SCHAUMBURG, SCHULZ-DÖRLAM & THOENES

KARL-HEINZ SCHAUMBURQ. Dlpl.-Ing. WOLFQANQ SCHULZ-DÖRLAM

Kellerstraße 7
8501 Allersberg

M 7002 THrt

Hubkolbenmotor

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Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit mindestens einem Zylinder und einem darin hin- und herbewegbaren Kolben, der über ein Gelenkgestänge mit einer Kurbelwelle verbunden ist, wobei das Gelenkgestänge ein an dem Kolben angelenktes erstes Pleuel, ein an der Kurbelwelle angelenktes zweites Pleuel und einen Schwenkhebel umfaßt, der mit seinem einen Ende um eine zur Kurbelwellenachse im wesentlichen parallele Schwenkachse angelenkt und an seinem anderen Ende mit den beiden Pleueln gelenkig verbunden ist.

Ein solcher Hubkolbenmotor ist beispielsweise aus der DE-OS 24 57 208 bekannt. Dabei sind die beiden Pleuel an getrennten Lagerstellen an dem Schwenkhebel angelenkt. Mit dieser Konstruktion läßt sich eine wesentlich längere Verweilzeit des Kolbens in seiner oberen Totpunktstellung erreichen, als dies bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren der Fall ist, bei denen der Kolben über ein starres Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist. Allerdings hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Möglichkeiten zur Beeinflussung des Momentenverlaufes und der Kolbengeschwindigkeit bei der Konstruktion gemäß der DE-OS 24 57 208 begrenzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubkolbenmotor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Verlauf des vom Kolben auf die Kurbelwelle übertragenen Drehmomentes und der Verlauf der Kolbengeschwindigkeit in einem weiten Umfang variiert und somit den jeweiligen Gegebenheiten optimal angepaßt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Pleuel durch ein gemeinsames Gelenk mit dem Schwenkhebel verbunden sind. Durch diese nur scheinbar einfache Maßnahme ergibt sich eine überraschende Fülle von Vorteilen und Möglichkeiten zur Veränderung des

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Momentenverlaufs und des Verlaufes der Kolbengeschwindigkeit während einer Umdrehung der Kurbelwelle.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Gesamtlänge der beiden Pleuel größer als der in der oberen Totpunktstellung des Kolbens gemessene Abstand zwischen dem kolbenseitigen Pleuellager (Anlenkstelle des ersten Pleuels am Kolben) und dem kurbelwellenseitigen Pleuellager, wobei die Anlenkstellung und die Länge des Schwenkhebels so gewählt sind, daß sich bei einer von der oberen Totpunktstellung ausgehenden Kolbenbewegung die Bewegungsbahnen des gemeinsamen Gelenkes und des kolbenseitigen Pleuellagers zumindest in einem ersten Bewegungsabschnitt annähern und im weiteren Verlauf vorzugsweise schneiden. Diese Annäherung der Bewegungsbahnen beim Verschwenken des Schwenkhebels bewirkt nicht nur, daß der Kolben relativ lange im Bereich seiner oberen Totpunktstellung verweilt, sondern hat auch zur Folge, daß schon nach einer geringfügigen Bewegung des Kolbens in Richtung auf die Kurbelwelle das untere Pleuel in eine Stellung gelangt, in der es eine maximale Drehmomentübertragung auf die Kurbelwelle ermöglicht. Das bedeutet, daß der Kolben bei der erfindungsgemäßen Lösung gerade dann seine maximale Beschleunigung durch den Verbrennungsdruck erfährt, wenn auch das maximale Drehmoment übertragen werden kann, während bei herkömmlichen Motoren der Kolben bereits einen relativ großen Weg zurückgelegt hat, wenn das Pleuel eine Stellung erreicht, in der es das maximale Drehmoment auf die Kurbelwelle übertragen kann. Dadurch ist es beim erfindungsgemäßen Motor möglich, einen wesentlich höheren Teil der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Energie in Bewegungsenergie umzusetzen als bei einem herkömmlichen Hubkolbenmotor.

Die Tatsache, daß bereits nach einem kurzen Kolbenweg die maximale Drehmomentübertragung erreicht wird, wirkt

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sich besonders vorteilhaft bei einem Zweitaktmotor aus, bei dem spätestens nach ca. 90° Kurbelwellenumdrehung der Auslaß gelöffnet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Motor konnte bis zu diesem Zeitpunkt bereits der größte Teil der Energie der Verbrennungsgase in Bewegungsenergie der Kurbelwelle umgesetzt werden, während bei herkömmlichen Zweitaktmotoren die größte Drehmomentübertragung erst unmittelbar vor der öffnung des Auslasses erreicht wird, so daß ein erheblicher Teil der Energie nicht' nutzbringend verwendet werden kann.

Durch die relativ lange Verweilzeit des Kolbens in seiner oberen Totpunktstellung lassen sich ferner die Verbrennung des Kraftstoffes und die Kolbenbewegung optimal aufeinander abstimmen. Dies zeigt folgendes Beispiel: Bei einem herkömmlichen Motor mit einem starren Pleuel liegt der Beginn der Kraftstoffeinspritzung bei etwa 16° (einer Kurbelwellenumdrehung) vor dem oberen Totpunkt und das Ende der Kraftstoffeinspritzung ca. 2 bis 0° vor dem oberen Totpunkt. Die Verbrennung beginnt ca. 10° vor dem oberen Totpunkt, so daß der Zündverzug ca. 6° beträgt. Durch diesen langen Zündverzug erfolgt nicht nur eine sehr heftige Verbrennung durch die dann schon angehäufte Menge unverbrannten Kraftstoffes, sondern der Druck der Verbrennungsgase wirkt auch der Kolbenbewegung entgegen, da die Verbrennung ja vor Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kolbens beginnt. Wird dagegen der gleiche Motor in der erfindungsgemäßen Weise bei sonst gleichen Verhältnissen ausgebildet, so kann der Beginn der Einspritzung auf 3° vor dem oberen Totpunkt und das Ende der Einspritzung auf 10° nach dem oberen Totpunkt verlegt werden, wobei die Verbrennung im oberen Totpunkt beginnt. Eine solche Verschiebung des Einspritzungsintervalles in Richtung auf einen späteren Zeitpunkt hin ist deswegen möglich, da der Kolben länger im Bereich seiner

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oberen Totpunktstellung verweilt. Der Zündverzug ist also nur annähernd halb so lang wie bei dem vorher beschriebenen Vergleichsmotor herkömmlicher Bauart. Dadurch treten keine so hohen Spitzentemperaturen und Spitzendrücke auf wie bei dem herkömmlichen Motor. Die Energie der Verbrennungsgase wirkt nicht der Kolbenbewegung entgegen, sondern kann unmittelbar in eine Bewegung des Kolbens in Antriebsrichtung umgesetzt werden. Die bessere Energieausnutzung hat eine geringere Erwärmung des Motors und eine geringere Abgastemperatur zur Folge. Ferner ist der Schadstoffgehalt der Abgase beim erfindungsgemäßen Motor wesentlich geringer als bei dem Vergleichsmotor. Der Schadstoffgehalt bei dem Vergleichsmotor könnte zwar auch durch eine spätere Kraftstoffeinspritzung gesenkt werden, jedoch würde damit gleichzeitig ein starker Leistungsabfall auftreten.

Versuche haben gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Motor gegenüber einem gleichartigen herkömmlichen Motor eine Leistungssteigerung bzw. eine entsprechende Kraftstoffeinsparung bei gleicher Leistung von mindestens 30 bis 40% erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion liegt darin, daß die unterschiedlichsten Kraftstoffe verwendet werden können, da nicht wie bisher die Verbrennungsgeschwindigkeit und/oder der Verbrennungszeitpunkt der Kolbengeschwindigkeit angepaßt werden müssen, sondern die Kolbengeschwindigkeit verändert und somit an den jeweiligen Kraftstoff optimal angepaßt werden kann. So haben beispielsweise Versuche gezeigt, daß ein Zweitakt-Dieselmotor der erfindungsgemäßen Bauart ohne irgendwelche Umstellungsmaßnahmen und ohne einen merklichen Leistungsabfall auch mit Benzin betrieben werden kann. Ein solcher Betrieb ist mit herkömmlichen Dieselmotoren nicht möglich, ohne den Motor zu zerstören.

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Die Abstimmung und Anpassung des Motors an die jeweils gewünschten Verhältnisse kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine Rolle spielt beispielsweise die Lage der Anlenkstelle des Schwenkhebels, die vorzugsweise radial außerhalb des Zylinders angeordnet ist. Axial ist die Anlenkstelle vorzugsweise zwischen dem kurbelwellennächsten Punkt des kolbenseitigen Pleuellagers und der Kurbelwellenachse angeordnet.

Die Anlenkstelle des Schwenkhebels kann ortsfest sein oder auch radial und/oder axial verstellbar sein, um beispielsweise den Motor veränderten Betriebsbedingungen anzupassen. Zu diesem Zweck ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anlenkstelle betriebsmäßig verstellbar ist. Durch eine betriebsmäßige Verstellung der Anlenkstelle des Schwenkhebels kann beispielsweise der Hubraum der jeweiligen Motorbelastung angepaßt werden, um eine Kraftstoffersparnis bei geringerer Belastung des Motors zu ermöglichen bzw. um umgekehrt einen großen Hubraum zur Verfügung zu haben, wenn eine entsprechende Leistung gefordert wird.

Eine solche betriebsmäßige Verstellung der Anlenkstelle kann beispielsweise mit Hilfe eines Exzenters erfolgen, an dem sich die Anlenkstelle des Schwenkhebels befindet.

Vorzugsweise sind der Schwenkhebel und die beiden Pleuel symmetrisch zu einer die Zylinderachse enthaltenden Ebene schwenkbar angeordnet. Zu diesem Zweck sind zwei der drei in dem gemeinsamen Gelenk miteinander verbundenen Teile mindestens im Gelenkbereich gabelförmig ausgebildet, derart, daß das eine gabelförmige Teil das dritte Teil übergreift und zwischen die Gabelschenkel des zweiten gabelförmigen Teiles eingreift.

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Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist dabei das erste gabelförmige Teil starr mit einer Lagerbuchse verbunden, deren Außenumfang als Lagerfläche für das zwischen die Gabelschenkel des ersten gabelförmigen Teils greifende dritte Teil dient und durch die ein Lagerbolzen verläuft, mit dessen Enden die Gabelschenkel des zweiten gabelförmigen Teiles vorzugsweise starr verbunden sind. Das vorstehend beschriebene Gelenk ist nicht nur reibungsarm und verschleißarm, sondern ermöglicht auch eine optimale Kraftübertragung und besitzt eine sehr geringe axiale Ausdehnung bei einer gegebenen Festigkeit. Diese geringe axiale^ Ausdehung ist erforderlich, damit das gemeinsame Gelenk zwischen die Gegengewichte an der Kurbelwelle eintauchen kann.

Die Kurbelwellenachse kann gegenüber der Zylinderachse in der Weise versetzt sein, daß die Bewegungsbahn des kolbenseitigen Pleuellagers außerhalb der die Kurbelwellenachse enthaltenden und parallel zur Zylinderachse verlaufenden Ebene liegt. Dadurch können der seitliche Kolbendruck auf die Zylinderwände und die Momentenkurve beeinflußt werden.

Weitere Möglichkeiten zur Veränderung der Momentenkurve und der Kolbengeschwindigkeit in Anpassung an die jeweils vorgegebenen Verhältnisse liegen in der Wahl der Abmessungen der Pleuel und des Schwenkhebels relativ zu den übrigen Abmessungen des Motors.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen die Zylinderachse enthaltenden

schematischen Schnitt senkrecht zur Kurbelwellenachse durch einen Zylinder des erfindungsgemäßen Hubkolbensmotors,

Fig. 2 einen die Kurbelwellenachse enthaltenden teilweise schematischen Schnitt durch die Pleuellager und das gemeinsame Gelenk,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Kolbenweges bei einem herkömmlichen Motor und bei einem erfindungsgemäßen Motor und

Fig. 4 eine graphische Gegenüberstellung des

Momentenverlaufes bei einem herkömmlichen Motor und bei dem erfindungsgemäßen Motor.

In Fig. 1 erkennt man einen nur schematisch dargestellten Zylinder 10/ in dem ein Kolben 12 auf- und abbeweglich ist. Der Kolben 12 ist über ein schematisch dargestelltes Gelenkgestänge 14 mit der Kurbelwelle verbunden, die in Fig. nur durch ihre Achse 16 und die vom kurbelwellenseitigen Pleuellager 18 durchlaufene Kreisbahn 20 dargestellt ist. Das Gelenkgestänge 14 umfaßt ein erstes oberes Pleuel 22, das an dem Kolben in einem kolbenseitigen Pleuellager 24 angelenkt ist. Die Verbindung kann dabei in herkömmlicher Weise durch einen Kolbenbolzen erfolgen. Zu dem Gelenkgestänge 14 gehört ferner ein zweites unteres Pleuel 26, das mit seinem unteren Ende in dem kurbelwellenseitigen Pleuellager 18 an der Kurbelwelle angelenkt ist. Beide Pleuel und 26 sind in einem gemeinsamen Gelenk 28 mit dem einen Ende eines Schwenkhebels 30 verbunden, dessen anderes Ende in einem Lager 32 an einem Exzenter 34 angelenkt ist, durch dessen Drehung die Lage des Lagers 32 verändert werden kann.

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Das Lager 32 könnte jedoch auch ortsfest sein.

In der Fig. 1 befindet sich der Kolben in seiner oberen Totpunktstellung. Die entsprechende Lage des kurbelwellenseitigen Pleuellagers 18 ist durch die Buchstaben OT bezeichnet. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 12 bewegt sich das kolbenseitige Pleuellager 24 längs der Zylinderachse 36. Das gemeinsame Gelenk 28 bewegt sich auf der Kreisbahn 38 um die Achse des Lagers 32. Die Kurbelwelle und mit ihr das kurbelwellenseitige Pleuellager 18 bewegen sich in Richtung des Pfeiles. Die Lage der Pleuel 22, 26, des gemeinsamen Gelenkes 28 und des Schwenkhebels 30 in der der unteren Totpunktstellung des Kolbens 12 entsprechenden Stellung ist durch gestrichelte Linienwiedergegeben. Die entsprechende Lage des kurbelwellenseitigen Pleuellagers 18 ist durch die Buchstaben UT bezeichnet.

Wie man erkennt, nähern sich bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 12 aus seiner oberen Totpunktstellung die Bewegungsbahnen 38 und 36 einander an und schneiden einander im weiteren Verlauf der Abwärtsbewegung des Kolbens 12. Das hat zur Folge, daß sich der Kolben 12 aus seiner oberen Totpunktstellung zunächst nur langsam entfernt, während das kolbenseitige Pleuellager 18 bereits einen relativ großen Kurbelwellenwinkel durchläuft und das untere Pleuel 26 eine Stellung erreicht, in der es bereits ein großes Drehmoment übertragen kann. Dieser Zusammenhang läßt sich qualitativ aus den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kurven entnehmen.

Fig. 4 zeigt mit der ausgezogenen Linie den Momentenverlauf bei dem erfindungsgemäßen Motor, wobei auf der Abszisse die 360° einer Kurbelwellenumdrehung und auf der Ordinate der für konstante Kolbenaufdruckkraft ermittelte Momentenwert aufgetragen ist. Die gestrichelte Linie gibt den Verlauf des Momentes bei einem herkömmlichen Vergleichsmotor wieder. Wie man erkennt, wird das maximale Drehmoment

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beim erfindungsgemäßen Motor bei etwa 58° Kurbelwellenumdrehung und bei dem Vergleichsmotor bei etwa 76° Kurbelwellenumdrehung erreicht. Geht man mit diesen Werten in die Fig. 3, welche den Kolbenweg über der Kurbelwellenumdrehung zeigt, wobei wiederum die ausgezogene Linie für den erfindungsgemäßen Motor und die gestrichelte Linie für den Vergleichsmotor gelten, so erkennt man, daß bei 58° Kurbelwellenumdrehung der Kolben beim erfindungsgemäßen Motor noch kaum 1/3 seines Hubes zurückgelegt hat, während er bei dem Vergleichsmotor bereits annähernd 50% des Hubes zurückgelegt hat. Zudem läßt sich den Kurven in Fig. 3 entnehmen, daß der Kolben bei dem Vergleichsmotor seine obere Totpunktstellung früher verläßt und später wieder erreicht, also insgesamt sehr viel kürzer im Bereich seiner oberen Totpunktsteilung verweilt, als der Kolben bei der erfindungsgemäßen Ausführung.

Die vorstehend genannten Werte sind im wesentlichen nur als Beispiel zu verstehen und gelten für einen Zweitakt-Dieselmotor mit Ventilsteuerung und Kraftstoffeinspritzung. Die Zeitpunkte, zu denen das Auslaßventil und das Einlaßventil öffnen und schließen, sind in Fig. 1 auf dem Kreis 20 mit Aö und Eö bzw. AS und ES bezeichnet. Durch Vergleich der Fig. 4 und 1 erkennt man, daß das maximale Drehmoment bei dem erfindungsgemäßen Motor lange vor der öffnung des Auslasses erreicht wird, so daß die Energie der Verbrennungsgase wirkungsvoll in Bewegungsenergie der Kurbelwelle umgesetzt werden kann. Beim Vergleichsmotor dagegen wird das Maximum des Drehmomentes erst kurz vor der öffnung des Auslasses erreicht, so daß ein erheblicher Teil der Energie verpufft. Zusammen mit der geringeren Erwärmung des Motors und der Abgase aufgrund der besseren Umsetzung der Verbrennungsenergie in Bewegung, macht die vorstehend beschriebene günstige Lage des Dreh-

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momentes die erfindungsgemäße Konstruktion besonders wichtig und vorteilhaft für die Konstruktion und den Betrieb von Zweitaktmotoren.

In der Fig. 1 ist das Gestänge so dargestellt, daß das obere Pleuel 22 kürzer als das untere Pleuel 26 ist. Dies muß nicht notwendigerweise so sein. Wenn das obere Pleuel 22 beispielsweise länger ist als das untere Pleuel, wird die Kolbenseitenkraft geringer. Das dann kürzere untere Pleuel geht dann schneller in die tangential zum Kreis 20 verlaufende Stellung über, in welcher das maximale Drehmoment vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Konstruktion kann auch ebenso bei Viertaktmotoren mit Vorteil verwendet werden. In diesem Falle läßt sich durch eine entsprechende Wahl der Pleuellängen und der Lage der Anlenkpunkte erreichen, daß beim Ansaugtakt das auf die Kurbelwelle wirkende bremsende Moment möglichst gering gehalten wird.

In Fig. 2 ist das Gelenkgestänge mit den Pleuelstangen und ihren Lagern genauer dargestellt. Gleiche Teile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das obere Pleuel 22 ist in herkömmlicher Weise mittels eines Kolbenbolzens 40 an dem Kolben 12 gelagert. Das untere Pleuel 26 ist in ebenfalls bekannter Weise im unteren Pleuellager 18 an der Kurbelwelle 42 gelagert. Das obere Pleuel 22 ist gabelförmig mit Gabelschenkeln 44 ausgebildet. Die Gabelschenkel 44 weisen öffnungen 46 auf, in welche eine Lagerbuchse 48 mit Preßsitz eingepreßt ist.

Auf dem zwischen den Gabelschenkeln 44 verlaufenden Abschnitt der beispielsweise aus Stahl bestehenden Lagerbuchse 48 ist mittels eines Lagers 50 das untere Pleuel 26 drehbar gelagert.

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In der Lagerbuchse 48 ist mittels eines Lagers 52 ein Lagerbolzen 54 drehbar gelagert, auf dessen aus der Lagerbuchse 48 herausragenden Endendie Gabelschenkel 56 des gabelförmig ausgebildeten Schwenkhebels 30 sitzen. Die Gabelschenkel 56 können auf dem Lagerbolzen 54 drehbar gelagert und durch Sprengringe 58 gesichert sein. Vorzugsweise sind sie jedoch durch Preßpassung des Lagerbolzens in Bohrungen 60 der Gabelschenkel 56 starr mit dem Lagerbolzen 54 verbunden. Durch diese Konstruktion wird nicht nur die Lagerreibung in dem Gelenk und sein Verschleiß herabgesetzt, sondern auch eine axial kurze Bauweise des Gelenks erreicht, so daß dieses zwischen die Gegengewichte 62 an der Kurbelwelle 42 eintauchen kann. Das bedeutet, daß die axiale Abmessung a des Gelenkes kleiner ist als der gegenseitige Abstand b der Gegengewichte 62.

Eine Schmierung des Gelenkes 28 erfolgt über einen Schmiermittelkanal 64 durch Schmieröl, das aus dem Kurbelkasten des Motors entnommen wird.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß bei dem erfindungsgemäßen Motor ein um 35% bis 50% geringerer Kraftstoffverbrauch bzw. eine entsprechend höhere Leistung als bei ' einem Vergleichsmotor erreicht werden kann. Die Erwärmung des Motors und der Abgase ist um mindestens 25% niedriger. Dadurch enthalten die Abgase auch weniger Schadstoffe. Es entstehend geringere Spitzendrücke und man erhält durch den kürzeren Zündverzug eine weiche Verbrennung, d.h. annähernd eine Gleichraumverbrennung. Der Lauf des Motors ist wesentlich ruhiger als ein herkömmlicher Motor. Der Motor kann mit Dieselöl, Benzin oder auch geringerwertigen Kraftstoffen betrieben werden.

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