DE3736527A1 - Hub - kolbenmaschine - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
"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.
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.
Hub = 84 mm, Bohrung = 90 mm ⌀
Pleuellänge = 120 mm
Schränkung = 0 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 (22)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873736527 DE3736527A1 (de) | 1987-03-30 | 1987-10-28 | Hub - kolbenmaschine |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3710538 | 1987-03-30 | ||
DE19873736527 DE3736527A1 (de) | 1987-03-30 | 1987-10-28 | Hub - kolbenmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3736527A1 true DE3736527A1 (de) | 1988-10-20 |
Family
ID=25854088
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873736527 Withdrawn DE3736527A1 (de) | 1987-03-30 | 1987-10-28 | Hub - kolbenmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3736527A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3837771A1 (de) * | 1988-11-07 | 1990-05-10 | Lothar Dipl Ing Mueller | Kraft- und arbeitsmaschine |
US6240794B1 (en) * | 1998-04-22 | 2001-06-05 | Istvan Simon | Crank assembly |
CN114893380A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-12 | 浙江中辰城市应急服务管理有限公司 | 一种便携式降噪气泵 |
-
1987
- 1987-10-28 DE DE19873736527 patent/DE3736527A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3837771A1 (de) * | 1988-11-07 | 1990-05-10 | Lothar Dipl Ing Mueller | Kraft- und arbeitsmaschine |
US6240794B1 (en) * | 1998-04-22 | 2001-06-05 | Istvan Simon | Crank assembly |
CN114893380A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-12 | 浙江中辰城市应急服务管理有限公司 | 一种便携式降噪气泵 |
CN114893380B (zh) * | 2022-05-30 | 2023-08-29 | 浙江中辰城市应急服务管理有限公司 | 一种便携式降噪气泵 |
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