DE3710706A1 - Kurbeltrieb einer hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Kurbeltrieb für Brennkraftmaschinen, welcher die Weiterleitung der beim Verbrennungsprozeß entstehenden Gaskräfte be­ wirkt und in drehende Bewegung wandelt.

Der vorgegebene Kurbeltrieb bestimmt den Zeitquer­ schnitt der z. B. 4 Takte bei einem 4 Takt-Verbrennungsmotor auf je 180° Kurbelwinkel, das heißt zeitlich gleiche Taktlänge über die 720° KW eines Arbeitsspiels.

Heute, bei Brennkraftmaschinen, übliche Kurbeltriebe erfüllen die Aufgabe als Kraftübertragungselement nur im Zusammenwirken mit Führungsteilen, wie beispiels­ weise dem Schaft eines einstückigen Kolbens, dem nur über den Kolbenbolzen mit dem Kolbenoberteil verbun­ denen Pendelschaft, oder aber wie vielfach noch bei langsam laufenden 2 Takt Schiffsdieselmotoren vorge­ sehen, über einen vom Zylinder getrennt angeordneten Kreuzkopf.

Bei den heute überwiegend eingesetzten 4 Taktmoto­ ren mit gleicher Taktdauer

• 1. Saugen
• 2. Verdichten
• 3. Arbeiten
• 4. Ausstoßen

werden zur Sicherung optimaler Luftfüllung im Saugtakt stützende Maßnahmen ergriffen, so z. Beispiel Vergröße­ rung der Öffnungsquerschnitte der Saugventile durch An­ ordnung von 2 dieser Ventile. Auflademotore mit mechani­ schem, oder aber zum Beispiel mit einem Abgasturbolader dienen dem gleichen Zweck.

Zwangsweise ergibt sich aus diesem Kurbeltriebkonzept durch Reibverluste an den Lauf- bzw. Stützflächen der Kolbenschäfte, oder des Kreuzkopfes, Nutzleistungsminde­ rung.

Die Einwirkung der aus der Gaskraft resultierenden Seitenkraft auf das Motorgehäuse, die Zylinderlaufbüch­ se bzw. Kreuzkopflaufbahn stellt besondere Anforde­ rungen an die Stabilität dieser Bauteile. Dies ist nicht nur eine Gewichts- sondern insbesondere eine Kosten­ frage.

Bei beispielsweise hochbelasteten Dieselmotoren mit nasser Zylinderlaufbüchse, kann teilweise nur mit hohem Kostenaufwand z. Beispiel Außenverchromung, die durch Schwingungen erzeugte Kavitation (Lochfraß) vermieden werden.

Maßnahmen zur Füllungsverbesserung des Hubraumes mit Luft bzw. Kraftstoffluftgemisch, beispielsweise durch Mehrventilanordnung und/oder Turboabgasaufladung sind teuer und störanfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

• - Nutzleistungsverluste durch Wandreibung der Führungs­ teile im Zylinder, oder der Kreuzkopfführung zu vermei­ den.
• - Reduzierung der Kolben und Zylinderlänge zur Gewichts­ einsparung.
• - Vermeidung von Schwingungen aus der Seitenkraft.
• - Zeitliche Verlängerung des Saug- und Arbeitstaktes in einem Arbeitsspiel von 720° KW bei 4 Taktmotoren, bzw. des Arbeits/Spültaktes bei einem Arbeitsspiel von 360°KW eines 2 Taktmotors.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an 2 parallel angeordneten Kurbelwellen stirnseitig Zahnradpaare, mit einem Teilkreisdurchmesser der dem Mittenabstand der Kurbelwellenlagerung entspricht, ange­ ordnet sind.

Die Hubzapfen der Kurbelwellen sind spiegelgleich so angeordnet, daß bei der zwangsweise gegenläufigen Drehung, die brennraumseitigen Enden der, am kleinen Pleuelauge gabelförmig ausgebildet und durch den Kolbenbolzen ver­ bundenen Pleuelpaare, sich mit dem Kolbenoberteil in Zylin­ derachsrichtung bewegen.

Das jedem Arbeitszylinder zugehörende Pleuelpaar, sowie die Kurbelwellen, sind entsprechend der aufgeteilten, halben Beanspruchung aus der Gaskraft dimensioniert.

Bei Zusammenführung der Gaskraftanteile über das syn­ chron drehende Zahnradpaar, muß nur der Abtriebzapfen entsprechend der Gesamtgaskraft ausgeführt sein.

Kurbelwellen Parallelabstand, Kurbelwellenhub und die Pleuellänge bestimmen den Kolbenhub.

OT und UT des Kolbenhubes sind erreicht, wenn die ver­ längerte Pleuellängsachse (OT) bzw. die Pleuellängsachse (UT) durch die Kurbelwellenachse geht.

Die unterschiedliche Pleuelachsenlage in OT und UT- Stellung des Kolbens ergibt die gewünschte Verlängerung der Taktzeiten 1. und 3. zu dem 2. und 4. Takt bei 4 Takt­ motoren, im Rahmen eines Arbeitsspiels von 720°KW bzw. dem 1. und 2. Takt bei 2 Taktmotoren innerhalb 360°KW eines Arbeitsspiels.

Durch die Veränderung von Kurbelwellenhub und Pleuellänge wird bei gleichem Kolbenhub der Winkel, d. h. Zeitquer­ schnitt der Takte im Rahmen eines Arbeitsspiels verän­ dert.

Die mit der Zylinderlauffläche korrespondierende Kol­ benlänge ist auf die Partie zur Aufnahme der Dichtringe begrenzt. Die Zylinderlänge ist z. B. bei 4 Taktmotoren reduziert auf Ringpartie- plus Kolbenhublänge.

Das gegabelte Ende des Pleuel/Kolbenbolzenlagers wird vorzugsweise so ausgeführt, daß bei spiegelgleicher Kom­ bination gleicher Einzelpleuel, das Gesamtlager entsteht.

Der Zylinderabstand ist in der Regel, in Längsrichtung der Kurbelwelle, identisch mit dem Lagerabstand. Daher kann die notwendige Lagerfläche für die Haupt- und Hubzapfen­ lager, bei halber Gaskraft je Kurbelwelle, über die gewichts­ günstigere Lagerlänge, das heißt bei halbiertem Lager­ zapfen Φ gegenüber herkömmlichem Kurbeltrieb, erreicht wer­ den.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß die Nutzleistung erhöht wird, indem Reibverluste, wie bei bekannten Motoren durch Führung bzw. Abstützung im Zylinder oder am Kreuzkopf, vermieden sind.

Es ist eine größere Betriebssicherheit erreicht, da die thermisch hoch beanspruchte und zu Mangelschmierung nei­ gende Zylinderlauffläche im Hubbereich nicht mehr zur Füh­ rung und Abstützung der Seitenkräfte benötigt wird.

Zylinderkavitation, das heißt Zerstörung der Laufbüch­ sen, ein Hauptkriterium bei Hochleistungsmotoren ist ver­ mieden, da der Schwingungserreger, die Seitenkraft, nicht mehr auftritt.

Durch Verkleinerung der Lagerzapfendurchmesser ist der Kurbeltrieb insgesamt leichter wie in bekannter Ausfüh­ rung.

Das Motorgesamtgewicht und insbesondere die oszilieren­ den Massen werden ganz wesentlich reduziert.

Bei Großdieselmotoren ist der Vorteil besonders groß. Der Wegfall einer Kreuzkopfführung ergibt nicht nur eine wesentlich kleinere Motorbauhöhe, sondern eine bedeutend kostengünstigere Fertigung aller, minimal gewichtshalbier­ ten, Kurbeltriebeinzelteile.

Die Verlängerung der Taktzeiten "Saugen" und "Arbeiten" bei z. B. 4 Taktmotoren bringen, außer besserer Füllung und Kraftstoff/Luft-Gemischaufbereitung, eine wesentliche Nutzleistungserhöhung durch verringerten Kolbenhubweg, pro Grad Kurbelwinkel, im Arbeitstakt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch die parallele Kurbelwellenanord­ nung, beispielsweise eines 4 Zylinder 4 Taktmotors. Die Zahnräder sind mit 1 und 2 bezeichnet. Die Hub­ zapfenpaare tragen das Kennzeichen 3, 4, 5 und 6. Hauptlager der Kurbelwellen 7 und der die Gesamt­ kraft übertragende Abtriebszapfen 8. Der Kurbelwel­ lenmittenabstand 9 ist mit dem Teilkreisdurchmes­ ser 10 des Zannradpaares identisch.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt eines Kurbeltriebes mit Kol­ ben und Zylinderanordnung, eines 4 Takt Dieselmotors, in erfindungsgemäßer Ausführung. Linksseitig in OT, rechtsseitig der Kolben in UT Stellung dargestellt. Die Kurbelwellendrehrichtungspfeile tragen das Kenn­ zeichen 1, der Mittenabstand der Kurbelwellen 2 (iden­ tisch mit dem Teilkreisdurchmesser des Zahnradpaares). Kurbelwellenhub 3, Pleuellänge 4, Kolbenhub 5 und der Abstand Kurbelwellenlagermitte bis Zylinderblockober­ kante 6. Der die Taktlänge bestimmende Drehwinkel der Kurbelwellen für den Saug- und Arbeitstakt ist mit Y, und für den Verdichtungs- und Ausstoßtakt mit X gekennzeichnet.

Fig. 3 zeigt den Teilschnitt eines herkömmlichen Kurbel­ triebes mit Kolben und Zylinderanordnung von ei­ nem Hochleistungsdieselmotor. Linksseitig in OT, rechtsseitig teils in UT Stellung. Der Kurbelwellen­ drehrichtungspfeil ist mit 1 bezeichnet. Der Kurbel­ hub 2 ist mit dem Kolbenhub 5 identisch. Pleuellän­ ge 3, Abstand Kurbelwellenmitte bis Motorblock­ oberkante 4. Bei OT und UT ist die Pleuelachsen­ lage gleich, das heißt die Drehwinkel der 4 Takte dieses 4 Taktmotors sind gleich.

Fig. 4 zeigt den Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Kurbeltriebanordnung mit Kolben und Zylinder. Links­ seitig in OT, rechts in Kolben UT Stellung. Kurbel­ wellen Drehrichtungspfeile 1, Kurbelwellenabstand 2 (identisch mit dem TK Φ des Zahntriebes), Kurbel­ wellenhub 3, Pleuel 4, Kolbenhub 5 und Abstand Kur­ belwellenmitte bis Gehäuseoberkante 6. Kurbelwellen­ drehwinkel für Saug und Arbeitstakt Y, für Verdich­ tungs- und Ausstoßtakt X.

Die Ausführungsbeispiele, dargestellt in Fig. 2, 3 und 4, zeigen bei vergleichender Größe die bekannte Motor/Kur­ beltrieb Konstruktion in Fig. 3, während in Fig. 2 und 4 die dem Erfindungsgedanken entsprechende Ausführung darge­ stellt ist.

Deutlich in Erscheinung treten dabei die Vorteile der Neuerung. Die Kolbenlängenreduzierung, Zylinderbüchsenkür­ zung auf unter 65% der herkömmlichen Ausführung, Gesamt­ massenreduzierung des Kurbeltriebes. Zusammen mit der Mo­ torbauhöhenverkleinerung ergibt sich ein wesentlich gün­ stigeres Leistungsgewicht.

In Fig. 2 und 4 ist eine Variante von Taktzeitverände­ rung durch z. B. Kurbelwellenhub und Pleuellängen Modifizie­ rung dargestellt.

Claims (4)

1. Kurbeltrieb einer Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine mit zur Zylinderboh­ rung zentrischer Geradführung des Pleuel/Kolbenbolzenlagers, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleich­ hubige Kurbelwellen parallel ange­ ordnet, sich durch Zahnräder kraft­ schlüssig verbunden, synchron gegen­ einander drehen. Die zwei Pleuel pro Zylindereinheit sind an den gegen­ überliegenden Hubzapfen der Kurbel­ wellen gelagert, an den kleinen Pleuel­ augen gabelförmig ausgebildet und durch einen Kolbenbolzen schwenkbar verbunden.

2. Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwellen und Pleuel entsprechend der geteil­ ten Kolbenkräfte dimensioniert sind, mit Ausnahme des Abtriebes und seiner Lagerung, nach der Kräftezusammenführung über den Synchrontrieb.

3. Kurbeltrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuel­ paare pro Zylindereinheit aus zwei baugleichen Einzelpleueln bestehen, die jeweils Kurbelwellen-drehrichtungs­ konform eingebaut sind und deren gabel­ förmiges Ende exzentrisch so ausgebil­ det ist, daß das Pleuelpaar im Betrieb eine symmetrische Kräfte Übertragungs­ einheit darstellt.

4.Kurbeltrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ver­ änderung der Kurbel und Pleuellängen die Taktzeiten sich, im Rahmen eines Arbeits­ spiels, ändern.