DE2639260C3

DE2639260C3 - Mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2639260C3
Application number: DE2639260A
Authority: DE
Inventors: Josef 5000 Koeln Berg
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1976-09-01
Filing date: 1976-09-01
Publication date: 1981-12-10
Also published as: ES460948A1; FR2363697B1; FR2363697A1; DE2639260A1; ATA620477A; IT1081610B; NL7709599A; US4192261A; JPS5331008A; SE7709873L; DE2639260B2; AT372760B; GB1554357A

Description

2. Hubkolben-Breünkrafti/aschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Doppelschwingen (19) Aussparunger (21) vorgesehen sind, die ein teilweises Eintauchen der Hohlwelle (16) und/oder der Kurbelwelle (18) ermöglichen.

3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Lagerstellen (9) des äußeren Gelenkteils (8) mittels zweier gegenläufig verstellbarer Exzenterteile (10,11) erfolgt.

4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Lagerstellen (9) des äußeren Gelenkteils (8) mittels eines arretierbaren Nockens (27) erfolgt.

5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Lagerstellen (9) des äußeren Gelenkteils (8) durch einen federbelasteten Arbeitskolben (22) mit hydraulischer oder pneumatischer Betätigung erfolgt.

6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Lagerstellen (9) des äußeren Gelenkteils (8) mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit der maßgeblichen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine erfolgt.

7. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung beim Erreichen der Anlaßdrehzahl das Verdichtungsverhältnis vom kleinsten Wert auf das Start-Verdichtungsverhältnis ändert.

65 Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle mit Z-förmigem Hubzapfen, auf dem ein Kardangelenk mit einer Hohlwelle drehbar gelagert ist, die senkrecht zur Achse des Hubzapfens diametral angeordnete Lagerzapfen aufweist, an denen das äußere Gelenkteil des Kardangelenks angreift, das senkrecht zu den Lagerzapfen in einem Gehäuse-Seitenteil gelagert ist, wobei dieses Gelenkteil drehfest mit einer Doppdschwinge verbunden ist, an der über Pleuelstangen zwei Kolben angelenkt sind.

Eine derartige Hubkolben-Brennkraftmaschine ist bekannt (AT-PS 1 00 378). Bei der bekannten Hubkolben-Brennkraftmaschine ist je Hubzapfen eine Schwinge mit jeweils zwei Kolben seitlich der Kurbelwelle angeordnet Dadurch wird zwar erreicht, daß die Hubkolben-Brennkraftmaschine gegenüber einer üblichen Bauweise niedriger baut, jedoch eine größere Bi cite aufweist Ferner werden die von den Kolben, Pleuelstangen und Schwingen verursachten Massenkräfte und Gaskräfte zur Hälfte über das Kardangelenk auf die Kurbelwelle übertragen, so daß alle Kurbelwellenlager und das Kardangelenk dadurch belastet werden. Dies ist um so problematischer, da diese Kräfte in den diametral an der Hohlwelle angeordneten Lagerzapfen zumindest teilweise als Axialkräfte auftreten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hubkolben-Brennkraftmaschine eingangs genannter Art derart weiterzubilden, daß bei Aufrechterhaltung einer relativ kompakten Bauweise eine Kolbenverstellung zwecks Änderung des Verdichtungsverhältnisses mit Hilfe eines einfachen und leicht zugänglichen Betätigungsmechanismus möglich ist Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung erreicht man in der einfachsten Form als Vierzylinder eine fast würfelförmige Brennkraftmaschine, bei der Raum sowohl in der Breite als auch in Länge und Höhe optimal genutzt ist. Dabei sind gleiche Zündabstände gegeben. Ferner kann die Schwinge mit dem schalenförmigen Teil des Kardangelenks in einfachster Weise fest und formsteif gestaltet werden. Kräfte, die kein Nutzdrehmoment an der Kurbelwelle erzeugen, werden unmittelbar von den Lagerstellen des äußeren Gelenkteils des Kardangelenks in die Gehäuse-Seitenteile übertragen. Die Kräfte sind durch Radiallager üblicher Bauart leicht zu beherrschen. Die Kurbelwelle selbst überträgt nur das Nutzdrehmoment, ist durch die kürzere Länge drehsteifer und kann daher entsprechend kleiner dimensioniert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in allen Lagerstellen nur radiale Kräfte wirken, die leichter beherrschbar sind als Kräfte in axialer Richtung.

Durch die Verstellung der Lagerstellen in Richtung der Kolbenbewegung erreicht man eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses, indem der Totraum in den Arbeitszylindern vergrößert bzw. verkleinert wird. Da die Lagerstellen im Gehäuse leicht zugänglich sind, können die Verstelleinrichtungen ohne großen Aufwand angebracht werden. Innenliegende Lager bzw. die Lagerung der Hohlwelle auf dem Z-förmigen Hubzapfen werden nicht verändert; sie stellen sich selbsttätig im Rahmen ihres axialen Spiels auf die geänderten Betriebsbedingungen ein. Abweichungen von der theoretisch idealen Lage, bei der sich die senkrecht an aufeinanderstehenden Achsen des Kardaneelenks und

die Achse der Kurbelwelle in einem Punkt schneiden, werden in den Lagerstellen des Kardangelenks, z. B. der Hohlwelle auf dem Z-förmigen Hubzapfen, durch eine axiale Schwingbewegung ausgeglichen, deren Größe von der Größe der Abweichung abhängt Für eine wirksame Veränderung des Verdichtungsverhältnisses liegen diese axiaien Schwingbewegungen in baulich vertretbaren Größenordnungen, so daß ohne weiteres ein ausreichendes axiales Lagerspiel vorgesehen werden kann. Von dem axialen Spiel werden ebenfalls die Bewegungen aufgenommen, die durch Fertigungstoleranzen bedingt sind.

Die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ist in vielen Fällen wünschenswert, um das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine besser den Anforderungen anpassen zu können. So ist es beispielsweise möglich, hoch aufgeladene Brennkraftmaschinen zu betreiben, die bei Vollast in allen Lastbereichen gleiche Spitzendrücke und Triebwerksbelastungen aufweisen und die durch Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses während der Start- und Hochlaufphase ein gutes Startverhalten zeigen. Zur Verbesserung des Startvurhaltens ist es zweckmäßig, die Brennkraftmaschine bis zu einer optimalen Anlaßdrehzahl mit kleinstem Verdichtungsverhältnis hochzudrehen und dann auf das hohe Startverdichtungsverhältnis umzuschalten. Dadurch erreicht man die Wirkung einer Dekompressionseinrichtung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in beiden Doppelschwingen Aussparungen vorgesehen sind, die ein teilweises Eintauchen der Hohlwelle und/oder der Kurbelwelle ermöglichen. Dadurch kann die Breite der Brennkraftmaschine reduziert werden. Ferner ergeben sich kurze Abstände zwischen den Kraftangriffspunkten und den Lagerstellen, so daß die von den Bauteilen zu übertragenden Momente klein gehalten werden können.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Verstellung der Lagerstellen des äuEsren Gelenkteils mittels zweier gegenläufig verstellbarer Exzenterteile erfolgt Wird das in dem inneren Exzenterteil angeordnete Lager gegen das Gehäuse drehfest abgestützt, dann werden unter Belastung in beiden Exzenterteilen gleiche Drehmomente bewirkt, die sich gegenläufig aufheben. Dadurch frei von Haltekräften sind bei einer beliebigen Verstellung nur die jeweiligen Reibmomente in der Verstelleinrichtung zu überwinden. Eine andere Verstellung der Lagerstellen des äußeren Gelenkteils erfolgt mittels eines arretierbaren Nockens. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeigt eine Verstellung der Lagerstelisn durch einen federbelasteten Arbeitskolben mit hydraulischer oder pneumatischer Betätigung. Dabei kann die Feder so angeordnet werden, daß sie außer zur Zurückstellung des Arbeitskolbens zur Begrenzung des maximalen Zünddrucks dient. In diesem Fall wird sie zweckmäßigerweise einstellbar ausgebildet. Natürlich können auch andere Stellglieder der Regeltechnik, z. B. mechanische, hydraulische oder elektrisch betätigte Hebel oder Knicksysteme, Kulissen mit Nocken oder Keilbahnen, Schraubengetriebe oder direkt wirkende Arbeitszylinder, verwendet werden, die eine synchrone Verstellung zusammenwirkender Lagerstellen zulassen.

Die Verstellung der Lagerstellen wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig durch eine Regeleinrxhtung in Abhängigkeit der maßgeblichen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine vorgenommen, durch die die Lagerstellen des äußeren Gelenkteils in Abhängigkeit der maßgeblichen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine, z. B. einer kritischen Bauteiltemperatur, der Abgastemperatur, dem Zünddruck, der Drehzahl, der Last dem Ansaugdruck, dem Ladedruck usw„ verstellt werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt
A b b. 1 zeigt teilweise einen vertikalen Längsschnitt

ίο durch eine Zylinderreihe einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

A b b. 2 zeigt einen Querschnitt durch zwei gegenüberliegende Zylinderreihen einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

A b b. 3 zeigt einen horizontalen Längsschnitt in Höhe der Kurbelwellenachse;

A b b. 4 zeigt einen vertikalen Längsschnitt durch die Kurbelwellenachse;
A b b. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung von Gegen- und AusfVJ.chsgewichten und eine druckmittelbeaufschlagte Verstellvorrichtung;

A b b. 6 zeigt einen Aufbau wie A b b. 5 mit einem Nocken als Verstellvorrichtung.
In einem Gehäuse 1 (A b b. 1) sind Zylinder 2 eingesetzt in denen Kolben 3 axial verschiebbar angeordnet sind. Die Zylinder 2 sind stirnseitig durch Zylinderköpfe 4 verschlossen, in denen übliche, nicht näher dargestellte Gaswechselkanäle und Steuerungsteile vorgesehen sind. Eine Schmieröiwanne 5 schließt das Gehäuse 1 nach unten ab.

Die Kolben 3 (Abb.2) sind über Kolbenbolzen 6, Pleuelstangen 7 gelenkig mit einer einstückig mit dem äußeren Gelenkteil 8 eines Kardangelenks ausgebildeten Doppelschwinge 19 (A b b. 1) verbunden. Das äußere Gelenkteil 8 ist im Gehäuse 1 in verstellbaren Lagerstellen 9 (Abb.2) schwenkbar gelagert Diese werden von zwei gegenläufig verdrehbaren Exzenterteilen 10, 11 gebildet, an die stirnscitig zwecks synchroner Verstellung Kurbelstangen 12 angelenkt sind. Die Kurbelstangen 12 werden mittels einer im Gehäuse gelagerten Handkurbel 13 betätigt Anstelle der Handkurbel 13 können auch andere Stellglieder einer selbsttätigen Regelvorrichtung angeordnet werden. Durch synchrones Verdrehen der Exzenterteile 10 und 11 werden die Lagerstellen 9 in Bewegungsrichtung der Kolben 3 verstellt.

Im äußeren Gelenkteil 8 des Kardangelenks ist ein innerer Gelenkteil 14 des Kardangelenks mit Lagerzapfen 15 gelagert, wobei die Achsen der Lagerzapfen 15

so auf den Achsen der Lagerstellen 9 senkrecht stehen. Der innere Gelenkteil 14 des Kardangelenks weist ferner eine senkrecht zur Achse der Lagerzapfen i5 verlaufende Hohlwelle 16 auf, die auf einem Z-förmigen Hubzapfen 17 einer im Gehäuse 1 gelagerten Kurbelwelle 18 (A b b. 3) eelagert ist. Die Hohlwelle 16 besitzt ein so großes axiales Spiel, daß sie sich bei der Verstellung der Lagerstellen 9 in Bewegungsrichtung der Kolben 3 auf dem Hubzapfen 17 innerhalb der Stellwege axial ve /schieben kann, ohne an Kurbelwangen 20 der Kurbelwelle 18 anzulaufen.

Wie aus A b b. 2 zu ersehen ist, umgreift der äußere mit den Doppelschwingen 19 verbundene Gelenkteil 8 des Kardangelenks den Hubzapfen 17 kastenförmig und ergibt somit ein recht kräftiges und formsteifes Bauteil, das geeignet ist, hohe Kräfte aufzunehmen. Die Doppelschwingen 19 weisen seitliche Aussparungen 21 (A b b. 3) auf, in die in Hubmitte der Kolben 3 die Hohlwelle 16 und/oder die Kurbelwelle 18 teilweise

eintaucht. Die Aussparungen 21 ermöglichen es, die Zylinderreihen und die Kraftangriffspunkte möglichst nahe aufeinanderzurücken, wodurch sich eine gedrungene und leichte Bauweise ergibt.

Anstatt die Lagerstellen 9 durch zwei Exzenterteile 10 und 11 zu verstellen, ist es auch möglich, hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagte Arbeitskolben 22 vorzusehen (A b b. 5), die mit Kolbenstangen 23 an den Lagerstellen 9 angreifen und die in Arbeitszylindern 24 axial verschiebbar gleiten. Die Axialkolben sind an einer in Stirnseite mit Federn 25 belastet, die die Lagerstellen 9 in Richtung maximales Verdichtungsverhältnis verstellen. Ohne zusätzliche Beaufschlagung durch ein Druckmittel wirken die Federn 25 als Zünddruckbegrenzung, wobei durch die Steifigkeit der Federn der i~> maximale Zünddruck vorgegeben werden kann. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Bewegung der Arbeitskolben 22 zu dämpfen, z. B. mittels einer Drossel. Im Falle der Beaufschlagung der Arbeitskolben 22 mit einem Druckmedium läßt sich ein festes Verdichtungsverhältnis einstellen, das den Betriebsbedingungen optimal angepaßt werden kann.

Die Lagerstellen 9 können ferner über Stößel 26 mittels eines verstellbaren Nockens 27 entsprechend verlagert werden (A b b. 6).

Zum Ausgleich der Massenkräfte sind auf der Kurbelwelle Gegengewichte 28 angeordnet, die mit gegenläufigen Ausgleichsgewichten 29 zusammenarbeiten. Die Ausgleichsgewichte 29 sind auf einer Welle 30 (A b b. 4) befestigt, die im Gehäuse 1 zwischen den Zylinderreihen gelagert ist und über Zahnräder 31 und 32 (A b b. 6) von der Kurbelwelle 18 aus gegenläufig angetrieben wird. Auf der Kurbelwelle 18 ist ferner an einem Ende ein Schwungrad 33 befestigt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle mit Z-förmigem Hubzapfen, auf dem ein Kardangelenk mit einer Hohlwelle drehbar gelagert ist, die senkrecht zur Achse des Hubzapfens diametral angeordnete Lagerzapfen aufweist, an denen das äußere Gelenkteil des Kardangelenks angreift, das senkrecht zu den ι ο Lagerzapfen in einem Gehäuse-Seitenteil gelagert ist, wobei dieses Gelenkteil drehfest mit einer Doppelschwinge verbunden ist, an der über Pleuelstangen zwei Kolben angelenkt sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: π

a) das äußere Gelenkteil (8) des kardanischen Gelenks umgreift schalenförmig den Hubzapfen (17), ist zusätzlich im anderen Gehäuse-Seitenteil diametral zur Kurbelwelle (18) gelagert und veist zwei diametral zur Kurbelwelle (18) angeordnete Doppelschwingen (19) mit jeweils zwei Kolben (3) auf und

b) die Lagerstellen (9) des äußeren Gelenkteils (8) des Kardangelenks in den Gehäuse-Seitenteilen sind in Richtung der Kolbenbewegungen verstellbar, wobei die Hohlwelle (16) auf dem Z-förmigen Hubzapfen (17) und die Lagerzapfen (15) der Hohlwelle (16) im äußeren Gelenkteil (8) das für die Verstellung der Lagerstellen (9) des äußeren Gelenkteils (8) erforderliche Axialspiel haben.