DE3313611A1

DE3313611A1 - Motor-/pumpen-aggregat

Info

Publication number: DE3313611A1
Application number: DE19833313611
Authority: DE
Inventors: Siegfried 8598 Waldershof Imelauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-04-14
Filing date: 1983-04-14
Publication date: 1984-10-18

Description

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Motor-/Pumpen-Aggregat

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Motor-/ Pumpen-Aggregat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs

Innere Verbrennungskraftmaschinen der Standardbauweise sind mit einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Zylindern versehen, innerhalb welcher Kolben verschiebbar gelagert sind. Diese Kolben wirken über bewegliche Kolbenstangen auf eine Kurbelwelle, von welcher aus die Energieabgabe über eine Kupplung an ein angesetztes Getriebe erfolgt. Die Zufuhr und Ableitung der Verbrennungsgase zu den durch die Zylinder und Kolben gebildeten Verbrennungsräumen erfolgt dabei mit Hilfe von entsprechenden Ein- und Auslaßventilen, die über Kipphebel von einer Nockenwelle her gesteuert sind, wobei der Antrieb der Nockenwelle mit Hilfe von entsprechenden Zahnrädern und einer Kette von der Kurbelwelle her vorgenommen wird.

Eine derartige innere Verbrennungskraftmaschine der Standärdbauweise hat jedoch den Nachteil, daß sie auf der einen Seite wegen der Notwendigkeit des Vorsehens schwenkbarer Kolbenstangen und des relativ komplizierten

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Ventilantriebes eine ziemlich aufwendige Bauweise besitzt, während auf der anderen Seite aufgrund der Hin- und Herbewegung der Kolben einschl. der daran angelenkten Kolbenstangen mechanische Unwuchten entstehen, so daß die mit den Kolbenstangen verbundene Kurbelwelle mit entsprechenden Ausgleichsgewichten versehen werden muß. Die Reihenanordnung der einzelnen Zylinder sowie die relativ starke seitliche Auslenkung der an der Kurbelwelle angelenkten Kolbenstangen bedingt fernerhin ein relativ großes Volumen derartiger Verbrennungskraftmaschinen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Motor-/Pumpen-Aggregat zu schaffen, bei welcher einerseits aufgrund der besonderen Anordnung der einzelnen Zylinder mit den darin verschiebbaren Kolben eine sehr kompakte Bauweise möglich ist, während andererseits die Anzahl der beweglichen Elemente relativ klein gehalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2 bis 10.

Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß im Gegensatz zu inneren Verbrennungskraftmaschinen der Standardbauweise die Längsachsen der translatorisch verschiebbaren Kolben parallel zur Achse der An- bzw. Abtriebswelle angeordnet sind. Die Kraftübertragung zwischen den translatorisch verschiebbaren Kolben erfolgt in diesem Fall mit Hilfe einer Kurvenscheibe, welche unmittelbar an der An- bzw. Ab-

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triebswelle befestigt ist. Diese Kurvenscheibe übernimmt dabei die Rolle der einzelnen Kurbelbereiche der Kurbelwelle, so daß die eigentliche Antriebs- bzw. Abtriebswelle als einfache Welle ausgebildet werden kann. Die mit den einzelnen Kolben verbundenen Kolbenstangen können in diesem Fall starr an den Kolben befestigt sein bzw. eine einstückige Konstruktion mit denselben aufweisen, so daß die aus Kolbenstangen und Kolben bestehende Anordnung einen einfachen mechanischen Aufbau besitzt. Die Verbindung zwischen Kolbenstangen und der Kurvenscheibe der An- bzw. Abtriebswelle erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe von zwei Laufrollen, welche auf der Kurvenscheibe von oben und unten her zum Abrollen gelangen. Im Gegensatz zu Kurbelwellen bei inneren Verbrennungskraftmaschinen der Standardbauweise können dabei diese Laufrollen ohne Schwierigkeiten auf Wälzlagern gelagert sein, so daß eine relativ reibungsfreie Kraftübertragung zwischen den translatorisch hin- und herbeweglichen Kolben und der rotierenden An- bzw. Abtriebswelle mit der daran befestigten Kurvenscheibe . zustandekommt.

Während im Fall eines Zweitaktmotors die Kurvenscheibe im wesentlichen so ausgebildet ist, daß sie entlang ihres ümfangs jeweils ein Hubmaximums- und einen Hubminimumsbereich aufweist, sind zweckmäßigerweise im Fall eines Viertaktmotors entlang des Umfangs der Kurvenscheibe jeweils zwei Hubmaxim.ums—und HubminimuHisbereiche vorgesehen, wodurch erreicht wird, daß pro Umdrehung der Abtriebswelle bzw. der daran befestigten Kurvenscheibe zwei volle Hübe der jeweiligen Kolben-Zustandekommen. Im Gegensatz zu inneren Verbrennungskraftmaschinen mit Kurbelwellen ergibt sich somit im Fall des erfindungsgemäßen Motoraggregats eine 2:1-Untersetzung

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zwischen den translatorisch hin— und herbewegbaren Kolben und der Abtriebswelle, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, daß unmittelbar an das Ende der Abtriebswelle eine Steuerscheibe ansetzbar ist, von deren konzentrisch angeordneten Steuerbahnen vorzugsweise über zwischengeschaltete Kipphebel hinweg eine Ansteuerung der Ein- und Auslaßventile der den einzelnen Kolben zugeordneten Zylinder erfolgt. Aus diesem Grunde kann somit auf das Vorsehen einer mit einer entsprechend reduzierten Drehzahl angetriebenen Nockenwelle verzichtet werden, so daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine sehr einfach ausgebildete Venti!ansteuerung möglich ist.

Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehene Prinzip einer sternförmigen Anordnung der einzelnen Kolben um eine mittig angeordnete rotierende An- bzw. Abtriebswelle, wobei die Längsachsen der einzelnen Kolben parallel zur Achse der An- bzw. Abtriebswelle angeordnet sind, erlaubt nicht nur - je nach der Auslegung der vorgesehenen Kurvenscheibe - die Schaffung von inneren Verbrennungskraftmaschinen in Zweitakt- oder Viertaktanordnung, sondern ebenfalls den Bau von entsprechend ausgebildeten Kompressoren oder Flüssigkeitspumpen, was durch entsprechende Modifizierung der auf der Steuerscheibe vorgesehenen konzentrischen Steuerkurven für die Betätigung der Ein- und Auslaßventile erreicht werden kann. In allen diesen Fällen erweist es sich dabei als zweckmäßig, an den starr mit dem Kolben verbundenen Kolbenstangen nach unten hin Ansätze vorzusehen, deren Enden durch eine mit entsprechenden Durchbrücken versehene Platte geführt sind, so daß auf diese Weise eine gute Führung der innerhalb der einzelnen Zylinder hin- und herbewegten Kolben zustandekommt. Auf das Vorsehen einer derartigen Führungsplatte kann

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jedoch verzichtet werden, falls eine entsprechend der Vorliegenden Erfindung gebaute innere Verbrennungskraftmaschine unmittelbar mit einem entsprechenden Kompressor bzw. einer Pumpe gekoppelt wird, in welchem Fall an den einzelnen Ansätzen der Kolbenstangen weitere Kolben befestigt sind, die für den Vorgang der Luftverdichtung bzw. der Flüssigkeitsförderung herangezogen werden.

In dem folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht teilweise im Schnitt einer inneren Verbrennungskraftmaschine in Viertaktanordnung und vier Zylindern, und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Ventilsteuerung des in Fig. 1 gezeigten Vierzylindermotors .

Gemäß Fig. 1 weist der entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgelegte Vierzylinder-Viertaktmotor ein starres Gehäuse 1 auf, in dessen Mitte unter Einsatz entsprechender Wälzlager 2 eine Abtriebswelle 3 angeordnet ist. Diese Abtriebswelle 3 ist in ihrem unteren Bereich mit einer gekrümmten Kurvenscheibe 4 versehen, auf deren äußerem Rand jeweils Laufräder 6, 7 zum Abrollen gelangen, die unter Einsatz nicht gezeigter Wälzlager auf Kolbenstangen 7 drehbar gelagert sind. An den oberen Enden dieser Kolbenstangen 7 sind Kolben 8 starr befestigt. Diese mit Kolbenringen 9 versehenen Kolben 8 sind dabei innerhalb von Zylindern 10 verschiebbar gelagert, wobei diese Zylinder 10 mit ihrem Kolben 8 ringförmig um die

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mittig angeordnete Abtriebswelle 3 angeorndet sind. Die Längsachsen der Zylinder 10 bzw. der darin angeordneten hin- und herschiebbaren Kolben 8 verlaufen dabei parallel zur Achse der Abtriebswelle 3, so daß sich auf diese Weise eine sehr kompakte Anordnung der um die Abtriebswelle 3 angeordneten Zylinder 10 bzw. Kolben 8 ergibt. Die Kurvenscheibe 4 ist dabei derart ausgelegt, daß eine zweimalige Hin- und Herbewegung der Kolben 8 in eine einzelne Umdrehung der Abtriebswelle 3 umgesetzt wird. Zwischen den einzelnen Zylindern 10 und den Wandungen des Gehäuses 1 sind schließlich noch abgeschlossene Hohlräume 11 vorgesehen, durch welche ein Kühlmittel,vorzugsweise in Form von Wasser, für die Kühlung der Zylinder 10 hindurchgeleitet wird. Die an den einzelnen Kolben 8 starr befestigten Kolbenstangen weisen nach unten hin Ansätze 12 auf, welche durch eine mit entsprechenden Durchbrüchen 13 versehene Platte 14 hindurchgeführt sind, wodurch sich nach unten hin eine Begrenzung des Motorgehäuses ergibt, während gleichzeitig eine gute Führung der innerhalb der Zylinder 10 hin- und herbewegbaren Kolben 8 zustandekommt. Das untere Ende der Welle 3 bildet dabei das Abtriebsende, in welchem Bereich im Fall eines Kraftfahrzeugmotors eine Kupplung mit einem daran angesetzten Getriebe vorgesehen ist.

Am oberen Ende der Abtriebswelle 1 ist eine Steuerplatte 15 vorgesehen, welche gemäß Fig. 2 mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Steuerbahnen 16, 17 versehen ist, auf welchen entsprechend abgefederte Kipphebel 18 zum Aufliegen gelangen. Mit Hilfe dieser Kipphebel 18 erfolgt eine Betätigung der Stößel 19 einer entsprechenden Anzahl von Ein- und Auslaßventilen 20, 21, deren Ventil-

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teller 22 dem Verschluß entsprechender Ventilöffnungen 23 dienen/ welche im Bereich der oberen Wandungen 24 der Zylinder 10 angeordnet sind. Auf diese Weise kann entsprechend der jeweiligen Winkelposition der Steuerplatte 15 bzw. der Abtriebswelle 3 ein gesteuerter Verschluß der durch die Zylinder 10 und Kolben 8 begrenzten Verbrennungsräume 25 bzw. bei entsprechender Betätigung der Einlaß- oder Auslaßventile' 20, 21 eine Verbindung dieser Verbrennungsräume 25 mit entsprechenden Ansaugbzw. Abgabekanälen 26 bzw. 27 hergestellt werden.

Es ist einleuchtend, daß der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vierzylinder-Viertaktmotor mit einer in den Figuren nicht dargestellten Zündeinrichtung versehen ist, welche aus in die Verbrennungsräume 25 reichenden Zündkerzen, einem Verteilerkopf mit Zündunterbrecher, einer Zündspule und den entsprechenden Verbindungsleitungen besteht. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die besondere Ausgestaltung der Kurvenscheibe 4 bereits eine entsprechende Reduzierung der Drehzahl der Abtriebswelle 3 im Vergleich zu den Hubbewegungen der Kolben 8 zustandekommt, kann·dabei der in diesem Zusammenhang vorzusehende Verteilerkopf unmittelbar von der Abtriebswelle 3 angetrieben sein, in welchem Fall es zweckmäßig erscheint, den Verteilerkopf im Bereich der Steuerplatte 15 vorzusehen, so daß der Verteilerfinger des Zündverteilers unmittelbar von der Abtriebswelle 3 angetrieben wird.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Wirkverbindung zwischen der Kurvenscheibe 4 und den starr an den einzelnen Kolben 8 angesetzten Kolbenstangen 7 mit Hilfe entsprechender Paare von Laufrädern

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und 6, welche von oben und unten her auf der Kurvenscheibe 4 zum Abrollen gelangen. Anstelle einer derartigen Verbindung besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, entlang der Peripherie der Kurvenscheibe eine Führungsnut vorzusehen, innerhalb welcher entsprechende Gleitschuhe entlanggeführt sind, die mit den Kolbenstangen 7 in Verbindung stehen.

Im Fall einer inneren Verbrennungskraftmaschine mit unmittelbar angeschlossenem Kompressor bzw. angeschlossener Flüssigkeitspumpe besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, an den nach unten . ragenden Ansätzen 12 der Kolbenstangen 7 weitere innerhalb von entsprechenden Zylindern geführte Kolben vorzusehen, mit welchen die Luftverdichtung bzw. Flüssigkeitsförderung vorgenommen wird.

Eine gemäß der Erfindung ausgelegte innere Verbrennungskraftmaschine hat im Vergleich zu entsprechenden Aggregaten in Standardausführung eine Mehrzahl von Vorteilen:

1. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise, was zum Teil durch die bessere Ausnutzung des um die Abtriebswelle vorhandenen Raumes bedingt ist, zum Teil durch die·starre Befestigung der Kolbenstangen an den einzelnen Zylindern, was eine Führungsmöglichkeit der unteren Enden der Kolbenstangen erlaubt. Da ferner keine Verkippbarke it der Kolben innerhalb der Zylinderwandungen besteht, können die Kolben sehr kurz dimensioniert werden, was sich im Hinblick auf die Bauhöhe der inneren Verbrennungskraftmaschine günstig auswirkt. Dasselbe gilt für die Auslegung der Kolbenstangen,

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welche im Gegensatz zu inneren Verbrennungskraftmaschinen der Standardbauweise seitlich nicht ausgelenkt werden, so daß die Kolbenstangen relativ kurz dimensioniert werden können.

2. Die der Umsetzung der Translationsbewegungen der Kolben in eine Drehbewegung der Abtriebswelle dienende Anordnung kann im Vergleich zu inneren Verbrennungskraftmaschinen der Standardbauweise sehr einfach ausgeführt werden, weil im Fall eines mehrzylindrischen Motors anstelle einer Vielzahl von einzelnen Kurbelbereichen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nur eine einzige Kurvenscheibe vorgesehen ist, welche der Kraftumsetzung einer Mehrzahl von translatorischen hin- und herbewegbarer Kolben auf eine mittig angeordnete Abtriebswelle dient.

3. Auch im Fall eines Viertaktmotors ergibt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die besondere Ausgestaltungsmöglichkeit der Kurvenscheibe eine Möglichkeit, eine doppelte Hin- und Herbewegung der einzelnen Kolben in eine einfache Umdrehung der Abtriebswelle umzusetzen, so daß unter Vermeidung einer über Zahnräder und Ketten her angetriebenen Nockenwelle der Ventilantrieb im Rahmen der vorliegenden Erfindung unmittelbar an der Abtriebswelle angesetzt werden kann, was zu einer entsprechenden Reduzierung der beweglichen Teile der inneren Verbrennungskraftmaschine gemäß der Erfindung führt.

4. Im Gegensatz zur inneren Verbrennungskraftmaschine der Standardbauweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die einzelnen Kolben in Axialrich-

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tung der Abtriebswelle hin- und herbewegt, was insoweit vorteilhaft ist, weil die durch die Hin- und Herbewegung bedingten Unwuchten und die dadurch auf das Gehäuse übertragenen Kräfte sehr viel leichter aufgefangen werden können, so daß auf das Vorsehen zusätzlicher Exzentergewichte im Bereich der Abtriebswelle verzichtet werden kann.

5. Aufgrund der besonderen Konstruktion der Kraftumsetzung der translatorisch hin- und herbewegbaren Kolben in eine Drehbewegung der Abtriebswelle ergibt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit einer weitgehenden Verwendung von Wälzlagern, wodurch einerseits die bei Gleitlagern sich ergebenden Schmierprobleme reduziert werden können, andererseits eine Verringerung der Reibungsverluste stattfindet.

6. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besteht schließlich noch eine relativ freie Auslegbarkeit der Kurvenform entlang der Peripherie der Kurvenscheibe, was eine verbesserte Kraftumsetzung zwischen den translatorisch hin- und herbewegbaren Kolben und der mittig angeordneten rotierenden Abtriebswelle gestattet. In diesem Zusammenhang sei dabei bemerkt, daß bei einer inneren Verbrennungskraftmaschine der Standardbauweise die einzelnen Kurbelzapfen der Kurbelwelle zwangsläufig entlang einer Kreisbahn geführt sind, was sich insoweit als nachteilig erweist, weil dadurch im Bereich der oberen und unteren Totpunkte der einzelnen Kolben eine translatorische Verschiebung der Kolben nicht in ein an die Kurbelwelle abgegebenes Drehmoment umgesetzt werden kann. Demgegenüber besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung

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die Möglichkeit, der entlang der äußeren Peripherie der Kurvenscheibe vorgesehenen Steuerkurve ein von der sinuidalen Form abweichendes Profil zu geben, so daß im Bereich der oberen und unteren Totpunkte der Kolben eine bessere Drehmomentsumsetzung zustandekommt. Dies ist insbesondere am Anfang des Arbeitshubes der einzelnen Kolben wichtig, weil auf diese Weise die zum Zeitpunkt der Zündung sich ergebenden starken Druckerhöhungen innerhalb der Verbrennungsräume besser und unter geringeren Schlägen auf die Kurvenscheibe und damit die Abtriebswelle übertragen werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann somit die Kurvenscheibe derart ausgestaltet werden, daß bei der Umsetzung der translatorischen Verschiebungsbewegung der Kolben in eine Rotation der Abtriebswelle eine weitgehende Linearisierung der Umsetzung zustandekommt.

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Claims

Patentansprüche:

Motor-/Pumpen-Aggregat mit einer An- bzw. Abtriebswelle sowie wenigstens einem innerhalb eines entsprechenden Zylinders translatorisch hin- und herbewegbaren zylindrischen Kolbens, welcher mit der An- bzw. Abtriebswelle in Wirkverbindung steht/ dadurch gekennzeichnet , daß die Längsachse.des bzw. der zylindrischen Kolben (8) parallel zu der Achse der An- bzw. Abtriebswelle (3) angeordnet ist.
2. Aggegat nach Anspruch·1, dadurch gekennzeichnet , daß die An- bzw. Abtriebswelle (3) mit einer Kurvenscheibe (4) versehen ist, an deren äußeren Peripherie die starr mit den Kolben (8) verbundenen Kolbenstangen (7) zum Eingreifen gelangen.
3. Aggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kolbenstangen (7) jeweils zwei Laufräder (5, 6) tragen, welche auf der Ku'rven-

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scheibe (4) von oben und unten her zum Abrollen gelangen .
4. Aggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kolbenstangen (7) jeweils einen Gleitschuh tragen, welcher in einer entlang der Peripherie der Kurvenscheibe (4) angeordneten Nut geführt ist.
5. Aggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kolbenstangen (7) nach unten hin Ansätze (12) aufweisen, welche der Führung der translatorisch verschiebbaren Kolbenart dienen.
6. Aggregat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die An- bzw. Abtriebswelle (3) an ihrem freien Ende eine Steuerplatte (15) trägt, von welcher aus die Steuerung der Ein- und Auslaßventile (20, 21) der den einzelnen Kolben (8) zugeordneten Zylinder (10) erfolgt.
7. Aggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerplatte (15) auf ihrer freien Außenfläche zwei ringförmige konzentrisch zueinander angeordnete Steuerbahnen (16, 17) aufweist, von welchen aus über entsprechend abgefederte Kipphebel (18).eine Betätigung der Stößel (19) der einen Auslaßventile (20, 21) erfolgt.
8. Aggregat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß im Fall einer mehrzylindrischen Anordnung die den einzelnen Kolben (8) zugeordneten Zylinder (10) ringförmig um die An- bzw. Abtriebswelle (3) herum angeordnet sind.

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9. Aggregat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß im Fall eines Viertakt-Explosionsmotors die Kurvenscheibe (4) entlang ihrer Peripherie jeweils zwei Hubmaximums- und Hubminimumsbereiche aufweist.
10. Aggregat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzei chnet > daß im Fall einer inneren Verbrennungskraftmaschine mit unmittelbar angekoppelten Kompressor bzw. Pumpe an den einzelnen Ansätzen (12) der Kolbenstangen (7) weitere Kolben befestigt sind, welche der Luftverdichtung bzw. der Flüssigkeitsförderung dienen.
11. Aggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die entlang der Peripherie der Kurvenscheibe (4) vorgesehene Steuerkurve derart ausgelegt ist, daß die translatorische Bewegung der Kolben (8) im wesentlchen über ihren gesamten Verschiebungsbereich hinweg weitgehend linear in eine entsprechende Winkelversetzung der An- bzw. Abtriebswelle (3) umsetzbar ist.

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