt ist, und zwei im Wesentlichen identischen äußeren Kolben, von denen einer in den ersten Zylinder eingesetzt und der andere in den zweiten Zylinder eingesetzt ist, wobei die inneren Kolben sich näher an der Kurbelwelle befinden können, als die zwei äußeren Kolben. Der Block kann des Weiteren definieren: eine innere Mehrzahl von Öffnungen in jedem Zylinder; und eine äußere Mehrzahl von Öffnungen in jedem Zylinder, wobei eine der inneren und äußeren Mehrzahl von Öffnungen, die in jedem Zylinder definiert ist, mit einer Lufteinlassleitung gekoppelt ist, der angepasst ist, Druckluft von einem Kompressor zu empfangen.
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Bei einigen Alternativen ist eine Mittelachse des ersten Zylinders von einer Mittelachse der zweiten Achse um einen vorbestimmten Abstand versetzt. Eine erste Druckstange ist zwischen einem Mittelzapfen der Kurbelwelle und dem inneren Kolben im ersten Zylinder gekoppelt. Eine zweite Druckstange ist zwischen dem Mittelzapfen der Kurbelwelle und dem inneren Kolben im zweiten Zylinder gekoppelt. Die erste Druckstange und die zweite Druckstange sind zueinander benachbart, und der vorbestimmte Abstand, um den die Zylinder versetzt sind, ist im Wesentlichen gleich einem Abstand, um den die erste und die zweite Stößelstange entlang einer Mittelachse der Kurbelwelle zueinander verschoben sind.
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In einer Alternative sind die beiden inneren Kolben Auslasskolben, und die beiden äußeren Kolben sind Einlasskolben. In einer weiteren Alternative sind die beiden inneren Kolben Einlasskolben, und die beiden äußeren Kolben sind Auslasskolben. Eine Mittelachse des ersten Zylinders kann von einer Mittelachse der zweiten Achse um einen vorbestimmten Abstand versetzt sein.
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Bei einigen Ausführungsformen befindet sich die innere Mehrzahl von Öffnungen in einem ersten vorbestimmten Abstand von der Kurbelwelle, und die äußere Mehrzahl von Öffnungen befindet sich in einem zweiten vorbestimmten Abstand von der Kurbelwelle, wobei der zweite vorbestimmte Abstand grob das Doppelte des ersten vorbestimmten Abstandes beträgt. Der Motor kann des Weiteren eine Ablassleitung, die mit der inneren Mehrzahl von Öffnungen fluidmäßig gekoppelt ist, und eine Einlassleitung umfassen, die mit der äußeren Mehrzahl von Öffnungen fluidmäßig gekoppelt ist.
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Bei einigen Ausführungsformen ist eine Mittelachse des ersten Zylinders von einer Mittelachse der zweiten Achse um einen vorbestimmten Abstand versetzt; die inneren Kolben sind angepasst, um sich in ihren jeweiligen Zylindern zwischen einer unteren Mittenposition, in der sie sich der Kurbelwelle am nächsten befinden, und einer oberen Mittenposition, in der sie sich am weitesten von der Kurbelwelle weg befinden, hin und her zu bewegen; die äußeren Kolben sind angepasst, um sich in ihren jeweiligen Zylindern zwischen einer oberen Mittenposition, in der sie sich der Kurbelwelle am nächsten befinden, und einer unteren Mittenposition, in der sie sich am weitesten von der Kurbelwelle weg befinden, hin und her zu bewegen; eine innere Mehrzahl von Öffnungen ist in den Zylindern in einem ersten vorbestimmten Abstand von der Kurbelwelle definiert, wobei die innere Mehrzahl von Öffnungen einer Oberseite des dazugehörigen inneren Kolbens benachbart ist, wenn sich der innere Kolben an seiner unteren Mittenposition befindet; und eine äußere Mehrzahl von Öffnungen ist in den Zylindern in einem zweiten vorbestimmten Abstand von der Kurbelwelle definiert, wobei die äußere Mehrzahl von Öffnungen einer Oberseite des dazugehörigen äußeren Kolbens benachbart ist, wenn sich der äußere Kolben an seiner unteren Mittenposition befindet.
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Der Motor kann des Weiteren umfassen: eine erste Zugstange, die zwischen einem vorderen Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem ersten Zylinder gekoppelt ist; eine zweite Zugstange, die zwischen einem vorderen Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem zweiten Zylinder gekoppelt ist; eine dritte Zugstange, die zwischen dem hinteren Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem ersten Zylinder gekoppelt ist; und eine vierte Zugstange, die zwischen dem hinteren Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem zweiten Zylinder gekoppelt ist, wobei die erste Zugstange und die zweite Zugstange zueinander benachbart sind und der vorbestimmte Abstand, um den die Zylinder versetzt sind, im Wesentlich gleich einem Abstand ist, um den die erste und die zweite Druckstange zueinander entlang einer Mittelachse der Kurbelwelle verschoben sind, und gleich einem Abstand ist, um den die dritte und die vierte Druckstange zueinander verschoben sind, wobei die Hin- und Herbewegung der Kolben, Druckstangen und Zugstangen zu einer Unwucht entlang der Richtung der Hin- und Herbewegung der Kolben führt; der Schwerpunkt der Kurbelwelle ist zu einer Drehachse der Kurbelwelle versetzt, um ungefähr die Hälfte der Unwucht aufgrund der Hin- und Herbewegung der Kolben zu überwinden. Auch kann der Motor umfassen: eine an die Kurbelwelle gekoppelte Kurbelwellenrolle; eine Hilfsrolle, die sich mit derselben Drehzahl wie die Kurbelwellenrolle in die entgegengesetzte Richtung dreht, wobei die Kurbelwellenrolle und die Hilfsrolle über ein flexibles Element in Eingriff sind; eine Hilfswelle und ein Hilfsteil, die an die Kurbelwellenrolle gekoppelt sind und sich mit ihr drehen; und ein Gegengewicht, das an die Hilfswelle gekoppelt ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Motor eine Kurbelwelle und einen Block auf, in dem die Kurbelwelle gelagert ist. Der Block definiert zwei Zylinder, wobei ein erster der beiden Zylinder bezüglich der Kurbelwelle im Wesentlichen gegenüber einem zweiten der beiden Zylinder angeordnet ist, und eine Mittelachse des ersten Zylinders ist von einer Mittelachse der zweiten Achse um einen ersten vorbestimmten Versatz versetzt. Der Motor umfasst: eine Mehrzahl von inneren Öffnungen, die in dem ersten Zylinder definiert sind, wobei sich eine innere Kante der inneren Öffnungen in einem ersten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet und sich eine äußere Kante der inneren Öffnungen in einem zweiten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet, eine Mehrzahl von inneren Öffnungen, die in dem zweiten Zylinder definiert sind, wobei sich eine innere Kante der inneren Öffnungen in dem ersten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet und sich eine äußere Kante der inneren Öffnungen in dem zweiten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet, eine Mehrzahl von äußeren Öffnungen, die in dem ersten Zylinder definiert sind, wobei sich eine innere Kante der äußeren Öffnungen in einem dritten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet und sich eine äußere Kante der äußeren Öffnungen in einem vierten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet, und eine Mehrzahl von äußeren Öffnungen, die in dem zweiten Zylinder definiert sind, wobei sich eine innere Kante der äußeren Öffnungen in dem dritten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet und sich eine äußere Kante der äußeren Öffnungen in dem vierten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet. Die Mehrzahl innerer Öffnungen, die in dem ersten Zylinder definiert sind, kann um den ersten Zylinder herum angeordnet werden. Die Mehrzahl innerer Öffnungen, die in dem zweiten Zylinder definiert sind, kann um den zweiten Zylinder herum angeordnet werden. Die Mehrzahl äußerer Öffnungen, die in dem ersten Zylinder definiert sind, kann um den ersten Zylinder herum angeordnet werden. Die Mehrzahl äußerer Öffnungen, die in dem zweiten Zylinder definiert sind, kann um den zweiten Zylinder herum angeordnet werden. Die Öffnungen können im Wesentlichen um den Umfang des entsprechenden Zylinders angeordnet werden.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Motor des Weiteren: eine Mehrzahl von äußersten Öffnungen, die in dem ersten Zylinder definiert sind, wobei sich eine innere Kante der äußersten Öffnungen in einem fünften vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet und sich eine äußere Kante der äußersten Öffnungen in einem sechsten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet, und eine Mehrzahl von äußersten Öffnungen, die in dem zweiten Zylinder definiert sind, wobei sich eine innere Kante der äußersten Öffnungen in dem fünften vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet und sich eine äußere Kante der äußersten Öffnungen in dem sechsten vorbestimmten Abstand zu der Kurbelwelle befindet.
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Bei einigen Ausführungsformen sind die Mehrzahlen innerer Öffnungen Auslassöffnungen; die Mehrzahlen äußerer Öffnungen sind primäre Einlassöffnungen; die Mehrzahlen äußerster Öffnungen sind sekundäre Einlassöffnungen; und alle Öffnungen sind im Wesentlichen als eines der folgenden ausgebildet: ein Rechteck, ein Parallelogramm, ein Oval und ein Kreis.
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Bei einigen Ausführungsformen befinden sich die äußeren Öffnungen weiter von der Kurbelwelle weg als die inneren Öffnungen; die inneren Öffnungen sind Auslassöffnungen; und die äußeren Öffnungen sind Einlassöffnungen.
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Der Motor kann des Weiteren umfassen: zwei im Wesentlichen identische inneren Kolben, von denen einer in den ersten Zylinder eingesetzt und der andere in den zweiten Zylinder eingesetzt ist; und zwei im Wesentlichen identische äußeren Kolben, von denen einer in den ersten Zylinder eingesetzt und der andere in den zweiten Zylinder eingesetzt ist, wobei die inneren Kolben sich näher an der Kurbelwelle befinden als die äußeren Kolben.
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Der Motor kann ferner umfassen: eine erste Druckstange, die zwischen einem Mittelzapfen der Kurbelwelle und dem inneren Kolben in dem ersten Zylinder gekoppelt ist; und eine zweite Druckstange, die zwischen dem Mittelzapfen der Kurbelwelle und dem inneren Kolben in dem zweiten Zylinder gekoppelt ist, wobei die erste Druckstange und die zweite Druckstange zueinander benachbart sind, und der vorbestimmte Abstand, um den die Zylinder versetzt sind, im Wesentlichen gleich einem Abstand ist, um den die erste und die zweite Druckstange entlang einer Mittelachse der Kurbelwelle zueinander verschoben sind. Des Weiteren kann der Motor umfassen: eine erste Zugstange, die zwischen einem vorderen Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem ersten Zylinder gekoppelt ist; eine zweite Zugstange, die zwischen einem vorderen Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem zweiten Zylinder gekoppelt ist; eine dritte Zugstange, die zwischen dem hinteren Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem ersten Zylinder gekoppelt ist; und eine vierte Zugstange, die zwischen dem hinteren Exzenterzapfen der Kurbelwelle und dem äußeren Kolben in dem zweiten Zylinder gekoppelt ist, wobei die erste Zugstange und die zweite Zugstange zueinander benachbart sind und der vorbestimmte Abstand, um den die Zylinder versetzt sind, im Wesentlich gleich einem Abstand ist, um den die erste und die zweite Druckstange zueinander entlang einer Mittelachse der Kurbelwelle verschoben sind, und gleich einem Abstand ist, um den die dritte und die vierte Stößelstange zueinander verschoben sind.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Motor ferner: ein erstes hinteres Paar Schalenlager, das auf dem hinteren Zapfen platziert ist, wobei das erste hintere Paar Schalenlager sich zwischen dem hinteren Zapfen und der ersten hinteren Zugstange befindet; ein zweites hinteres Paar Schalenlager, das auf dem hinteren Zapfen platziert ist, wobei das zweite hintere Paar Schalenlager sich zwischen dem hinteren Zapfen und der zweiten Zugstange befindet, wobei das erste hintere Paar Schalenlager zu dem zweiten hinteren Paar Schalenlager benachbart ist; ein erstes vorderes Paar Schalenlager, das auf dem vorderen Zapfen platziert ist, wobei das erste vordere Paar Schalenlager sich zwischen dem vorderen Zapfen und der ersten vorderen Zugstange befindet; und ein zweites vorderes Paar Schalenlager, das auf dem vorderen Zapfen platziert ist, wobei das zweite vordere Paar Schalenlager sich zwischen dem vorderen Zapfen und der zweiten Zugstange befindet, wobei das erste vordere Paar Schalenlager zu dem zweiten vorderen Paar Schalenlager benachbart ist. Alternativ umfasst der Motor des Weiteren: ein hinteres Paar Schalenlager, die auf dem Mittelzapfen platziert sind, wobei die erste und die zweite hintere Zugstange an die Außenfläche des hinteren Paars Schalenlager gekoppelt sind; und ein vorderes Paar Schalenlager, die auf dem Mittelzapfen platziert sind, wobei die erste und die zweite vordere Zugstange an die Außenfläche des vorderen Paars Schalenlager gekoppelt sind.
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Die Hin- und Herbewegung der Kolben, Druckstangen und Zugstangen kann zu einer Unwucht entlang der Richtung der Hin- und Herbewegung der Kolben führen; der Schwerpunkt der Kurbelwelle ist zu einer Drehachse der Kurbelwelle versetzt, um ungefähr die Hälfte der Unwucht aufgrund der Hin- und Herbewegung der Kolben zu überwinden. Die verschiedenen offenbarten Ausführungsformen umfassen einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
- • eine Kurbelwelle ohne Splinte;
- • identische linke und rechte Zylinderblöcke;
- • unauswuchtete Kräfte nur erster Ordnung, die durch eine Gewichtung der Kurbelwelle in der Art überwunden werden können, dass der Schwerpunkt bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle versetzt ist;
- • symmetrische Anordnung der Kolben mit gemeinsamen inneren Kolben und gemeinsamen äußeren Kolben, d. h., jeweils zwei von zwei Kolbenkonstruktionen, im Gegensatz zu einigen früheren Konstruktionen, die jeweils eine von vier Kolbenkonstruktionen aufwiesen;
- • die Einlass- und Auslassflansche und -öffnungen sind symmetrisch;
- • die Kopplung der Pleuelstangen an die Zapfen basiert auf wohlbekannten Technologien, die in der Industrie seit Jahrzehnten verwendet werden;
- • eine steifere, einstückige Kurbelwelle, im Gegensatz zu einer mehrteiligen Kurbelwelle oder Split-Pin-Kurbelwellen, die in einigen früheren Konstruktionen verwendet wurden; und
- • im Wesentlichen identische Brennkammerkonfigurationen in den beiden Zylindern.
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1 ist eine isometrische Ansicht eines OPOC-Motors nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist eine isometrische Ansicht eines Kurbeltriebs des Motors aus 1;
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3 ist eine Querschnittsdraufsicht der Zylinderbuchse und der Kurbelwelle des Motors aus 1;
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4 ist eine isometrische Ansicht der Kurbelwelle des Motors aus 1;
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5–7 sind Darstellungen eines Teilbereichs des Antriebsstrangs nach mehreren Ausführungsformen im Querschnitt;
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8 zeigt einen Teilabschnitt eines Lagersatzes;
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9 ist eine Darstellung eines OPOC-Motors mit einem Hilfsteil, das in den äußeren Kolben installiert ist;
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10 ist ein Diagramm, das die Trägheitskraft in der axialen Richtung der Zylinder für den OPOC-Motor aus 1 ohne Auswuchtmaßnahmen zeigt, verglichen mit einem herkömmlichen Vierzylinderreihendieselmotor, beide bei derselben Motordrehzahl;
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11 ist ein Diagramm, das die Trägheitskraft in der axialen Richtung der Zylinder für den unausgewuchteten OPOC-Motor, die Wirkungen des Hinzufügens eines Gegengewichts an die Kurbelwelle und an Motorhilfsteile und die resultierenden Trägheitskräfte zeigt, wenn die Gegengewichte angewandt werden; und
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12 ist eine isometrische Darstellung eines Hilfsantriebs zur Verbesserung des Wuchtzustandes.
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Wie der Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale der gezeigten und unter Bezugnahme auf eine der Figuren beschriebenen Ausführungsformen mit in einer oder mehr anderen Figuren gezeigten Merkmalen kombiniert werden, um alternative Ausführungsformen zu ergeben, die nicht explizit gezeigt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von gezeigten Merkmalen sehen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen vor. Jedoch können verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung konsistent sind, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen gewünscht sein. Der Durchschnittsfachmann mag ähnliche Anwendungen oder Implementierungen erkennen, ob sie explizit beschrieben oder beschrieben sind oder nicht.
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In 1 wird eine isometrische Ansicht eines Motors 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Motor 10 weist einen linken Zylinder 12 und einen rechten Zylinder 14 auf. Der Motor 10 weist ein Abgassystem auf, um das Abgas aus dem Inneren der Zylinder zu leiten; Leitungen 16 sind Teil des Abgassystems. Druckluft wird durch ein Einlasssystem den Zylindern zugeführt, wobei Leitungen 18 Teil des Einlassystems sind. Ein Turbolader, Verdrängerlader, eine kolbenbetriebene Spülpumpe oder jeder geeignete Kompressor kann zur Bereitstellung der Druckluft verwendet werden; ein solcher Kompressor ist nicht gezeigt. Der Motor 10 weist eine Kurbelwelle 20 auf. In 1 wird ein einziger Einlass pro Zylinder gezeigt. Alternativ weist jeder Zylinder zwei Einlässe auf: einen, der mit primären Einlassöffnungen fluidmäßig gekoppelt ist, und einen, der mit sekundären Einlassöffnungen fluidmäßig gekoppelt ist.
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Bezug nehmend auf 2 wird ein Kurbeltrieb des Motors 10 gezeigt. Die Kurbelwelle 20 ist mit den inneren Kolben 30 über Druckstangen 34 gekoppelt, und mit äußeren Kolben 32 über Zugstangen 36. Bei einer Ausführungsform sind die inneren Kolben 30 Auslasskolben, und die äußeren Kolben 32 sind Einlasskolben. Alternativ sind die inneren Kolben 30 Einlasskolben, und die äußeren Kolben 32 sind Auslasskolben. Große Enden der Stößelstangen 32 und der Zugstangen 36 sind zweigeteilt, wie im Stand der Technik bekannt. Wenn sie über eine Spaltbildung geteilt sind, ist die Spaltlinie im Wesentlichen unsichtbar und somit in der 2 nicht gezeigt. Zu den großen Enden der Druckstangen 32 und der Zugstangen 36 gehörige Bolzen zeigen an, dass dies zweiteilige Baugruppen sind, um die Montage auf die Zapfen der Kurbelwelle 20 zu erleichtern.
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In 3 wird ein horizontaler Querschnitt des Motors 10 gezeigt. Die Kurbelwelle 20 weist einen vorderen Hauptzapfen 51 und einen hinteren Hauptzapfen 52 auf. Eine Drehachse 50 der Kurbelwelle 20 ist kollinear mit der Drehachse der Zapfen 51 und 52. Die Kurbelwelle 20 weist auch einen vorderen Exzenterzapfen 53 und einen hinteren Exzenterzapfen 54 auf. Die Zapfen sind erkennbar exzentrisch, da deren Mittelpunkt sogar in dieser zweidimensionalen Darstellung nicht mit der Mittellinie 50 auf einer Linie ist. Ein mittlerer Exzenterzapfen 55 der Kurbelwelle 20 scheint in 3 kollinear mit der Mittellinie 50 zu sein. Jedoch befindet sich in der Ansicht der 3 der mittlere Zapfen 55 unterhalb der Ebene der Querschnittsebene. Eine Mittelachse 56 des linken Zylinders und eine Mittelachse 58 des rechten Zylinders sind versetzt, wie durch 60 gezeigt ist.
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Eine Mehrzahl innerer Öffnungen 64 ist im Zylinder 12 definiert, und eine Mehrzahl innerer Öffnungen 74 ist im Zylinder 14 definiert. Der Zylinder 12 definiert ebenso eine Mehrzahl äußerer Öffnungen 66; der Zylinder 14 definiert eine Mehrzahl äußerer Öffnungen 76. In der in 3 gezeigten Ausführungsform definiert der Zylinder 12 eine Mehrzahl äußerster Öffnungen 68, und der Zylinder 14 definiert eine Mehrzahl äußerster Öffnungen 78. In der Ausführungsform in 3 sind die inneren Öffnungen 64 und 74 Auslassöffnungen. Die äußeren Öffnungen 66 und 76 sind primäre Einlassöffnungen, und die äußersten Öffnungen 68 und 78 sind sekundäre Einlassöffnungen. In einer weiteren Alternative gibt es eine einzige Mehrzahl von Einlassöffnungen. Bei einer weiteren Alternative, in der die Einlasskolben sich näher an der Kurbelwelle befinden als die Auslasskolben, befinden sich Einlassöffnungen in dem Bereich, in dem sich innere Öffnungen 64 und 74 befinden, und Auslassöffnungen befinden sich in dem Bereich, in dem sich äußere und äußerste Öffnungen 66, 68, 76 und 78 befinden.
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Die Öffnungen in 3 sind symmetrisch angeordnet. Das bedeutet, eine äußere Kante der inneren Öffnungen 64 und 74 befindet sich in einem Abstand 82 von der Drehachse 50 der Kurbelwelle 20. Eine innere Kante der inneren Öffnungen 64 und 74 befindet sich in einem Abstand 80 von der Achse 50. Ferner:
die innere Kante der äußeren Öffnungen 66 und 76 befindet sich in einem Abstand 84 von der Achse 50;
die äußere Kante der äußeren Öffnungen 66 und 76 befindet sich in einem Abstand 86 von der Achse 50;
die innere Kante der äußersten Öffnungen 68 und 78 befindet sich in einem Abstand 88 von der Achse 50; und
die äußere Kante der äußersten Öffnungen 68 und 78 befindet sich in einem Abstand 90 von der Achse 50.
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Wenn die Öffnungen 64 und 76 geöffnet werden, bewegen sich die Kolben auf die Kurbelwelle zu. Die erste geöffnete Öffnungskante wird als obere Kante bezeichnet. Die äußeren Kolben (nicht gezeigt) öffnen die Öffnungen 66, 68, 76 und 78, und diese werden geöffnet, wenn der Kolben sich nach außen bewegt.
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Die Kurbelwelle
20 wird isometrisch in
4 gezeigt. Die Exzenterzapfen
53,
54 und
55 sind ein einziger Zylinder. Dies steht im Gegensatz zu der in der
'443 gezeigten Split-Pin-Konstruktion, die daher stammt, dass eine asymmetrische Anordnung der Kolben vorliegt.
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Mehrere Ausführungsformen der Lageranordnung zwischen den Pleuelstangen und der Kurbelwelle werde im Folgenden beschrieben. In 5 dreht sich die Kurbelwelle 100 um die Achse 101 und weist Hauptlager 102 auf. Äußere Exzenterzapfen weisen eine Mittelachse 103 auf, und der mittlere Exzenterzapfen weist eine Mittelachse 105 auf. Zugstangen 104 werde über dem äußeren Exzenterzapfen platziert, und jede wird mit einem Lagerdeckel 106 gesichert. Ein Paar Schalenlager 114 (von denen jede 180° des Umfangs des Zapfens abdeckt) wird zwischen jeder der Zugstangen 104 und dem dazugehörigen Zapfen vorgesehen. Druckstangen 108 werde über dem mittleren Exzenterzapfen platziert, und jede wird mit einem Lagerdeckel 110 gesichert. Ein Paar Schalenlager 118 ist zwischen jeder der Druckstangen und dem dazugehörigen Zapfen vorgesehen. Ölleitungen (nicht gezeigt) führen den Zapfen Öl unter Druck zu, um für einen Ölfilm zwischen den Exzenterzapfen und den Schalenlager auf der inneren Oberfläche zu sorgen. Öl kann ebenso der äußeren Oberfläche der Schalenlager zugeführt werden, um für einen Ölfilm zwischen den Schalenlagern und der dazugehörigen Zugstange oder Stößelstange zu sorgen.
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Wie oben beschrieben, sind die Zylinder um einen vorbestimmten Abstand versetzt. Eine Mittellinie 107, 107', 111, 111' der Zugstangen 104 und eine Mittellinie 109, 109' der Druckstangen 108 sind ebenfalls in der 5 angedeutet. Der Abstand zwischen den Mittellinien 107 und 107' in der vertikalen Richtung ist im Wesentlichen gleich dem vorbestimmten Abstand. Der Abstand zwischen den Mittellinien 107 und 107' und der Abstand zwischen den Mittellinien 111 und 111' ist ebenfalls im Wesentlichen gleich dem vorbestimmten Abstand.
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Der mittlere Exzenterzapfen trägt die Kräfte, die mit zwei gegenüberliegenden Kolben assoziiert sind. Im Gegensatz dazu gibt es zwei äußere Exzenterzapfen, um die mit zwei gegenüberliegenden Kolben assoziierten Kräfte zu tragen. Da die Last geteilt wird, können die äußeren Exzenterzapfen kürzer ausgeführt werden als der mittlere Exzenterzapfen. Jedoch sollte der Abstand zwischen den Mittellinien von benachbarten Pleuelstangen im Wesentlichen der vorbestimmte Abstand sein, d. h. der Versatz zwischen den Zylindern. Eine solche Anordnung wird in 6 gezeigt. Eine Kurbelwelle 130 weist Hauptlager 102 und einen mittleren Exzenterzapfen auf, der denen, die in 5 gezeigt werden, sehr ähnlich ist. Jedoch sind die in 6 gezeigten äußeren Exzenterzapfen kürzer als die äußeren Exzenterzapfen in 5. Um die angemessene Beabstandung zwischen benachbarten Zugstangen 134 beizubehalten, sind diese symmetrisch. Dies ist in Bezug auf die Lagerdeckel 136 erkennbar. Die Mittellinien 137, 137', 141, 141' der Zugstangen 134 durchlaufen die Lagerdeckel 136 asymmetrisch. Durch das Vorsehen der in 6 gezeigten Anordnung wird die Gesamtlänge der Kurbelwelle ein wenig aufgrund der kürzeren äußeren Zapfen verringert, was ein kleineres Motorenpaket und etwas weniger herzustellendes Material, wie auch eine steifere Kurbelwelle ergibt.
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In 7 teilen sich benachbarte Pleuelstangen ein Paar Schalenlager, anstatt dass ein Paar Schalenlager für jede Pleuelstange vorliegt. Das bedeutet, ein einziges Lagerschalenpaar wird über dem Exzenterzapfen platziert und zwei benachbarte Pleuelstangen werden über dem Schalenlagerpaar platziert und über einen Lagerdeckel gesichert. Zum Beispiel weisen zwei Zugstangen 104, die durch Lagerdeckel 136 gesichert sind, ein einziges Lagerschalenpaar 124 auf. Zwei Druckstangen 108, die durch Lagerdeckel 110 gesichert sind, weisen ein einziges Lagerschalenpaar 128 auf.
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Die Ausführungsform in 7 verwendet die Kurbelwelle 130, die kürzer ist als die Kurbelwelle 100 aus 5. Die Breite des vorderen Exzenterzapfens 160 und des hinteren Exzenterzapfens 162 (gezeigt in den 6 und 7) ist geringer als die der vorderen und hinteren Exzenterzapfen der Kurbelwelle 100. (Was unter der Breite des Zapfens zu verstehen ist, wird durch das Zeichen 59 in der 3 gezeigt.) Um den vorbestimmten Abstand zwischen den Zugstangen beizubehalten, verwendet die Ausführungsform in den 6 und 7 asymmetrische Zugstangen 134. Eine Mittellinie durch die Zugstangen 134 ist in Bezug auf die Basis der Zugstangen asymmetrisch. Ein großes Ausmaß einer solchen Asymmetrie bei den Zugstangen ist nicht wünschenswert. Jedoch kann ein geringes Ausmaß an Asymmetrie toleriert werden, um eine kürzere Gesamtlänge der Kurbelwelle, und damit einen schmaleren Motor und eine steifere Kurbelwelle bereitzustellen.
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In 5 gibt es zwei Paare Schalenlager auf jedem der Exzenterzapfen. Alternativ wird ein einziges Paar Schalenlager mit einer Kurbelwelle 100 versehen, d. h. die Lager der 6 oder 7, wobei die Exzenterzapfenlängen kürzer sind als die aus 5.
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Bei einer Alternative sind die Lagerschalen 124 und 128 in 7 schwimmende Lager. Alternativ sind Lagerschalen mit einer der Pleuelstangen verrastet, um eine Relativbewegung zwischen dem Lagerschalenpaar und der Pleuelstange, mit dem es verrastet ist, zu verhindern. In 8 wird ein Teilabschnitt eines Lagersatzes in einer Explosionsansicht gezeigt. Ein einziges Schalenlager 200 weist eine Nase 202 auf, die sich von der konvexen Seite des Schalenlagers 200 nach außen erstreckt. Ein erster Lagerdeckel 204 weist eine Ausnehmung 206 auf. Die Nase 202 greift in die Ausnehmung 204 ein, oder verrastet damit, um eine Relativbewegung des Schalenlagers 200 mit dem ersten Lagerdeckel 204 zu verhindern. Das Schalenlager 200 hat die doppelte Breite, um zwei Pleuelstangen (nicht gezeigt in 8; nur die mit den Pleuelstangen gekoppelten Lagerdeckel werden veranschaulicht), die einander benachbart sind, aufzunehmen. Somit wird ein zweiter Lagerdeckel 208 in 8 gezeigt. Da die beiden Pleuelstangen (nicht gezeigt), die mit dem ersten und zweiten Lagerdeckel 204, 208 gekoppelt sind, voneinander unabhängig rotieren, ist das Schalenlager 200 nur mit einem der Lagerdeckel (204 in dieser Ausführungsform) im Eingriff und schwimmt in Bezug auf den Lagerdeckel 208. Der erste und zweite Lagerdeckel 204, 208 werden in 8 nebeneinander liegend gezeigt. Jedoch befinden sie sich montiert auf gegenüberliegenden Seiten des Kurbelwellenzapfens, an den sie gekoppelt sind, wie in 2 gezeigt ist. In 2 erstrecken sich Druckstangen 34 in gegenüberliegende Richtungen, so dass die Lagerdeckel ebenfalls einander gegenüberliegen. Dieselbe Situation gilt für die Zugstangen 36, bei denen benachbarte Lagerdeckel (in einer axialen Richtung der Kurbelwelle) in Bezug zu dem Zapfen, an den sie gekoppelt sind, im Wesentlichen einander gegenüberliegen.
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Bezug nehmend auf 9 wird dort ein OPOC-Motor gezeigt, der einen einem rechten Zylinder 302 gegenüber liegenden linken Zylinder 300 aufweist, wobei sich ein Kurbelgehäuse 304 zwischen den beiden Zylindern befindet. Ein äußerer Kolben 310 und ein innerer Kolben 312 sind im linken Zylinder 300 angeordnet. Ein äußerer Kolben 320 und ein innerer Kolben 322 sind im rechten Zylinder 302 angeordnet. Da ein OPOC-Motor keinen Zylinderkopf besitzt, kann der Zugang zu der Brennkammer für Zubehörteile oder Sensoren, wie etwa Brennstoffeinspritzer, Zündkerzen, Glühkerzen und Druckwandler eine Herausforderung darstellen. Für einige Zubehörteile oder Sensoren ist es hilfreich, wenn man Zugang, anstatt zur Peripherie, zum Zentrum der Brennkammer hat. Zündkerzen 330 und 332 werden in den Kolben 310 bzw. 320 angeordnet gezeigt. Andere Elemente könnten in dem Kolben vorgesehen sein. Wenn der Wunsch besteht, die Zündkerze oder ein anderes Element in den Einlasskolben zu montieren, erleichtert dies die symmetrische Anordnung der Kolben. Die äußeren Kolben bewegen sich über einen geringeren Abstand hin und her als die inneren Kolben, wie dies in den meisten OPOC-Ausführungsformen der Fall ist. Somit wird das an die äußeren Kolben montierte Element weniger beschleunigt, als es dies würde, falls es an einem inneren Kolben montiert wäre. Für die meisten Einrichtungen, die an dem Kolben montiert würden, wie die gezeigten Zündkerzen, ist es wahrscheinlich, dass Drähte, Federn oder Schläuche zwischen dem feststehenden Block und der Zündkerze, die sich mit dem Kolben hin und her bewegt, gekoppelt sind. Es ist ein Vorteil, dass die Zündkerzen in den äußeren Kolben montiert sind, da die Temperaturen an den äußeren Kanten geringer sind, und es leichter ist, dort Zugang zu einem Eingang für die Drähte, Federn oder Schläuche zu bekommen, wo es an den äußeren Kanten des Kolbens etwas weniger beengt ist. Ferner ist der Austausch von Zündkerzen bei einem äußeren Kolben viel leichter, als wenn dieser in einem inneren Kolben montiert ist.
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Ein symmetrischer OPOC-Motor wird in der am 20. Oktober 2011 eingereichten US-Anmeldung 61/549,678 desselben Inhabers, die hiermit vollumfänglich durch Bezugnahme umfasst ist, offenbart. Der in der '678 offenbarte Motor weist kollineare Zylinder anstelle von versetzten Zylinderachsen nach hier offenbarten Ausführungsformen auf. In der '678 und der vorliegenden Offenbarung sind die Kolben symmetrisch angeordnet, was Wuchteigenschaften bereitstellt, die denen herkömmlicher Motoren überlegen, aber etwas schlechter als die des OPOC-Motors sind, der in der
US 6,170,443 offenbart wird, der asymmetrisch angeordnete Kolben aufweist. Bei der vorliegenden Offenbarung sind die Unwuchtkräfte in der Richtung des Zylinders nur erster Ordnung. Für Anwendungen, bei denen eine außergewöhnlich geringe Vibration gewünscht ist, können Auswuchtmaßnahmen an dem symmetrischen OPOC mittels Gegengewichten an der Kurbelwelle (einstückig mit der Kurbelwelle oder an der Kurbelwelle angebracht) und mit mit Kurbelwellendrehzahl gegendrehenden Massen angewandt werden, um eine asymmetrische OPOC-Auswuchtung oder besser zu erreichen. Diese Maßnahmen lassen sich gleich gut auf die '678 und die vorliegende Offenbarungen anwenden.
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Die Trägheitskräfte 404 in Richtung der Hin- und Herbewegung der Kolben des OPOC-Motors in 1 werden in Abhängigkeit von den Kurbelwinkelgraden für eine mittlere Motorendrehzahl aufgetragen. Auch werden auf derselben Skala (mit einer gestrichelten Linie) bei derselben Motorendrehzahl die Trägheitskräfte 406 für einen vergleichbaren, herkömmlichen Vierzylinder-Viertakt-Motor aufgetragen. Der OPOC-Motor 10 weist ungefähr ein Viertel der unausgewuchteten Trägheitskräfte im Vergleich zu denen eines herkömmlichen Vierzylinderreihenmotors auf. Die Unwucht in dem OPOC-Motor 10 ist eine Unwucht erster Ordnung, d. h. bei Kurbelwellendrehzahl. Die Trägheitskraftunwucht in dem Vierzylinderreihenmotor ist zweiter Ordnung, d. h., die Unwucht weist über 360 Kurbelwinkelgrade zwei Perioden auf. Obwohl die Trägheitskraftunwucht für den OPOC-Motor 10 mit symmetrisch angeordneten Kolben ziemlich gering ist, gibt es Anwendungen, bei denen das geringste Ausmaß an Unwucht erwünscht ist, z. B. Anwendungen in der Luftfahrt, wo Maßnahmen zur Verringerung der Unwucht erwünscht sein können.
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Als erste Maßnahme zur Überwindung eines Teils der Unwucht können Stege zwischen Zapfen auf der Kurbelwelle 20 so konstruiert werden, dass der Schwerpunkt der Kurbelwelle 20 von der Drehachse verschoben wird. Wenn die Kurbelwelle 20 gewichtet wird, um ungefähr die Hälfte der Unwucht aufgrund der sich hin und her bewegenden Kolben und Stangen zu überwinden, wird die durch den versetzten Schwerpunkt eingeleitete Unwucht als die Kurve 412 gezeigt.
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Bezug nehmend auf 12 wird eine isometrische Darstellung eines Hilfsantriebs für einen Verbrennungsmotor gezeigt. Die Kurbelwelle 450 weist ein Zahnrad 452 auf, das mit einem Zahnrad 454 in Eingriff steht, das mit einer Ölpumpe oder einem anderen Hilfsteil (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Ein Gegengewicht 456 ist an das Zahnrad 454 gekoppelt. Die Kurbelwelle 450 ist ebenfalls an eine Rolle 458 gekoppelt, die ein Teil eines Frontend-Hilfsantriebssystems 460 ist. Ein Riemen 466 ist mit mehreren Rollen 462, 463, 464, 465 und 467 in Eingriff. Die Rollen 462, 463, 464, 465 und 467 können mit zusätzlichen Hilfsteilen, wie etwa einem Klimaanlagenkompressor, einer Servolenkungspumpe und einer Wasserpumpe gekoppelt sein. Manche der Rollen können Umlenkrollen sein. Des Weiteren kann zumindest ein Riemenspanner im System enthalten sein. Ein Gegengewicht 470 ist an der Rolle 464 angebracht, und ein Gegengewicht 468 ist an der Rolle 468 angebracht. Die Rollen 464 und 468 haben denselben Durchmesser wie die Rolle 458, so dass die Rollen 464 und 468 bei Kurbeldrehzahl gegendrehen. Das Zahnrad 454 weist dieselbe Anzahl Zähne auf wie das Zahnrad 452, so dass das Zahnrad 454 bei Kurbelwellendrehzahl gegendreht.
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Die Kurbelwelle 450 dreht sich in 12 entgegen dem Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 472 gezeigt ist. Das Zahnrad 454, die Rolle 462 und die Rolle 464 drehen im Uhrzeigersinn, wie durch die Pfeile 474, 476 und 478 gezeigt, und somit ermöglichen sie es den zu dem Zahnrad und/oder den Rollen gehörigen Gegengewichten, der Unwucht in einer zur Achse der Zylinder und der Drehachse der Kurbelwelle orthogonalen Richtung, die durch das Gegengewichten der Kurbelwelle erzeugt wird, entgegenzuwirken.
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Das/Die Gegengewicht(e) (d. h. der Versatz des Schwerpunkts), das an die Kurbelwelle 460 angebracht ist, überwindet ungefähr die Hälfte der Trägheitskraftunwucht der Kolben in der axialen Richtung der Zylinder, leitet jedoch eine Trägheitskraftunwucht in einer orthogonalen Richtung ein. Das Gegengewicht 456 an dem Zahnrad 454 ist zur Überwindung ungefähr eines Viertels der Trägheitskraftunwucht aufgrund der Hin- und Herbewegung der Kolben in der axialen Richtung der Kolben dimensioniert. Und da das Zahnrad 454 in einer zu der Kurbelwelle 460 entgegengesetzten Richtung dreht, überwindet es ungefähr die Hälfte der durch ein Gegengewicht an der Kurbelwelle 460 eingeleiteten orthogonalen Unwucht. Die Gegengewichte 468 und 470 an den Rollen 462 bzw. 464 sind zur Überwindung ungefähr eines Achtels der Trägheitskraftunwucht aufgrund der Hin- und Herbewegung der Kolben dimensioniert. Da die Rollen 462 und 464 sich im zur Kurbelwelle 60 entgegengesetzten Sinn drehen, überwinden sie wiederum gemeinsam ungefähr die Hälfte der durch ein Gegengewicht an der Kurbelwelle 460 eingeleiteten orthogonalen Unwucht. Der Motor wird mit dem Satz Gegengewichte wie beschrieben ausgewuchtet.
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Wiederum Bezug nehmend auf die 11 ist die Unwucht aufgrund der Gegengewichte 468 und 470 als Kurve 412 gezeigt, und die Unwucht aufgrund des Gegengewichts 456 ist als Kurve 424 gezeigt. Durch Aufsummieren der Kurven 404, 410, 412 und 424 ist die resultierende Kurve 426, welche zeigt, dass die Auswuchtung vollkommen oder nahezu vollkommen ist.
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Während die beste Art und Weise in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, werden Fachleute verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche erkennen. Während beschrieben wurde, dass verschiedene Ausführungsformen Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften bevorzugt sind, kann, wie der Fachmann weiß, bei einer oder mehreren Eigenschaften ein Kompromiss gemacht werden, um gewünschte Systemattribute zu erreichen, die von der genauen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Diese Attribute umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: Kosten, Festigkeit, Widerstandsfähigkeit, Lebensdauerkosten, Vermarktbarkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Bedienungs- und Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit des Zusammenbaus, etc. Diejenigen hier beschriebenen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehr Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik charakterisiert sind, befinden sich nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6170443 [0002, 0003, 0046, 0055]
- US 7469664 [0004]
