DE3736527A1

DE3736527A1 - Hub - kolbenmaschine

Info

Publication number: DE3736527A1
Application number: DE19873736527
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl Ing Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1988-10-20

Description

Hub-Kolbenmaschinen, wie Otto- oder Diesel-, Zweitakt- oder Viertakt-Maschinen, erreichen trotz vieler Verbesserungen keinen befriedigenden Ausnutzungsgrad der eingesetzten Brennstoffenergie.

Nach Angabe der Technischen Universität München, Lehrstuhl und Institut für Verbrennungskraftmaschinen verteilen sich die Energieanteile in % der zugeführten Brennstoffenergie bei Vollast wie folgt:

Die hier angegebenen Werte verändern sich sehr bei Teillastbetrieb.

Nach weiterem Abzug für Eigenbedarf, Reibung etc. verbleiben für die eigentlichen Bewegungsenergie, also die zu Fortbewegung genutzte Energie nur ca. 16% der vom Brennstoff her eingesetzten Energie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hub-Kolbenmaschine gleich welcher Bauart zu schaffen, die den Energieanteil der zugeführten Brennstoffenergie zu Gunsten der erzielten "Indizierten Arbeit" verbessert und dabei die Anteile der Abgasenergie und die der Wandverluste entsprechend reduziert oder bei Kompressoren die zur Erzeugung von z. B. Druckluft notwendige Antriebskraft reduziert.

Diese Aufgabe wird durch eine Hub-Kolbenmaschine, bei der über Zylinder, Kolben und Pleuelstange auf den durch die Kröpfung der Kurbelwelle gebildeten Hebelarm ein Drehmoment bzw. umgekehrt durch die Drehung der Kurbelwelle über den durch die Kröpfung gebildeten Hebelarm und die Pleuelstange eine Kraft auf den Kolben ausgeübt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Angriffspunkt der Pleuelstange in den Kröpfungen kraftschlüssig in eine gewünschte Umlaufbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle geführt wird. Der Angriffspunkt beschreibt nicht, wie bisher üblich eine korrekt kreisförmige Bahn um die Kurbelwellenachse, sondern wird in Führungsbahnen in/oder an den Kröpfungen der Kurbelwelle dem Kurbelwinkel vorauseilend durch Führungsschienen zwangsweise geführt. Dabei kann der Angriffspunkt in jede gewünschte Führungsbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle geführt werden.

Mit dieser erfindungsgemäßen, kraftschlüssigen und sehr reibungsverlustarmen wahlweisen Führung und dem dabei durch das Abrollen in den Führungsbahnen der tatsächlichen Kurbelwinkelbewegung vorauseilenden Angriffspunkt der Pleuelstange an den Kröpfungen der Kurbelwelle kann z. B. erreicht werden:

1. Festhalten des Kolbens am OT bei weiterer Kurbelwinkelbewegung.
2. Quasi, also in gewünschten Grenzen, Festhalten des Kolbens am OT bei weiterer Kurbelwinkelbewegung.
3. Festhalten des Kolbens am UT bei weiterer Kurbelwinkelbewegung.
4. Vorauseilen des Angriffspunktes der Pleuelstange an der Kurbelwelle vor die tatsächliche Kurbelwinkelbewegung.

Zu 1 bis 3

Während des Festhaltens oder quasi Festhaltens des Kolbens am OT wird durch den hierbei noch in vorbestimmbaren Grenzen ansteigenden Druck über dem Kolben die Kurbelwelle weitergedreht.

Die Druckverlauf-Kurve über dem Kolben kann hierdurch gegenüber dem bekannten Druckverlauf nach Zweckmäßigkeit verändert werden.

Hierdurch kann erreicht werden:

a. Optimierung des Verbrennungsverlaufs.
b. Optimierung der Verbrennungsdauer.
c. Verbesserung des Gas-Wechselprozesses.
d. Verbesserung des Ladungsverhältnisses.
(dadurch erübrigt sich voraussichtlich die aufwendige Vier-Ventil-Technik)
e. Verschieben des max. Druckes über dem Kolben zu größeren Kurbelwinkeln.
f. Verbesserung der Abgas-Werte und Senkung des Kraftstoff-Verbrauchs.

Zu 4

Durch das fast reibungsverlustlose Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange in den Führungsbahnen der Kröpfungen der Kurbelwelle kommt während der entscheidenden Phasen des Arbeitstaktes immer ein der tatsächlichen Kurbelwinkelbewegung vorausgeeilter Hebelarm zur Wirkung.

Die Tabelle 1 am Ende der Beschreibung zeigt diesen Zusammenhang für eine beispielsweise Auslegung eines Kurbeltriebes.

Hier wirkt z. B. schon:

Bei 2° Kurbelwinkel (tatsächlich) ein Hebelarm von 8° Kurbelwinkel.
Bei 5° Kurbelwinkel (tatsächlich) ein Hebelarm von 19° Kurbelwinkel.
Bei 10° Kurbelwinkel (tatsächlich) ein Hebelarm von 30° Kurbelwinkel.
Etc.

Die Erfindung erreicht damit:

1. Verbesserung des Verbrennungsprozesses und der Ladungswechselverhältnisse, Erhöhung und in Grenzen Verschiebung des Druckverlaufes über dem Kolben.
2. Umsetzung dieses erhöhten Druckes über einen im Verhältnis zum Hub größeren wirksamen Hebelarm in ein größeres Drehmoment bei gleicher Kurbelwinkelbewegung bzw. in der Summe gleichem Hubweg.

Das Führen auf der gewünschten Umlaufbahn des an den Kröpfungen der Kurbelwelle kraftschlüssig angreifenden Pleuelstangenlagers um die Kurbelwellenachse wird dadurch erreicht, daß z. B. an dem an der Kurbelwelle angreifenden Ende der Pleuelstange eine Welle fest angebracht ist, die beidseitig in Führungsbahnen in den Kröpfungen der Kurbelwelle eingreift. Bei der Drehung der Kurbelwelle wird die gewünschte Bahn durch Führungsschienen bestimmt, in die die Pleuelstange beidendig über entsprechende Lager eingreift.

Durch die Form der Führungsschienen in Verbindung mit den in den Kröpfungen der Kurbelwelle ausgebildeten Führungsbahnen wird erreicht:

1. Verweilen des Kolbens bei den Totpunkten;
2. Voreilen des Angriffspunktes an der Kurbelwelle;
3. Verlängerung des wirksamen Hebelarmes.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist die Kurbelwelle nicht, wie bisher übliche, aus einem durchgehenden Teil. Da der Wellenteil, der die Kröpfungen verbindet und an dem bei den heute gebräuchlichen Maschinen das untere Pleuelstangenlager angreift, nicht vorhanden ist, ist die Kurbelwelle bei Mehrzylindermotoren mehrfach unterbrochen.

Die unterbrochene Kurbelwelle ist in Verbindung mit einer Hauptantriebswelle (siehe unten) besonders robust, vorteilhaft und sehr viel einfacher als eine durchgehende Kurbelwelle herzustellen.

Damit diese einfach und bei mehreren Zylindern auch mehrfach unterbrochene Kurbelwelle die bei den heute gebraüchlichen Maschinen gegebene Aufgabe erfüllt, wird zur gemeinsamen Kraftübertragung bei mehreren Zylindern und zur Drehstabilisierung der mehrfach unterbrochenen Kurbelwelle über Zahnradpaare an der Kurbelwelle eine separate Hauptantriebswelle angetrieben. Die Drehzahl dieser Hauptantriebswelle ist durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses dieser Zahnradpaare zwischen der Kurbelwelle und Hauptantriebswelle bezüglich des nachgeschalteten Getriebes und Differenzials für jeden gewünschten Einsatzfall optimal vorbestimmbar.

Die Führungsbahnen an oder in den Kröpfungen der Kurbelwelle müssen so geformt sein, daß der Druck der an der Pleuelstange festen Welle beim Arbeitshub immer senkrecht auf die Führungsbahnebenen wirkt, oder etwas über 90° der Zentrifugalkraft entgegenwirkend. Dadurch ergibt sich für die Führungsbahnen in oder an den Kurbelwellenkröpfungen eine genau bestimmbare gebogene Form.

Nur für den Stillstand der Maschine ist es erforderlich, die an der Pleuelstange feste Welle beidseitig durch eine Feder nach außen gegen die Laufbahn der ringförmigen Führungsschienen zu drücken. Während des Laufens wird dies durch die entstehende Zentrifugalkraft bewirkt.

Die Lagerung der an der Pleuelstange festen Welle beidseitig in den gebogenen Führungsbahnen der Kurbelwellenkröpfungen erfolgt z. B. mit je zwei Spezialkugellagern mit unterschiedlichen Durchmessern, so daß die Führung immer oben und auch unten schließend abrollt. Das Abrollen auf den Führungsschienen zur Bestimmung der gewünschten Laufbahn des Angriffspunktes der Pleuelstange in den Kröpfungen der Kurbelwelle geschieht ebenfalls über zwei Kugellager, die links und rechts der Pleuelstange auf der Welle angebracht sind. Die in den Führungsbahnen und auf den Führungsschienen abrollenden Spezialkugellager sind geschlossen und so aufgeführt, daß sie beim Eintauchen in Öl geringe zusätzliche "Pantsch-Verluste" bringen. Der Reibungsverlust dieser Kugellager wurde für diesen Einsatzfall mit je nur 0,1-0,3% für das innere und äußere Abrollen angegeben.

Einen aufwendigen Verstellmechanismus und eine aufwendige Umleitung von Kräften gibt es nicht. Es kommen nur für derartige Maschinen bekannte und bewährte Bauelemente zum Einsatz, und damit ist eine den heutigen Maschinen entsprechende Dauerbelastung sicher.

Die erfindungsgemäße Hub-Kolbenmaschine erzielt bei gegebenem Hubraum über das größere aufsummierte Drehmoment bei gleicher Drehzahl eine größere Leistung oder eine geforderte Leistung mit kleinerem Hubraum bei entsprechender Reduzierung der Abgas- und Wandverluste.

Das Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange an der Kurbelwelle bewirkt, daß der erfindungsgemäß durch Festhalten bei OT in gewünschten Grenzen erhöhte Druck über dem Kolben in den wichtigen Phasen des Arbeitstaktes auf einen gegenüber den herkömmlichen Hub-Kolbenmaschinen beträchtlich größeren Hebelarm wirkt.

In der Summe ist die Projektion in Kraftrichtung des an der Peripherie der Kreisbahn zurückgelegten Weges bei gegebenem Hub ebenso groß wie oder etwas größer als bei der herkömmlichen Ausführung.

Durch das konstruktiv bestimmbare Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange an der Kurbelwelle kann in gewünschten Bereichen ein im Verhältnis größerer oder kleinerer zurückgelegter Weg an der Peripherie der Kreisbahn erzielt werden.

Die gleiche Wirkung, die die Führungsbahnen in den Kröpfungen der Kurbelwelle erzielen, kann konstruktiv auch mit kreisförmigen "Runden Führungsbahnen" (16) in den Kröpfungen der Kurbelwelle, die mit der an der Pleuelstange angebrachten Welle exzentrisch verbunden sind, erreicht werden.

Bei den kreisförmigen "Runden Führungsbahnen" (16) gibt es zwei Ausführungsformen:

1. Die an der Pleuelstange angreifenden Welle zwischen den Kröpfungen der Kurbelwelle ist fest mit der Pleuelstange verbunden.

Hierbei sind keine Führungsschienen zur Bestimmung der Umlaufbahn erforderlich. Die Umlaufbahn wird nur durch die Exzentrizität zwischen fester Welle (9) an der Pleuelstange (5) und den an beiden Enden dieser Welle befindlichen runden Führungsbahnen (16) bestimmt (siehe Fig. 5).

2. Die an der Pleuelstange angreifende Welle zwischen den Kröpfungen der Kurbelwelle ist mit der Pleuelstange über Lager drehbar verbunden.

Hierbei wird die Umlaufbahn des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse wieder durch die vorher beschriebenen Führungsschienen (3) angegeben.

Die Auswuchtungen und Schmierung der erfindungsgemäßen Maschine ist mit bekannten Methoden gewährleistet. Der veränderliche Angriffspunkt der Pleuelstange an der Kurbelwelle muß separat ausgewuchtet werden.

Für die Auswuchtung der Kurbelwelle entfallen die durch die Massen des Pleuelgleitlagers, der halben Pleuelstange und die bisher konstruktiv bedingte kräftige Welle zwischen den Kurbelwellenkröpfungen.

Das drehende Gewicht der durch die Zentrifugalkraft auf die ringförmigen Führungsschienen wirkenden Massen kann als aufwendigste Lösung z. B. durch ein gleiches, bewegliches Gewicht an den Gegengewichten der Kurbelwellenkröpfungen, durch sinngemäß umgekehrt wirkende Führungsschienen geführt, vollständig ausgewuchtet werden.

Die Lagerung der einzelnen Kurbelwellenstücke ist je nach Ausführungsform zwei- oder dreifach möglich.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschine mit einer Kurbelwelle aus mehreren, zwei- oder dreifach gelagerten Wellenteilen wird die Veränderung des Hebelarms der Kurbelwelle dadurch erreicht, daß zwischen den Kröpfungen der Kurbelwelle eine zusätzliche Kröpfung angebracht ist.

Diese zusätzliche Kröpfung wird über ein im Drehpunkt der Kurbelwelle, aber unabhängig von dieser am Motorgehäuse abgestütztes, feststehendes Zahnrad und ein an der Kröpfung drehbar angebrachtes kleineres Zahnrad geführt, das beim Drehen der Kurbelwelle ein an der zusätzlichen Kröpfung festes Zahnrad so antreibt, daß die zusätzliche Kröpfung bei über der Kurbelwelle angebrachten Zylindern immer waagerecht steht. Hierdurch wird das gleiche Ziel wie vorher beschrieben, nämlich die Verlängerung des Hebelarms während des Arbeitstaktes erreicht. Innerhalb des im Drehpunkt der Kurbelwelle unabhängig von der Kurbelwelle am Motorgehäuse abgestützten Zahnrades ist die Lagerung des betreffenden Kurbelwellenstückes angeordnet.

Auch bei dieser Ausführungsform ist durch die mehrfache Unterbrechung der Kurbelwelle eine zusätzliche Hauptantriebswelle erforderlich. Diese Ausführungsform kann auch so ausgelegt werden, daß der Hebelarm in der Mitte des Kompressionshubes = 0 ist oder sogar über 0 hinaus eine drehende Wirkung erzielt. Bei dieser Ausführungsform hat die Pleuelstange wieder das gebräuchliche untere Pleuellager.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschine in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemäßen Führungsbahnen;

Fig. 3 die Lagerung der an der Pleuelstange festen Welle;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 1;

Fig. 5 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Führungsbahn

Fig. 6 eine weitere Ausführung der Lagerung der an der Pleuelstange festen Welle.

Fig. 7 beispielsweise Kreisbahnführungen um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse;

Fig. 8 eine weitere Kreisbahnführungs-Möglichkeit um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse;

Fig. 9 noch eine weitere Kreisbahnführungs-Möglichkeit um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse;

Fig. 10 eine durchgerechnete Kreisbahnführung um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse mit einer Auflistung der entsprechenden Werte über 180° Kurbelwinkel-Bewegung;

Fig. 11 eine konstruktive Auslegung der Führungsbahn in den Kröpfungen der Kurbelwelle;

Fig. 12 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit zusätzlicher Kröpfung der Kurbelwelle in vier verschiedenen Positionen.

Fig. 1 zeigt die am unteren Ende der nur angedeuteten Pleuelstange (5) angebrachte Welle (9) in ihrer Führungsbahn (1). Außerdem ist die beispielsweise Form einer Führungsschiene (3) dargestellt, auf der der Angriffspunkt der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) geführt ist. Die Hauptantriebswelle (2) ist mit jedem Kurbelwellenteilstück (6) durch ein Zahnradpaar (10, 11) antriebsmäßig gekuppelt, wie aus Fig. 4 näher ersichtlich ist. Aus Fig. 1 ist zu entnehmen, daß die Kurbelwelle (6) zur Achse des Zylinders (12) seitlich versetzt ist. In der dargestellten Position der Kurbelwelle (6) ist ihr wirksamer Hebelarm im Verhältnis zum Hub gegenüber den herkömmlichen Maschinen vergrößert.

Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemäßen Führungsbahnen (1) an den Kurbelwellenkröpfungen, die bei Drehung der Kurbelwelle unterschiedlichen Angriffspunkte in diesen Führungsbahnen im Maßstab 1:1 und die für dieses Beispiel mögliche Voreilung des Angriffspunktes des Kolben-Druckes durch die Pleuelstange auf die Kurbelwellenkröpfung von 20° Kurbelwinkel.

Fig. 3 zeigt das untere Ende der Pleuelstange (5) mit den seitlich vorstehenden Wellenstümpfen (9) für die Führung über Kugellager in den Führungsbahnen (1) der Kröpfung (4) der Kurbelwelle. Jeder Wellenstumpf (9) trägt außen zwei Spezialkugellager, von denen die beiden äußeren Kugellager (12) einen kleineren Außendurchmesser als die beiden inneren Kugellager (13) haben. Die beiderseitigen Führungsbahnen (1) in den Kröpfungen (4) weisen je eine Stufe (14) auf, so daß die Kugellager (12) und (13) diametral schließen und abrollen können, d. h. das kleinere Kugellager (12) außenseitig der Stufe (14) und das größere Kugellager (13) innenseitig der Stufe (14). Die Wellenstümpfe (9) tragen ferner ganz innen beidseitig je ein weiteres Kugellager (15), mit denen die Wellen (9) auf den Führungsschienen (3) abrollen, wodurch die gewünschte ringförmige Bahn des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) in den Kröpfungen der Kurbelwelle (6) um die Achse der Kurbelwelle bestimmt wird.

Nach Fig. 4 ist die Kurbelwelle (6), soweit dargestellt, zweifach unterbrochen. Jedes Kurbelwellenstück ist durch ein Zahnradpaar (10, 11) mit der Hauptantriebswelle (2) antriebsmäßig gekuppelt. Die Führungsschienen (3), von denen in Fig. 4 zwei dargestellt sind, sind beispielsweise bei 7 am Gehäuse stationär angebracht. Die Pleuelstangen (5) sind mit ihren Wellenstümpfen (9) jeweils innen über Kugellager in den Führungsschienen (3) geführt. Mit ihren äußeren Kugellagern, von denen nur eins angedeutet ist, rollen sie in den Führungsbahnen (1) der Kurbelwellenkröpfungen ab. Jedes Kurbelwellenteil (6) ist zweifach gelagert.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit der erfindungsgemäßen Führungsbahn (16) an den Kurbelwellenkröpfungen, und die bei Drehung der Kurbelwelle unterschiedlichen Angriffspunkte des Druckes über dem Kolben durch die Pleuelstange (5) in diesen Führungsbahnen (16). Während des Arbeitshubes eilt der Angriffspunkt der Pleuelstange (5) der tatsächlichen Winkelbewegung der Kurbelwelle (6) wieder voraus. UT₁ mit Umlaufbahn (18) des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) entspricht der Beschreibung Seite 11, Punkt 1 und UT₂ mit Umlaufbahn (18 a) entspricht der Beschreibung Seite 11, Punkt 2. Umlaufbahn (18 a) zeigt, daß UT schon 40° bis 60° vor eigentlichem UT₂ erreicht werden kann. (Ergibt weniger Verluste, da Auslaßventil in diesem Bereich ohnehin schon geöffnet ist.)

Fig. 6 zeigt wieder das untere Ende der Pleuelstange (5) mit den seitlich vorstehenden fest mit der Pleuelstange verbundenen Wellenzapfen (9) an deren Ende sich beidseitig exzentrisch versetzte runde Führungsbahnzapfen (16) befinden, die in den runden Führungsbahnen (16) der Kurbelwellenkröpfungen (4) gelagert eingreifen. Die Lagerung kann mittels stoßfesten Gleit-, Roll-, Kugel- oder Doppelkugel-Lager, erfolgen.

Fig. 7 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse mit unterschiedlicher Voreilung des Angriffspunktes, unterschiedlichen langem Festhalten bei OT, unterschiedlicher Verlängerung des wirksamen Hebelarmes. Die Kurve 1 beschreibt die herkömmliche Kreisbahn. Die Kurve 2 zeigt eine beispielsweise Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse. Die Kurve 3 zeigt eine weitere beispielsweise Bahnführung. Die Kurve 4 zeigt z. B. die Reduzierung der wirksamen Hebelarmlänge während des Kompressionshubes. Des weiteren zeigt Fig. 7 unterschiedliche Schränkungen zwischen der Achse der Kurbelwelle und Achse des Kolbens.
"h₁" und "h₂" zeigt die mögliche Differenz des zurückgelegten Weges.

Fig. 8 zeigt eine weitere Möglichkeit der Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse, bei der OT schon vor 0° bzw. 360° Kurbelwinkel erreicht wird.

Fig. 9 zeigt eine weitere Möglichkeit der Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse, bei der die Führungsbahn nur im Bereich von 0° bis 90° Kurbelwinkel von der herkömmlichen Kreisbahn abweicht.

Fig. 10 zeigt eine durchgerechnete, beispielsweise Kreisbahnführung (Kreisbahn 10) für einen Beispiels-Motor:
Hub=84 mm, Bohrung=90 mm ⌀; Pleuellänge=120 mm, Schränkung=0 mm. Festhalten bei OT bis 8° Kurbelwinkel und maximale Voreilung des Angriffspunktes der Pleuelstange an der Kurbelwelle von 22°. Durch die Voreilung wirkt z. B. bei einem tatsächlich zurückgelegten Kurbelwinkel von 2° der Hebelarm von 8° Kurbelwinkel. Das heißt, anstelle von 1,47 mm wirken 5,92 mm Hebelarm. Bei 5° Kurbelwinkel wirkt der Hebelarm von 19° Kurbelwinkel. Das heißt, anstelle von 3,60 mm wirken 14,8 mm Hebelarm. Bei 10° Kurbelwinkel wirkt der Hebelarm von 30° Kurbelwinkel. Das heißt, anstelle von 7,47 mm wirken 25,33 mm Hebelarm. Aus beiliegender Liste sind alle Werte von 0° bis 180° zu ersehen.

Fig. 11 zeigt die konstruktive Auslegung der Führungsbahn (1) in den Kröpfungen der Kurbelwelle für das nach Fig. 10 und der beiliegenden Auflistung gerechnete Beispiel. Hieraus ist die maximale Voreilung von 22° und die Verlängerung des Radius r =42 mm bei diesem Beispiel während der Voreilung des Angriffspunktes der Pleuelstange bis r =56,3 mm zu ersehen.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform in vier verschiedenen Kurbelwellenpositionen ist zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) eine zusätzliche Kröpfung (8) so angebracht, daß sie bei über der Kurbelwelle angebrachten Zylindern (16) - wie dargestellt - immer waagerecht steht, wie dies bei allen vier dargestellten Kurbelwellenpositionen ersichtlich ist. Während des Arbeitshubes (Darstellung C) wird die Kröpfung (4) der Kurbelwelle (6) durch die zusätzliche Kröpfung (8) verlängert, während die Kröpfungen (4) und (8) sich in der Position A subtrahieren und in den Positionen B und D die Position der Kröpfung (4) der Kurbelwelle (6) durch die zusätzliche Kröpfung (8) in der Höhe, also der Hub, nicht verändert wird.

Unterschiedliche Varianten der erfindungsgemäßen Hub- Kolbenmaschine sind durchgerechnet und ergeben z. B. für die zu erzielende indizierte Arbeit anstelle von 33-35% (im Mittel: 34%) einen Wert von:

43,6% 50,75% 60,71%

Das entspricht für die dazugehörigen Abgas- und Wandverluste anstelle von heute üblich ca. 66% nur:

56,4% 48,25% 39,29%

Wenn man z. Zt. sagt, daß bei einem Mittelwert von 34% an erzielter indizierter Arbeit einer Hub-Kolbenmaschine für Eigenbedarf und sonstigen Verlusten weitere 18% verloren gehen und nur ca. 16% für den wirklichen Antrieb verbleiben, kann man auch bei den gerechneten Beispielen 18% für Eigenbedarf und sonstigen Verlusten abziehen.

Dann verbleiben für Rechenbeispiel 1

= 43,6% minus 18% = 25,5%;

dann verbleiben für Rechenbeispiel 2

= 50,75% minus 18% = 32,75%;

dann verbleiben für Rechenbeispiel 3

= 60,71% minus 18% = 42,71

für den Antrieb anstelle der heute verbleibenden ca. 16%.

Das bedeutet: entsprechend kleinerer Hubraum zur Erzielung der heute verbleibenden ca. 16% für den Antrieb.

Neben allen zur Zeit laufenden Bemühungen um Treibstoffeinsparungen und Umweltentlastung kann die erfindungsgemäße Hub-Kolbenmaschine eine weitere beträchtliche Reduzierung bewirken.

Rechenbeispiel: Hub-Kolbenmaschine

Hub = 84 mm, Bohrung = 90 mm ⌀
Pleuellänge = 120 mm
Schränkung = 0 mm

In der nachfolgenden Tabelle 1 bedeuten:

°KW= °Kurbelwinkel (tatsächlich) Voreilung °KW= der tatsächlich zur Wirkung kommende vorgeeilte Angriffspunkt der Pleuelstange an der Kurbelwelle in °KW. sin r= wirksamer Hebelarm einer Hub-Kolbenmaschine herkömlicher Bauart. r₁= Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel ohne Voreilung nach Patent "Hub-Kolbenmaschine" und Führungsbahn = Kreisbahn 10 der Fig. 10 r₁ mit Voreilung= Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel mit Voreilung nach Patent "Hub-Kolbenmaschine und Führungsbahn = Kreisbahn 10 der Fig. 10 sin r₁= wirksamer Hebelarm mit Voreilung einer Hub-Kolbenmaschine nach Patent, Führungsbahn = Kreisbahn 10 der Fig. 10 r₂= Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel ohne Voreilung nach Patent "Hub-Kolbenmaschine" und Führungsbahn = Kreisbahn 2 der Fig. 7. r₂ mit Voreilung= Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel mit Voreilung nach Patent "Hub-Kolbenmaschine und Führungsbahn = Kreisbahn 2 der Fig. 7. sin r₂ =wirksamer Hebelarm mit Voreilung einer Hub-Kolbenmaschine nach Patent, Führungsbahn = Kreisbahn 2 der Fig. 7.

Claims

1. Hub-Kolbenmaschine, wie Otto-, Diesel-, Zweitakt- oder Viertakt-Verbrennungsmaschine oder Kolbenkompressor, bei der über Zylinder, Kolben und Pleuelstange auf den durch die Kröpfung der Kurbelwelle gebildeten Hebelarm eine drehende Wirkung ausgeübt wird, bzw. durch die Drehung der Kurbelwelle über den durch ihre Kröpfung gebildetene Hebelarm und die Pleuelstange eine Kraft auf den Kolben ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt an den Kröpfungen der Kurbelwelle kraftschlüssig in eine gewünschte Umlaufbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle geführt wird.

2. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt der Pleuelstange in den Kröpfungen der Kurbelwelle so geführt wird, daß der Kolben bei OT und UT in gewünschten Grenzen verharrt, oder/und daß der OT des Kolbens schon vor Erreichen von 0° bzw. 360° Kurbelwinkel erreicht wird.

3. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe des wirksamen Hebelarms bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle nach zweckmäßiger Wirksamkeit vergrößert bzw. verkleinert.

4. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Festhalten des Kolbens bei OT, bei noch ansteigendem Druck über dem Kolben durch Abstützen an bzw. in den sich drehenden Kröpfungen der Kurbelwelle, dabei in Drehrichtung wirkend, erreicht wird.

5. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt der Pleuelstange auf Führungsbahnen an den Innenseiten der Kröpfungen der Kurbelwelle senkrecht wirkend so abrollt, daß der wirksame Angriffspunkt im Bereich von 0° bis über 90° Kurbelwinkel dem wirklich zurückgelegten Kurbelwinkel vorauseilt und dadurch ein jeweils größerer Hebelarm zur Wirkung kommt, als der wirklichen Kurbelstellung entspricht.

6. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange in den Führungsbahnen der Kurbelwellenkröpfungen auch die in Kraftrichtung wirksame Projektion des an der Peripherie der Kreisbahn zurückgelegten Weges dem wirklich zurückgelegten Kurbelwinkel in gewünschter und zweckmäßiger Größe vorauseilt.

7. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungswellen zwischen den Kröpfungen der Kurbelwelle fehlen und an den Innenseiten der Kröpfungen (4) Führungsbahnen (1) ausgebildet sind.

8. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem an der Kurbelwelle (6) angreifenden Ende der Pleuelstange (5) eine Welle (9) fest angebracht ist.

9. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Pleuelstange (5) fest angebrachte Welle (9) beidseitig Kugellager (15) hat, die über zwei Führungsschienen (3) den Angriffspunkt der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) in die gewünschte Form einer Umlaufbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle (6) führen.

10. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die fest an der Pleuelstange (5) angebrachte Welle (9) jeweils zwischen zwei Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) über beidseitig je zwei Kugellager (12, 13) mit unterschiedlichen Durchmessern in die Führungsbahnen (1) eingreifen und auf jeder Seite in den Führungsbahnen (1) ein Kugellager (13) oben und das zweite Kugellager (12) unten schließend abrollt.

11. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangenwellen (9) in den Führungsbahnen (1) der Kurbelwellenkröpfungen mit z. B. beidseitig einer Feder nach außen gegen die Führungsschienen (3) gedrückt werden.

12. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellager (12, 13) der Pleuelstangenwelle (9) während des Arbeitshubes an einem Ende und während des Kompressionshubes am anderen Ende der Führungsbahnen (1) zeitweise schließend anliegen.

13. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an keinem Ende der Führungsbahnen (1) die Lager (12, 13) der Pleuelstangenwellen (9) schließend anliegen.

14. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende der Führungsbahnen (1) die Kugellager (12, 13) schließend anliegen.

15. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahnen (1) an den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) so geformt sind, daß die Kraft der Pleuelstange (5) während der Kraftübertragung senkrecht auf die Führungsbahnen wirkt oder etwas über 90° der Zentrifugalkraft entgegenwirkend angreift.

16. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Pleuelstange (5) angebrachte Welle (9) beidseitig in gewünschten Maßen exzentrisch zur festen Welle "Runde Führungsbahnen" (16) hat, die über Kugellager (17), Rollenlager oder Gleitlager in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) eingreifen.

17. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 8 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Konstruktion mit "Runden Führungsbahnen" (16) und dabei fester Welle (9) an der Pleuelstange (5) die Bahn die der Angriffspunkt der Pleuelstange um die Achse der Kurbelwelle beschreibt, nicht durch Führungsschienen (3), sondern nur durch die Exzentrizität der "Runden Führungsbahnen" (16) zur festen Welle (9) an der Pleuelstange bestimmt wird.

18. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 7, 9 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Konstruktion mit "Runden Führungsbahnen" (16) die gewünschte Bahn des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Achse der Kurbelwelle durch Führungsschienen (3) bestimmt wird und dabei die Pleuelstange (5) über ein Lager drehbar an der Welle (9) angreift.

19. Hub-Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur gemeinsamen Kraftübertragung bei mehreren Zylindern (16) und zur Dreh-Stabilisierung der mehrfach unterbrochenen Kurbelwelle (6) über Zahnräder (10, 11) eine separate Hauptantriebswelle (2) angetrieben ist und die Drehzahl der Hauptantriebswelle (2) durch die Wahl des Über- oder Untersetzungsverhältnisses der Zahnräder (10, 11) für jeden gewünschten Einsatzfall optimal vorbestimmt ist.

20. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 3 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (6) mehrfach unterbrochen ist, die Kurbelwellenteile je zwei- oder dreifach gelagert sind und zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) je eine zusätzliche Kröpfung (8) angebracht ist.

21. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Kröpfungen (8) über Zahnräder so geführt sind, daß während des Arbeitshubes die Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) um die zusätzlichen Kröpfungen (8) verlängert sind, während des Kompressionshubes die Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) um die zusätzlichen Kröpfungen (8) verkürzt sind und beim oberen und unteren Totpunkt des Kolbens die zusätzlichen Kröpfungen (8) unwirksam sind.

22. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kröpfungen (8) so ausgelegt sind, daß der wirksame Hebelarm während des Kompressionshubes = 0 ist oder sogar über 0 hinaus eine drehende Wirkung erzielt.