DE2545668C2 - Selbstzündende Brennkraftmaschine der Gegenkolbenbauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine der Gegenkolbenbauart, wobei die gegenläufige Kolbenbewegung zweier Kolben durch zwei Schwinghebel in die Drehbewegung einer Welle umgewandelt wird, das Drehlager an einem Ende jedes Schwinghebels vorgesehen und zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einstellbar ist, die Drehlager der Schwinghebel auf einer Linie parallel zur Zylinderachse liegen und wobei von den Schwinghebeln eines Kolbenpaares einer mit einer einzelnen Kurbel verbunden ist.

Bei einer bekannten derartigen Vorrichtung (DE-PS 3 02 933) sind die Schwinghebel nicht direkt an den am Maschinengestell angebrachten Drehlagern angelenkt, sondern über Zwischenhebel, die über Stangen, mit einem zentralen an einem Ende am Maschinengestell gelagerten Schwinghebel verbunden sind, dessen anderes Ende über eine Kolbenstange auf einen unter Federdruck stehenden Zylinder einwirkt. Diese Vorrichtung ist praktisch nicht verwendbar, weil durch die Wirkungsweise des federbelasteten Kolbens entweder das ganze System in seiner natürlichen Frequenz zu schwingen anfängt oder aber durch die Feder in einer Weise gedämpft wird, daß die Arbeitsleistung der Kolben zumindest zu einem erheblichen Teil aufgezehrt wird. Keinesfalls ist diese Vorrichtung auf schnellaufende Maschinen mit kleinem Hubraum unter Verwirklichung des Gleichstrom-Dieselprinzips übertragbar.

Wegen des geringeren Brennstoffverbrauchs und der verminderten Verunreinigung der Luft besteht aber das Bedürfnis nach solchen verdichtungszündenden Motoren (Dieselprinzip) als Ersatz für Vergasermotoren (Otto-Prinzip).

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine selbstzündende Brennkraftmaschine der eingangs geschilderten Art zu schaffen, mit guten Starteigenschaften, geringen Vibrationen und leisem Lauf, insbesondere bei kleinen Ausführungen, um solche Motoren gegenüber Vergasermotoren konkurrenzfähig zu machen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß der Schwinghebel, der demjenigen gegenüber liegt der mit einer einzelnen Kurbel verbunden ist, auf ein Kurbelpaar wirkt, die beiderseits der Einzelkurbel vorgesehen sind. Hierdurch erfolgt eine symmetrische Übertragung der Kraft auf die Kurbelwelle, so daß die Hauptlager keine starke Belastung aufnehmen müssen, während gleichzeitig die bekannte Anordnung der Drehpunkte der Schwinghebel auf einer Linie parallel zur Zylinderachse die Aufnahme der Drehlagerbelastung von einer Strebe ohne Biegemoment in Längsrichtung des Motors ermöglicht.
Durch die fast ausgeglichene Kolbenbewegung ist die Verwendung nur eines Brennraumes zum Antrieb zweier Kolben und damit eine praktikable Größe möglich. Bei einer Dreizylinderausführung dieses Typs ergab sich ein äußerst ruhiger Lauf, bei Größen von nur einem Drittel Liter pro Zylinder, d. h. einem Sechstel Liter pro Kolben.

Auf diese Weise kann ein hohes Verdichtungsverhältnis erzielt werden, um die Zündtemperatur beim Starten der kalten Maschine zu erhalten, und es kann dann während des Laufs vermindert werden, um einen optimalen Verbrennungsraum und einen niedrigen Zylinderhöchstdruck zu erhalten. Es ist ein Merkmal dieser Schwinghebelanordnung, daß die Drehlagerbelastung verhältnismäßig gering ist, wodurch das Problem seiner Verstellung vereinfacht wird.

J5 Es ist bekannt, daß ein über eine Pleuelstange direkt mit einer Kurbelwelle verbundener Kolben sich im Verhältnis um so langsamer bewegt, je mehr sich Pleuelstangenkopf und Kolben der Kurbelwellenachse nähern. Bei konventionellen Motoren haben die Kolben im oberen Totpunkt die größte Entfernung von der Kurbelwelle und daher eine größere Kolbengeschwindigkeit bei Annäherung an und Entfernung vom oberen Totpunkt als bei Annäherung an und Entfernung vom unteren Totpunkt. Bei dem erfindungsgemäßen Motor dagegen mit dem Schwinghebeldrehlager an der angegebenen Stelle ist der Pleuelstangenkopf am inneren Totpunkt der Kurbelwellenachse näher als dem äußeren Totpunkt. Dies kehrt daher die bei konventionellen Motoren vorhandene Situation um, und nachdem sich der Kolben dem inneren Totpunkt langsamer nähert, steht mehr Zeit für die Verbrennung zur Verfügung. Das verbessert einmal den Start und erhöht die Höchstdrehzahl und erzielt außerdem eine vollkommenere Verbrennung bei normaler Arbeitsdrehzahl.

Wenn die Kolbenbewegung des erfindungsgemäßen Motors im Verhältnis zum Kurbelwinkel aufgetragen wird, dann unterscheidet sich die resultierende Kurve von einer Sinuskurve dadurch, daß die Kolbengeschwindigkeit im o. T. kleiner und im u. T. größer ist.

Um Symmetrie bei je einem einzelnen Schwinghebel auf jeder Seite zu erzielen, ist erforderlich, daß die Lagermittelpunkte der äußeren zwei der drei Kurbeln nahe beinanderliegen, und dies kann durch große Lagerdurchmesser mit kleiner Kröpfung erreicht

werden, so daß die Überlappung so groß ist, daß keine Kurbelwangen benötigt werden. Die hierfür erforderliche kleine Kröpfung ergibt sich, wenn man die Schwingarmlager auf der von den Kolben abgewandten

Seite der Pleuelstangen anordnet. Diese Anordnung der Drehlager erfüllt das vorerwähnte Merkmal dadurch, daß die Pleuelstange sich gerade dann in der normalerweise dem äußeren Totpunkt entsprechenden Stellung befindet, wenn der Kolben die innere Totpunktlage einnimmt und damit die normalerweise mit dieser Pleuelstellung verbundene langsamere Bewegung hat

Ein vorteilhaftes Merkmal dieses Motors kann demnach darin bestehen, daß die Kurbelwelle eine ι ο Kröpfung von weniger als der Hälfte des Kolbenhubs hat.

Der Motor kann auch dadurch gekennzeichnet sein, daß die Kurbelzapfen direkt ohne Kurbelwangen miteinander verbünde?) sind.

Das beschriebene Schwinghebelsystem ergibt eine Hebelübersetzung, bei der die Kräfte an der Kurbel größer sind als die an den Kolben, wobei diese jedoch innerhalb eines Satzes von drei vertmndenen Kurbeln absorbiert werden und infolge eines niedrigen Kornpressionsverhältnisses bei großer Leistung nicht übermäßig groß sind.

Eine beispielsweise und derzeit bevorzugte Ausführungsform eines verdichtungszündenden Motors gemäß der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung, näher beschrieben. Es stellt dar

F i g. 1 ein Schaubiid zum Vergleich der Kolbenbewegung bei einem anmeldungsgemäßen Motor bezüglich einer rein harmonischen Bewegung und der bei einer konventionellen Kurbelwelle gegebenen, bei der die jo Pleuelstangenlänge das Vierfache des Kurbelradius beträgt, wobei als Vergleichsgrößen das jeweilige Verdichtungsverhältnis im Verhältnis zum Kurbelwinkel dient,

Fig.2a und 2b zwei Möglichkeiten, die gewünschte Kolbenbewegung zu erzielen,

F i g. 3 in vereinfachter Darstellung die grundsätzliche Anordnung der zu einem Zylinder gehörenden Teile und

F i g. 4 einen Schnitt durch F i g. 3 zur Verdeutlichung der Ausgleichseinrichtungen für die Schwinghebel und Kurbeln.

Es ist bekannt, daß infolge der endlichen Länge der Pleuelstange, die einen Kolben mit einer Kurbelwelle verbindet, die Bewegung eines Kolbens, wenn sie gegen den Kurbelwinkel aufgetragen wird, von der reinen harmonischen Bewegungskurve b dahingehend, daß die Kolbengeschwindigkeit im Verhältnis geringer ist, wenn der Pleuelstangenkopf sich in der Nähe der Kurbelwelle befindet, als wenn er von ihr entfernt ist. Die Graphik der Fig. 1 zeigt bei a eine Kurve entsprechend einer herkömmlichen Anordnung, bei der das Verdichtungsverhältnis, ausgehend vom unteren Totpunkt, langsamer zunimmt, als nach der reinen harmonischen Kurve (Kurve b) zu erwarten wäre. Die Kurve c stellt die Kolbenbewegung bei einer Anordnung nach F i g. 2 dar. Hier nimmt das Verdichtungsverhältnis vom unteren oder äußeren Totpunkt schneller zu, als die reine Bewegungskurve während des Kompressionshubs erwarten läßt. Wegen der schnelleren Kompression erhöht sich auch die Füllungstemperatur. Bei jedem eo beliebigen Kurbelwinkel wurden die Kurven bei einem Verdichtungsverhältnis von 16 :1 berechnet. Die theoretische Füllungstemperatur ist annähernd proportional dem Verdichtungsverhältnis, und bei dem bekannten Kurbelsystem zeigt die Kurve a, daß das Verdichtungsverhältnis, dem eine bestimmte Zündtemperatur entspricht, im Verlauf des Hubes später erreicht wird als bei der reinen harmonischen Bewegung der Kurve b, so daß weniger 2eit fur die Verbrennung zur Verfugung steht. Das ist das Gegenteil dessen, was für einen kleinen hochtourigen Motor erwünscht ist bei dem die Verbrennungsdauer bei der Bestimmung der Arbeitsdrehzahl einen kritischen Faktor darstellt. Es ist nun möglich, die Kurbelbewegung, wie in Fig.2 gezeigt, umzukehren und eine längere Zeit für die Verbrennung gemäß der Kurve ein F i g. 1 zu erhalten. Dieser größere Kurbelwinkel, der für die Verbrennung zur Verfügung steht, ermöglicht es, den Motor mit höherer Drehzahl zu betreiben, und er läßt auch die größere Zündversorgung während des Kaltstarts zu, bei dem die herkömmliche Kurbelanordnung entweder zu Fehlstarten führt oder zu einer mangelhaften Drehzahlkontrolle beim Leerlauf.

Von den Möglichkeiten zur Erzielung einer niederen Kolbengeschwindigkeit im Bereich des inneren Totpunktes kann die gemäß Fig. 2a so verwirklicht werden, daß sich erhebliche Verminderungen des Motorgeräusches und der Vibrationen ergeben, und sie wird daher als ein Beispiel unter Bezugnahme auf die F i g. 3 und 4 im einzelnen beschrieben. In diesen Figuren ist ein Gegenkolbenmotor mit einem Zylinder 1, einer Einspritzdüse 2, einem Lufteintrittskanal 3 und einem Auspuffkanal 4 dargestellt.

Ein Kolben 5 hat eine Kolbenstange 6, die einen Schwinghebel 7 um ein Drehlager 8 verschwenkt, um eine Pleuelstange 9 ain- und herzubewegen und eine Kurbel 10 zu drehen. Ein entsprechendes System 11,12, 13,14 überträgt die Bewegung des anderen Kolbens auf eine Kurbel 16, die seitlich der Kurbel 10 liegt, wobei die Durchmesser der Lagerzapfen so groß sind, daß die Überschneidung ausreicht, um die Kurbelwellenbelastungcn aufzunehmen, ohne daß eine Kurbelwangc erforderlich ist. Eine weitere Kurbel 17 und Pleuelstange 15 auf der anderen Seite der Kurbel 10 gleicht eine einseitige Belastung durch den Schwinghebel 12 aus und bewirkt zusammen mit der Pleuelstange !4 den Ausgleich der Belastung durch die Pleuelstange 9, so daß die Hauptlager 22 der Kurbelwelle nicht die Hauptkräfte des Verbrennungsdruckes aufnehmen müssen. Die jeweiligen Drehlager 8 und 13 der Schwinghebel 7 bzw. 12 sind durch eine Strebe 18 verbunden, die an einem Ende geschnitten dargestellt ist, um das Drehlager 8 sichtbar zu machen, daß exzentrisch auf einem in dem Teil 18 gelagerten Zapfen 19 befestigt ist, wobei das Lager 8 verdreht werden kann, um den Abstand der Kolben und damit das Verdichtungsverhältnis zu verändern. Ein exzentrischer Zapfen 20 beeinflußt das Drehlager 13 des Schwinghebels 12 und kann entweder zusammen mit dem Zapfen 19 oder aber auch getrennt von diesem verstellt werden, um eine Veränderung der Schlitzsteuerung zu ermöglichen. Eine Veränderung der voreilenden Auspuffsteuerung kann auch durch seitliche Verschiebung der Strebe erreicht werden, aber in einer bevorzugten Ausführung ist diese starr und an einem in Längsrichtung verlaufenden Trägersystem 21 angebracht, die sich über die Länge des Motors erstreckt und den Haupträger biegesteif macht. Andere Einrichtungen, wie z. B. Stellschlösser oder ein Hydraulikzylinder, zur Veränderung der Drehlagerstellungen, können vorgesehen sein. Es ist ein Merkmal der beschriebenen Brennkraftmaschine, daß die Drehlagerbelastung geringer ist als bei einem bekannten Motor, wie er in der GB-PS 2 78 339 beschrieben ist, wo das Drehlager zwischen der Pleuelstange und dem Kolben vorgesehen und auf diese Weise leichter einstellbar ist.

Ein zusätzlicher Ausgleich wird erzielt durch Anbringung eines Gewichtes 23 an einer Kurbclwange zwischen einer der äußeren Kurbeln, z. B. 16, und dem benachbarten Hauptlager.

Die F.inspritzpumpe 24 ist von bekannter Ausführung und in Fig. 3 als Verteilerpumpe daigestellt, die mit halber Kurbelwellendrehzahl läuft. Sie kann innen so gekoppelt sein, daß sie während jeder Pumpenumdrehung zweimal durch die Düse 2 einspritzt, so daß der Motor im Zweitakt läuft. Es ist jedoch auch möglich, die Pumpe so zu steuern, daß sie pro Einspritzdüse und Pumpenumdrehung nur einmal einspritzt und damit die Ladung nur bei jeder zweiten Kurbelumdrehung zündet. Diese Viertaktarbeitsweise ist von besonderem Vorteil, wenn der Motor mit einem Auspuffturbolader versehen ist, der die charakteristische Eigenschaft hat, die Ladeluft mit hohem Druck aber in geringerer als einem Zylindervolumen entsprechenden Menge pro Motorumdrehung zu liefern, insbesondere bei hoher Drehzahl, und wenn die einzelnen Teile so aufeinander abgestimmt sind, daß sich eine gute Drehmomentkurve für den Motor ergibt. Unter diesen Umständen erhält man eine kühlere und reinere Füllung, wenn man zwei Spülperioden pro Verbrennung vorsieht, wobei auch die thermische Belastung des Verbrennungsraumes geringer ist.

Die verbesserten Starteigenschaften werden durch eine Kolbenbewegung erreicht, die eine verhältnismäßig lange Verzögerungsperiode zuläßt, zusammen mit dem geringen Wärmeverlust in der guten Verwirbelung, die ein Charakteristikum der Gleichstrom-Gegenkolbenanordnung ist. Ein leichtes Anwerfen wird erreicht durch die Verwendung eines niederen Verdichtungsverhältnisses bei der Beschleunigung auf die Anlaßdrehzahl. Sobald die Anlaßdrehzahl erreicht ist, kann das Verdichtungsverhältnis erhöht werden bis auf einen übernormalen Wert, um die Zündung zu bewirken.
Ein guter Leerlauf wird durch die Kolbenbewegung erreicht, die lange Verzögerungsperioden zuläßt, weil die Zündung durch Hochjagen des Motors nicht unterbrochen wird. Dies ist verbunden mit dem Vorteil der Gegenkolbenmotoren, daß Einspritzverluste weni-

K) ger gravierend sind, wenn eine Düse den Verbrennungsraum zweier Kolben versorgt als bei nur einem Kolben. Eine hohe Spitzenleistung ist wiederum ein Merkmal der Kolbenbewegung, die eine hohe Drehzahl bei einer vorgegebenen Verbrennungszeit ermöglicht, und dies ist wieder verbunden mit dem natürlich hohen Leistungsvermögen der Gegenkolbenmotoren und ihrer Eignung für eine Turboladung, insbesondere bei Ausführungen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis.

Geringe Vibrationen und Geräusche gehören zusammen und ergeben sich aus der geringen Belastung der Hauptlager und der ausgeglichenen Belastung der Strebe 18. Die Auswirkungen und Kräfte der einzelnen Zylinder sind in sich selbst gut ausgeglichen, so daß keine großen Biegebeanspruchungen innerhalb der Motorspanten auftreten. Die Drehlager der Schwenkarme liegen einander direkt gegenüber, so daß sie keine Biegebeanspruchungen in die Motorspanten einleiten. Auf Grund dieses Ausgleichs können die Hauptspanten sehr leicht sein und leichte Abdeckungen für die ölfüllung tragen. Die Verwendung eines oder mehrerer Längsträger 21 macht den ganzen Motor biegefest.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Selbstzündende Brennkraftmaschine der Gegenkolbenbauart, wobei die gegenläufige Kolbenbewcgung zweier Kolben durch zwei Schwinghebel und Kurbeln in die Drehbewegung einer Weile umgewandelt wird, wobei das Drehlager an einem Ende jedes Schwinghebels vorgesehen und zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einstellbar ist, die Drehlager der Schwinghebel auf einer Linie parallel zur Zylinderachse liegen und wobei von den Schwinghebeln eines Kolbenpaares einer mil einer einzelnen Kurbel verbunden ist, d a durch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel der demjenigen gegenüberliegt, der mit einer einzelnen Kurbel verbunden ist, auf ein Kurbelpaar (14, 15) wirkt, die beiderseits der Einzelkurbel (9) vorgesehen sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelzapfen ohne Kurbelwangen direkt miteinander verbunden sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch f, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlager (8, 13) der Schwinghebel (7, 12) exzentriscn auf einem Zapfen (19, 20) befestigt sind, der bei laufenden Kolben verdreht werden kann, um den Abstand der Kolben und damit das Verdichtungsverhältnis des Motors zu verändern.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle eine Kröpfung von weniger als der Hälfte des Kolbenhubs hat.