DE4032217A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbeson­ dere Hubkolbenbrennkraftmaschine, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine dieser Art ist aus der DE-OS 36 41 884 bekannt. Die gattungsgemäße Bauart er­ möglicht in vorteilhafter Weise die Erzielung günstiger Bewegungskurven der Kolben, insbesondere die Erzielung vergleichsweise langer Verweilzeiten der Kolben im obe­ ren Umkehrbereich. Die DE-OS 36 41 884 läßt lediglich eine Einzylinderanordnung erkennen und beinhaltet für eine Mehrzylinderanordnung lediglich den Hinweis, daß die den einzelnen Zylindern zugeordneten Planetenträger direkt miteinander verbunden sein sollen, so daß sich praktisch eine Reihenanordnung ergibt. Bei einer Reihen­ anordnung ergibt sich jedoch insbesondere im Hinblick auf die gattungsgemäße Motorbauweise ein vergleichsweise großes Bauvolumen. Zudem ergeben sich hierbei nicht un­ beträchtliche Schwierigkeiten, wenn versucht wird, die Sonnenräder zur Veränderung der Exzentrizitäten zu ver­ drehen.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine eingangs er­ wähnter Art unter Vermeidung der Nachteile der bekann­ ten Anordnungen und Beibehaltung ihrer Vorteile als Mehrzylindermaschine auszubilden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Maßnahmen des übergeordneten Anspruchs 1 in überraschend einfacher Weise gelöst.

Die Anordnung der Zylinder-Kolbenaggregate auf einem Teilkreis ergibt in vorteilhafter Weise eine sehr kom­ pakte Anordnung. Dennoch läßt sich hierbei eine gute Zugänglichkeit der Sonnenräder sämtlicher Zylinder-Kol­ benaggregate für Steuerungszwecke erreichen. Gleichzei­ tig läßt sich eine gute Kühlung sämtlicher Zylinder be­ werkstelligen. Ferner ergibt die erfindungsgemäße Bau­ weise die Möglichkeit, die Getriebeelemente aller Zylin­ der-Kolbenaggregate auf die gemeinsame Zentralwelle wir­ ken zu lassen, was einen einfachen Ab- bzw. Antrieb er­ möglicht. Zudem bietet die Zentralwelle in Verbindung mit den auf einem Teilkreis angeordneten Zylinder-Kol­ benaggregaten auch eine einfache Möglichkeit zur Steue­ rung der im Bereich der Zylinderköpfe vorgesehenen Ventile.

Hierzu kann einfach eine auf die Zentralwelle aufgesetzte Steuerscheibe Verwendung finden, die über die Ventile bzw. diesen zugeordnete Steuerhebel auskragt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbil­ dungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unter­ ansprüchen angegeben. So können das Übertragungselement und die Getriebeelemente einfach als Kegelräder ausge­ bildet sein. Diese Maßnahmen ergeben nicht nur einfache, kostengünstige und dennoch standfeste Elemente mit form­ schlüssiger Kraftübertragung, sondern ermöglichen in vorteilhafter Weise auch eine gegenüber der Achse der Zentralwelle geneigte Achsanordnung der Zylinder-Kolben­ aggregate. Diese können daher mit den Zylinderköpfen nach innen geneigt sein, was eine besonders kompakte Anordnung ergibt.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, daß die Zentralwelle, wie schon erwähnt, eine mit den Ventilen der Zylinder-Kolbenaggregate bzw. diesen zuge­ ordneten Steuerhebeln zusammenwirkende Steuerscheibe trägt, was eine einfache und dennoch zuverlässige Ven­ tilsteuerung ermöglicht.

In weiterer Fortbildung kann die Steuerscheibe eine als Ventilator ausgebildete Nabe aufweisen. Hierdurch ist es möglich, in den Raum zwischen dem Getriebeblock und den diesen umgebenden Zylinder-Kolbenaggregaten Luft hineinzupumpen, die an den voneinander distanzierten, mit Kühlrippen versehenen Zylindern vorbei nach außen abströmt, so daß sich eine zuverlässige Luftkühlung der Zylinder ergibt.

Zur Erzielung einer sehr kompakten Bauweise der einzelnen Zylinder-Kolbenaggregate und dementsprechend zur Erzie­ lung einer guten Gesamtkompaktheit können die Maßnahmen des Anspruchs 9 beitragen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Vier- Zylinder-Motors, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1 von unten und

Fig. 3 die Bewegungskurve eines Hubkolbens des erfindungsgemäßen Motors.

Die den Fig. 1 und 2 zugrundeliegende Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine besitzt vier Zylinder-Kolbenaggregate mit jeweils einem hier luftgekühlten Zylinder 1, in welchem jeweils ein Kolben 2 angeordnet ist. Die vier Zylinder- Kolbenaggregate sind, wie am besten aus Fig. 2 erkenn­ bar ist, auf einem Teilkreis T angeordnet. Im dargestell­ ten Beispiel sind die vier Zylinder-Kolbenaggregate gleichmäßig auf den Umfang des Teilkreises T verteilt.

Im Zentrum des Teilkreises T ist eine hier stehend ange­ ordnete, von den Zylindern 1 flankierte Zentralwelle 3 vorgesehen, die beim hier vorliegenden Motor als Abtriebs­ welle fungiert. Im Falle einer Pumpe dient die Zentral­ welle 3 als Antriebswelle. Die Zentralwelle 3 ist in einem mittig angeordneten, von den Zylinder-Kolbenaggre­ gaten sternförmig flankierten Getriebeblock 4 gelagert. Der Getriebeblock 4 ist mit hier vier den Zylinder-Kol­ benaggregaten zugeordneten, radialen Auskragungen ver­ sehen, an die jeweils ein einen Zylinder 1 aufnehmendes Kurbelgehäuse 5 angesetzt ist. Das mit Hilfe der Zylin­ der-Kolbenaggregate erzeugbare Drehmoment wird über den Zylinder-Kolbenaggregaten zugeordnete Doppel-Kurbelan­ ordnungen und Vorgelege auf die Zentralwelle 3 über­ tragen. Die Doppel-Kurbelanordnungen ermöglichen die Er­ zielung einer günstigen Kolbenbewegungskurve. Die Vorge­ lege ermöglichen in vorteilhafter Weise die Erzielung einer erwünschten Unter- bzw. Übersetzung.

Jeder Kolben 2 ist durch eine Pleuelstange 6 mit einer zugeordneten, mit einem entsprechenden Pleuelzapfen ver­ sehenen Kurbelwelle 7 verbunden. Diese ist als Planet drehbar auf einem Planetenträger 8 gelagert, der seiner­ seits drehbar im Kurbelgehäuse 5 gelagert ist. Der Pla­ netenträger 8 besteht aus einem linken und einem rechten Lagerstück 9 und einem diese überbrückenden, exzentrisch zur gehäuseseitigen Drehlagerung des Planetenträgers 8 angeordneten Planetenzapfen 10. Beide Lagerstücke 9 sind auf der dem Planetenzapfen 10 diagonal gegenüberliegenden Seite mit Massenausgleichsgewichten 11 versehen, so daß sich ein ruhiger Lauf ergibt.

Die Kurbelwelle 7 ist hier als auf den Planetenzapfen 10 aufgesteckte Hohlwelle ausgebildet, die eine zur Achse ihrer Bohrung exzentrische, den Pleuelzapfen bildende Exzenterscheibe 12 trägt, die in eine an der Pleuelstan­ ge 6 befestigte Lagerschale eingreift. Die Kurbelwelle 7 ist ferner mit einem zu ihrer Bohrungsachse und damit zu ihrer Drehachse koaxialen Zahnkranz 13 versehen, der hier an einen von der Exzenterscheibe 12 seitlich abste­ henden Bund angeformt ist. Der Zahnkranz 13 kämmt mit einem gleich großen Sonnenrad 14, das koaxial zur gehäu­ seseitigen Drehlagerung des Planetenträgers 8 im Kurbel­ gehäuse angeordnet ist und gegen Verdrehen gehalten wer­ den kann.

Das äußere, hier dem Sonnenrad 14 benachbarte Lager 9 des Planetenträgers 8 ist mit einer Lagerbohrung ver­ sehen und mit dieser auf einem das Sonnenrad 14 enthal­ tenden Gehäusezapfen 15 des Kurbelgehäuses 5 aufgenommen. Das Sonnenrad 14 kann dabei an den Gehäusezapfen 15 fest angesetzt sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sonnenrad 14 auf einer den Gehäusezapfen 15 durch­ greifenden Stellwelle 16 aufgenommen, die hier mittels eines Stellhebels 17 verstellbar ist. Die Stellhebel 17 aller Zylinder-Kolbenaggregate können mit einem hier nicht näher dargestellten Stellgestänge verbunden sein, das zur Bewerkstelligung einer laufenden, optimalen Einstellung während des Betriebs mittels eines Stellmotors steuerbar ist. Es wäre aber auch denkbar, die Stellwelle 16 einfach mittels einer lösbaren Spanneinrichtung am Kurbelgehäuse 5 lösbar zu befestigen und bei gelöster Spanneinrichtung manuell zu verstellen.

Das nach innen gewandte Lagerstück 9 des Planetenträgers 8 ist mit einem mit dem Gehäusezapfen 15 fluchtenden Wellenzapfen 18 versehen und mit diesem in einer Boh­ rung der benachbarten Wandung des Getriebeblocks 4 ge­ lagert. Der Wellenzapfen 18 ist durch die genannte Wan­ dung durchgeführt und an seinem in den Getriebeblock 4 hineinragenden Ende mit einem Kegelrad 19 versehen. Die Kegelräder 19 der Planetenträger 8 sämtlicher Zylinder- Kolbenaggregate sind im Eingriff mit einem weiteren, auf der Zentralwelle 3 aufgenommenen Kegelrad 20. Über derartige Vorgelege ist die Zentralwelle 3 durch alle vier Zylinder-Kolbenaggregate antreibbar, wobei infolge der Durchmesserunterschiede eine hier erwünschte Unter­ setzung erreichbar ist.

Die Zentralwelle 3 fungiert hier auch als Steuerwelle zur Steuerung der in den Zylinderköpfen angeordneten Ventile 21. Hierzu ist die stehend angeordnete Zentral­ welle 3 mit ihrem oberen Ende aus dem Getriebeblock 4 herausgeführt und mit einer die Zylinder-Kolbenaggregate übergreifenden Steuerscheibe 22 versehen, deren Durch­ messer so bemessen ist, daß die Ventile 21 bzw. diesen zugeordnete Steuerhebel der auf dem Teilkreis T angeord­ neten Zylinder-Kolbenaggregate erreicht werden. Die Steu­ erscheibe 22 ist mit nach unten vorstehenden Steuernocken 23 versehen.

Zur Verbesserung der Kühlung der Zylinder 1 ist die Steuerscheibe hier mit einer als Ventilator ausgebil­ deten Nabe 24 versehen. Durch die hiermit erzielbare Ventilatorwirkung wird Luft von oben angesaugt und in den Bereich zwischen dem die Zentralwelle 3 umfassenden Getriebeblock 4 und den auf dem Teilkreis T angeordneten Zylindern 1 gepumpt. Diese Luft strömt an den mit Kühl­ rippen versehenen Zylindern 1 vorbei nach radial außen ab.

Die Zylinder-Kolbenaggregate können, wie bei der Ausfüh­ rung gemäß Fig. 1, mit zur Achse der Zentralwelle 3 paralleler Achse angeordnet sein. Es wäre aber auch ohne weiteres denkbar, die Zylinder-Kolbenaggregate mit nach oben konvergierenden Achsen anzuordnen, d. h. oben nach innen zu neigen, was einen besonders kompakten Aufbau ergibt. Mit Hilfe der oben beschriebenen Kegelradpaarun­ gen läßt sich diese Neigung ohne weiteres verwirklichen.

Zur Erzielung einer möglichst langen Verweilzeit der Kolben 2 im Bereich des obeneren Totpunkts können die Exzentrizitäten der Kurbelwelle 7 und des Planetenträ­ gers 8 von einander subtrahiert werden. Zum Verändern der Kolbenverweilzeit im oberen Totpunktbereich wird das Sonnenrad 14 verdreht, wodurch eine entsprechende Ver­ drehung der hiermit im Zahneingriff stehenden, auf dem Planetenträger 8 gelagerten Kurbelwelle 7 bewirkt wird. Die Verdrehung der Sonnenräder 14 erfolgt, wie oben schon angedeutet, mittels der Stellhebel 17.

Bei der dem dargestellten Beispiel zugrundeliegenden Stellung mit um 180° gegeneinander versetzten Exzentri­ zitäten ergibt sich die aus Fig. 3 ersichtliche, auf den Drehwinkel des Wellenzapfens 18 bezogene Bewegungs­ kurve 26 des Kolbens 2. Dieser verweilt, wie aus Fig. 3 anschaulich erkennbar ist, vergleichsweise lange in sei­ nem oberen Umkehrbereich. Dieser umfaßt hier einen Dreh­ winkel von etwa 45° des Wellenzapfens 18, wie durch die obere Abflachung 26a der Kurve 26 angedeutet ist. Die genannte Abflachung 26a umfaßt zwei obere Totpunkte 26b, die durch ein sehr flaches Minimum 26c miteinander ver­ bunden sind. Im Bereich zwischen den beiden oberen Tot­ punkten 26b macht der Kolben 2 einen flachen Zwischenhub. Hierdurch ergibt sich eine Zwischenvergrößerung des Ex­ pansionsraums, was eine günstige Brennstoffeinspritzung ohne Kolbenkammer ermöglicht.

Die durch den Abstand der beiden Maxima 26b definierte, lange Verweilzeit des Kolbens 2 in seinem oberen Umkehr­ bereich stellt sicher, daß die Ventile 21 langsam ge­ öffnet und geschlossen werden können, was einen schonen­ den Betrieb gewährleistet und daß dennoch auf Überschnei­ dungen der Öffnungszeiten der Ein- und Außlaßventile ver­ zichtet werden kann. Aus der Hubkurve 26 ist auch er­ kennbar, daß der Planetenträger 8 beim Beginn des eigent­ lichen Abwärtshubs des zugeordneten Kolbens 2 bereits um einen vergleichsweise großen Winkel von etwa 22,5° über seinen eigenen oberen Totpunkt hinaus verdreht ist und umgekehrt, wodurch sich insgesamt ein vergleichsweise großer, wirksamer Hebelarm bezüglich der gestellseiti­ gen Lagerung des Planetenträgers 8 ergibt, was eine gün­ stige Kraftumsetzung gewährleistet. Sofern in anderem Zusammenhang, beispielsweise beim Bau einer Pumpe etc. ein anderer Kurvenverlauf benötigt wird, läßt sich dies durch Verdrehen der Sonnenräder 14 bewerkstelligen. So kann beispielsweise durch Addition der Exzentrizitäten ein langer Kolbenhub mit geringer Verweilzeit im oberen Totpunktbereich erreicht werden.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr stehen dem Fachmann eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, um die erfindungsgemäße Lehre an die Verhältnisse des Einzelfalls anzupassen. So wäre es beispielsweise auch ohne weiteres möglich, mehr oder weniger als vier Zylin­ der-Kolbenaggregate am Umfang des Teilkreises T vorzu­ sehen.

Claims (12)

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenbrennkraft­ maschine, deren in einem jeweils zugeordneten Zylin­ der (1) angeordnete Kolben (2) über eine jeweils zu­ geordnete Pleuelstange (6) mit einer Kurbelwelle (7) verbunden sind, wobei für jeden Kolben (2) eine Kur­ belwelle (5) vorgesehen ist, die mit zur Achse ihres Pleuellagers radial versetzter Achse auf einem gehäu­ seseitig gelagerten Planetenträger (8) exzentrisch zu dessen gehäuseseitiger Lagerung aufgenommen und mit wenigstens einem zur Kurbelwellenlagerung auf dem Planetenträger (8) koaxialen Zahnkranz (13) ver­ sehen ist, der mit einem koaxial zur gehäuseseitigen Lagerung des Planetenträgers (8) im Gehäuse angeord­ neten Sonnenrad (14) kämmt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, auf einem Teilkreis (T) angeordnete Zy­ linder-Kolbenaggregate (1, 2) vorgesehen sind, deren Planetenträger (8) mit einem jeweils zugeordneten Getriebeelement (19) verbunden ist, und daß die Ge­ triebeelemente (19) der Planetenträger (8) sämtlicher Zylinder-Kolbenaggregate (1, 2) mit einem koaxial zum Teilkreis (T) der Zylinderanordnung angeordneten Übertragungselement (20) zusammenwirken, das mit einer koaxialen Zentralwelle (3) verbunden ist.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Übertragungselement (20) und die Getriebeelemente (19) als Kegelräder ausgebildet sind.

3. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralwel­ le (3) eine mit den Ventilen (21) der Zylinder-Kol­ benaggregate (1, 2) zusammenwirkende Steuerscheibe (22) trägt.

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerscheibe (22) die die Zentral­ welle (3) flankierenden Zylinder-Kolbenaggregate (1, 2) zumindest teilweise übergreift.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerscheibe (22) eine als Ven­ tilator ausgebildete Nabe (24) aufweist.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse mit einem mittleren, von der Zentralwelle (3) durchsetzten Getriebeblock (4) vorgesehen ist, an den sternförmig jeweils ein Zylinder-Kolbenaggregat (1, 2) aufnehmen­ de Kurbelgehäuse (5) angesetzt sind, in denen jeweils ein Planetenträger (8) aufgenommen ist, der mit einem das zugeordnete Getriebeelement (19) tragenden Wellen­ zapfen (18) in den Getriebeblock (4) hineinragt.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Zylinder-Kolbenaggregate (1, 2) gegenüber der Achse der Zentralwelle (3) geneigt sind.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Tot­ punkte des Pleuellagers der Kurbelwelle (7) und des Kurbelwellenlagers des Planetenträgers (8) gegenein­ ander versetzt, vorzugsweise gegeneinander verdreh­ bar, sind.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenträ­ ger (8) einen zu seiner gehäuseseitigen Lagerung ex­ zentrischen Planetenzapfen (10) aufweist, auf den die als Hohlwelle ausgebildete Kurbelwelle (7) gelagert ist, die eine den Planetenzapfen (10) umfassende, das zugeordnete Lager der Pleuelstange (6) aufnehmende Exzenterscheibe (12) und wenigstens einen hiervon ab­ stehenden, zum Planetenzapfen (10) koaxialen Kragen aufweist, der einen Zahnkranz (13) trägt, der vorzugs­ weise denselben Durchmesser wie das Sonnenrad (14) aufweist.

10. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Planetenträger (8) durch den Pla­ netenzapfen (10) miteinander verbundene Lagerstücke (9) aufweist, von denen das eine mit einer Bohrung versehen und auf einem das benachbarte Sonnenrad (14) enthaltenden Gehäusezapfen (15) gelagert und das ande­ re mit dem das Getriebeelement (19) tragenden, im Ge­ häuse gelagerten Wellenzapfen (18) verbunden ist.

11. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenträ­ ger (8), vorzugsweise wenigstens eines seiner Lager­ stücke (9), mit wenigstens einem Massenausgleichsge­ wicht (11) versehen ist.

12. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sonnenrad (14) auf einer zugeordneten, vorzugsweise den das äußere Lagerstück (9) des Planetenträgers (8) aufneh­ menden Gehäusezapfen (15) durchgreifenden Stellwelle (16) aufgenommen ist, die in Drehrichtung verstellbar ist.