DE4210030A1

DE4210030A1 - Verbrennungsmotor mit reduzierter Kolbengleitgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE4210030A1
Application number: DE19924210030
Authority: DE
Inventors: Willi Weis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1993-09-30

Description

Bei Verbrennungsmotoren in Form von Hubkolbenmotoren sind in einem Motorgehäuse ein oder mehrere Zylinder vorhanden, in denen je ein Hubkolben oszillierend bewegt wird. Dafür sorgt ein Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle, die im Motorgehäuse drehbar gelagert ist. Jeder Hubkolben ist mittels je einer Pleuelstange mit je einem der Kurbelzapfen der Kurbelwelle gekoppelt. Die aus der Verbrennung des Kraftstoffes in den Zylindern entstehende translatorische Kraft des Hubkolbens wird mittels des Kurbeltriebes in eine Drehkraft der Kurbel welle umgewandelt. Umgekehrt bestimmt die auf diese Weise erzeugte ständige Drehbewegung der Kurbelwelle den Verlauf der oszillierenden Hubbewegung des Kolbens. Dabei wechselt die Hubgeschwindigkeit des Kolbens ständig zwischen Null in den Totpunkten und einem Größtwert, der näherungsweise in der Mitte der Hubbewegung des Kolbens auftritt. Der Hub und die Hubgeschwindigkeit bestimmten die Drehzahl eines Motors. Daraus wiederum ergibt sich die Leistung des Motors. Eine Leistungssteigerung eines Motors mit vorgegebenem Hubraum ist in erster Linie durch eine Steigerung der Drehzahl zu erreichen. Die Drehzahl wird jedoch durch die höchst zulässige Gleitgeschwindigkeit des Kolbens im Zylinder begrenzt, die zumindest im Dauerbetrieb nicht überschritten werden darf, wenn nicht Schäden an der Zylinderwand und/oder am Kolben auftreten sollen. Diese Grenze und das Bestreben, dennoch eine Leistungssteigerung zu erreichen, hat zur Entwicklung der sogenannten Kurzhubmotoren geführt, bei denen das Verhältnis des Kolbenhubes zum Kolbendurchmesser unter dem Wert 1 liegt. Kurzhubmotoren haben aber im allgemeinen einen schlechteren Wirkungsgrad als sogenannte Langhubmotoren, bei denen das Verhältnis von Kolbenhub zu Kolbendurchmesser bei 1 oder darüber liegt. Ein besserer Wirkungsgrad bedeutet einen geringeren Kraftstoffverbrauch bei gleicher Leistung.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem die Vorteile des Langhubmotors, vor allem hinsichtlich des günstigeren Kraftstoffverbrauches, mit den Vorteilen des Kurzhubmotors, vor allem hinsichtlich der geringeren mechanischen Beanspruchung der Zylinderwand und des Kolbens, miteinander vereinigt sind.

Dadurch, daß der Kolben nicht unmittelbar im Zylinder läuft, sondern daß zwischen der Zylinderwand und dem Kolben eine Zylinderbüchse angeordnet ist, die von der Kurbelwelle aus zumindest annähernd im Gleichlauf mit dem Kolben bewegt wird, wobei jedoch der Hub der Zylinderbüchse kleiner als der Hub des Kolbens ist, wird erreicht, daß der Kolben in der Zylinderbüchse mit wesentlich geringerer relativer Hub geschwindigkeit läuft und die Zylinderbüchse ihrerseits ebenfalls mit geringerer relativer Hubgeschwindigkeit im Zylinder läuft als das bei einem Motor der Fall ist, bei dem der Kolben unmittelbar im Zylinder läuft. Dadurch kann in gewissen Grenzen zur Leistungssteigerung die Drehzahl des Motors erhöht werden, wobei die Gleitgeschwindigkeit sowohl des Kolbens in der Zylinderbüchse wie auch diejenige der Zylinderbüchse im Zylinder unterhalb des höchstzulässigen Wertes bleiben. Das wiederum gibt die Möglichkeit, den Motor mehr als Langhubmotor zu gestalten, der unter anderem einen günstigeren Kraftstoffverbrauch als der Kurzhubmotor hat. Damit kann zugleich die Leistung des Motors in einem gewissen Maße gesteigert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Motors sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird ein verhält nismäßig einfacher Aufbau des Motors erreicht, bei dem die Zylinderbüchse zugleich auch bei der Verdichtung des Frisch gases im Zylinderraum mitwirkt.

Bei einer alternativen Ausgestaltung nach Anspruch 3 wirkt die Zylinderbüchse an der Verdichtung des Frischgases im Verdichtungsraum nicht mit. Diese wird alleine vom Kolben bewirkt. Dafür bleibt die Zylinderwand vom Einfluß der Verbrennung im Arbeitsraum vollständig verschont, die ja die Gleitfläche für die Zylinderbüchse darstellt. Das erleich tert und verbessert die Schmierung im Ringspalt zwischen der Laufbüchse und der Zylinderwand. Das wiederum vermindert den Verschleiß an diesen Gleitflächen und erhöht dementsprechend die Lebensdauer dieser beiden Teile.

Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird vermieden, daß ein Teil des verdichteten Frischgases durch den Ringspalt zwischen der Zylinderbüchse und der Zylinderwand entweichen kann, wodurch sich das Verdichtungsverhältnis und damit auch der Wirkungsgrad des Motors verschlechtern würden. Das gleiche gilt auch für eine Ausgestaltung nach Anspruch 5.

Durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 6 werden zwischen dem Kolben und der Zylinderbüchse einerseits und zwischen der Zylinderbüchse und der Zylinderwand andererseits zumindest annähernd die gleichen relativen Gleitgeschwindigkeiten erreicht und somit in beiden Fällen etwa gleich gute Gleit verhältnisse geschaffen.

Durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 7 wird vermieden, daß vom Antrieb auf die Zylinderbüchse Drehmomente ausgeübt werden und die Zylinderbüchse oszillierende Drehbewegungen um ihre Längsachse ausführt, was Rückwirkungen auf den Antrieb haben würde oder eine Verdrehsicherung für die Zylinderbüchse erfordern würde, die wiederum durch die Gleitbewegungen der Zylinderbüchse belastet wäre.

Durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird ein erprobter Antrieb geschaffen, der von gleicher Art wie der Kurbeltrieb des Kolbens ist und der daher auf verhältnismäßig einfache Weise neben diesem angeordnet werden kann.

Durch eine Ausgestaltung des Motors nach Anspruch 9 kann in Verbindung mit einer nur innerhalb des Zylinders gelegenen Laufbüchse zugleich auch das Verdichtungsverhältnis des Motors verändert werden, weil durch eine Veränderung des Abstandes der Stirnfläche der Zylinderbüchse vom Zylinder kopf im oberen Totpunkt die Größe des Gesamtverdichtungs raumes sich ändert, der sich aus dem in der Axialprojektion des Kolbens gelegenen kreisförmigen Verdichtungsraumes und dem in der Axialprojektion der Zylinderbüchse gelegenen kreisringförmigen zusätzlichen Verdichtungsraumes zusammen setzt. Durch eine Weiterbildung nach Anspruch 10 wird dafür eine Möglichkeit aus verhältnismäßig einfachen Maschinen elementen geschaffen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen ausschnittweise dargestellten Längsschnitt des Verbrennungsmotors, bei dem im oberen Teil links und rechts zwei unterschiedliche Ausführungs formen einiger seiner Teile dargestellt sind;

Fig. 2 einen ausschnittweise dargestellten Querschnitt einer dritten Ausführungsform des Motors.

Der aus Fig. 1 ersichtliche Verbrennungsmotor, der im folgenden kurz als Motor 10 bezeichnet wird, weist ein Motorgehäuse 11 mit mehreren Zylindern 12 auf, von denen jedoch nur einer zu sehen ist. Im Hinblick auf die zum Teil unterschiedlichen beiden Ausführungsformen sind, soweit es zur besseren Unterscheidung notwendig oder zweckmäßig ist, die zu einer der beiden Ausführungsformen gehörenden Teile durch den Zusatz ".1" und die zur anderen Ausführungsform gehörenden Teile durch den Zusatz ".2" gekennzeichnet.

In jedem Zylinder 12 ist ein Hubkolben gleitend geführt, der im folgenden kurz als Kolben 13 bezeichnet wird. An der Oberseite des Motorgehäuses 11 ist ein Zylinderkopf 14 ange ordnet, der die Zylinder 12 oben abschließt. Der Zylinder kopf 12 weist Gaswechselorgane 15 auf, die wie üblich, durch Pilzventile gebildet werden. Im unteren Bereich des Motor gehäuses 12 ist eine Kurbelwelle 16 drehbar gelagert. Je eine Pleuelstange 17 koppelt den Kolben 13 mit einem der Kurbelzapfen 18 der Kurbelwelle 16. Der Kurbelraum wird nach unten durch eine Kurbelwanne 19 abgeschlossen.

Die Zylinderwand 21 des Zylinders 12 hat von dem Kolben 13 einen bestimmten radialen Abstand. In dem Ringraum zwischen der Zylinderwand 21 und dem Kolben 13 ist eine Zylinder büchse 22 angeordnet, die im Zylinder 12, d. h. an dessen Zylinderwand 21, axial verschiebbar geführt ist. Durch diese Anordnung dient die Zylinderbüchse 22 dem Kolben 13 als Laufbüchse. Sie ist an der Zylinderwand 21 gleitend geführt und wird mittels eines mit der Kurbelwelle 16 zusammen wirkenden Antriebes 23 im Zylinder 12 oszillierend bewegt.

Die Zylinderbüchse 22.1 erstreckt sich innerhalb des Zylinders 12 bis höchstens zum Boden 24 des Zylinder kopfes 14.1, wobei der Hub der durch den Antrieb 23 bewirkten Oszillationsbewegung der Zylinderbüchse 22.1 zu berücksichtigen ist. Die Zylinderbüchse 22.2 weist einen von der Kurbelwelle 16 abgekehrten Endabschnitt 25.2 auf, der sich über den Boden 24 des Zylinderkopfes 14 hinaus erstreckt. Der an den Boden 24 anschließende, innerhalb des Endabschnittes 25.2 der Zylinderbüchse 22.2 gelegene Abschnitt 26.2 des Zylinderkopfes 14.2 hat die Form eines geraden Kreiszylinders. An seiner zylindrischen Umfangs fläche ist wenigstens eine umlaufende Nut vorhanden, in die je ein Kolbenring 27.2 eingesetzt ist, der die oszillierend bewegte Zylinderbüchse 22.2 gegenüber dem Abschnitt 26.2 des Zylinderkopfes 14.2 abdichtet. Bei der Zylinderbüchse 22.1 ist wenigstens eine Nut an der Außenseite der Laufbüchse selbst angeordnet und darin je ein Kolbenring 27.1 einge setzt, der die Zylinderbüchse 22.1 gegenüber der Zylinder wand 21.1 abdichtet.

Der Antrieb 23 der Zylinderbüchse 22 ist zweifach vorhanden und in der Längsrichtung des Motors diametral zur Längsachse der Zylinderbüchse 22 angeordnet. Der Antrieb 23 ist als Kurbeltrieb 28 ausgebildet. Die Kurbelwelle 16 weist für jeden dieser Kurbeltriebe 28 einen Kurbelzapfen 29 auf, der an der Außenseite der Kurbelwangen 31 des Kurbelzapfens 18 für den Kolben 13 angeordnet ist. Jeder Kurbeltrieb 28 weist eine Pleuelstange 32 auf, die einerseits mit dem Kurbel zapfen 29 gekoppelt ist und andererseits mittels eines Bolzengelenkes 33 mit dem unteren Teil der Zylinderbüchse 22 gekoppelt ist. Die Pleuelstangen 32 weisen dafür einen Gabelkopf 34 auf, in den ein lappenartiger Fortsatz 35 der Zylinderbüchse 21 eingreift. Der Gabelkopf 34 und der Fort satz 35 sind mittels eines Gelenkbolzens 36 gelenkig mitein ander verbunden.

Die Kurbelzapfen 29 der Kurbeltriebe 28 liegen in der gleichen Axialebene wie der Kurbelzapfen 18 für den zuge ordneten Kolben 13. Dadurch ist ein Gleichlauf der Zylinder büchse 22 mit dem Kolben 13 gewährleistet. Der Hub der Kurbelzapfen 29 der Kurbeltriebe 28 ist höchstens halb so groß wie der Hub des Kurbelzapfens 18 für den Kolben 13 oder kleiner. Dadurch vermindert sich die relative Gleitgeschwin digkeit zwischen dem Kolben 13 und der Zylinderbüchse 22 auf einen Wert der gleich oder etwas größer als die Hälfte der absoluten Kolbengeschwindigkeit ist und zwischen der Zylin derbüchse 22 und der Zylinderwand 21 auf einen Wert der gleich oder etwas kleiner als die Hälfte der absoluten Kolbengeschwindigkeit ist.

Der aus Fig. 2 ersichtliche Motor 40 ist weitestgehend gleich dem Motor 10 in der aus Fig. 1 links dargestellten Ausführungsform ausgebildet. Soweit daher im folgenden die Baugruppen oder Teile des Motors 40 nicht im einzelnen erläutert werden, wird auf die Erläuterung des Motors 10 verwiesen.

Wie der Motor 10 weist der Motor 40 ein Motorgehäuse 41 mit mehreren Zylindern 42 auf. In jedem Zylinder 42 ist ein Kolben 13 gleitend geführt. An der Oberseite des Motor gehäuses 41 ist der Zylinderkopf 44 angeordnet, der die Zylinder 42 oben abschließt. Der Zylinderkopf 44 weist die üblichen Gaswechselorgane 45 auf. Im unteren Bereich des Motorgehäuses 41 ist die Kurbelwelle 46 drehbar gelagert. Je eine Pleuelstange 47 koppelt den Kolben 43 mit einem der Kurbelzapfen 48 der Kurbelwelle 16. Das Kurbelgehäuse 41 wird im unteren Bereich durch die Kurbelwanne 49 abge schlossen.

Innerhalb der Zylinderwand 51 ist die Zylinderbüchse 52 angeordnet und darin axial verschiebbar geführt. Die Zylinderbüchse 52 ist mittels eines Antriebes in Form des Kurbeltriebes 53 mit der Kurbelwelle 46 gekoppelt. Diese weist dafür neben dem Kurbelzapfen 48 für den Kolben 43 zwei weitere Kurbelzapfen 54 auf. Die Kurbelstange 55 dieser Kurbeltriebe 53 ist zweiteilig ausgebildet. Ihre beiden Kurbelstangenteile 56 und 57 sind mittels eines Scharnier gelenkes 58 miteinander gelenkig verbunden.

Damit die beiden Kurbelstangenteile 56 und 57 trotz dem Scharniergelenk 58 als Kurbelstange 55 wirken können, mittels der die Zylinderbüchse 52 von der Kurbelwelle 46 aus oszillierend angetrieben wird, ist eine Schwinge 59 vorhanden. Sie ist mit ihrem einen Ende am Scharnier gelenk 58 angelenkt, d. h. mit den beiden Pleuelstangen teilen 56 und 57 gelenkig verbunden. Am anderen Ende der Schwinge 59 ist ein Stützlager 61 angeordnet, um das sie ihre Schwingbewegungen ausführen kann. Dieses Stützlager 61 wird durch den Kurbelzapfen 62 eines Kurbelarmes 63 gebildet. Dieser ist mittels eines Grundlagerzapfens 64 am Motorgehäuse 41 schwenkbar gelagert.

Die Drehstellung des Grundlagerzapfens 64 und damit die Schwenkstellung des Kurbelarmes 63 kann mittels eines Verstellgetriebes 65 verändert werden. Damit wird auch die Lage des Scharniergelenkes 58 verändert und dadurch wiederum die wirksame Länge der Kurbelstange 55 verändert. Dadurch ändert sich auch der Abstand der Zylinderbüchse 52 von den Kurbelzapfen 54 ihres Kurbeltriebes 53. Das bewirkt eine Veränderung des Abstandes der Zylinderbüchse 52 vom Zylinderkopf 44. Dadurch verändert sich auch der in der Axialprojektion der Zylinderbüchse 52 gelegene kreisring förmige Verdichtungsraum 66, der einen Teil des Gesamt verdichtungsraumes bildet, dessen Hauptteil durch den Ver dichtungsraum 67 des Kolbens 43 gebildet wird.

Das Verstellgetriebe 65 ist selbsthemmend und damit rück wirkungsfrei ausgebildet. Es weist einen sektorförmigen Abschnitt 68 eines Schneckenrades 69 auf. Damit in Eingriff steht eine Schnecke 71, deren Schneckenwelle 72 mit einem nicht dargestellten Kraftantrieb gekoppelt ist. Bei Mehr zylindermotoren sind die Schneckenwellen aller Zylinder 52 in Drehrichtung miteinander gekoppelt.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit den Merkmalen:

- in einem Motorgehäuse ist wenigstens ein Zylinder angeordnet,
- in einem den Zylinder abschließenden Zylinderkopf sind Gaswechselorgane für den Zylinder vorhanden,
- im Zylinder ist ein Hubkolben gleitend geführt,
- der Hubkolben ist mittels einer Pleuelstange mit dem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle gekoppelt, die im Motorgehäuse drehbar gelagert ist, gekennzeichnet durch die Merkmale:
- zwischen der Zylinderwand (21) und dem Hubkolben (13) ist eine Zylinderbüchse (23) angeordnet,
- die Zylinderbüchse (22) ist im Zylinder (12) axial verschiebbar geführt,
- die Zylinderbüchse (22) ist mit einem Antrieb (23) gekoppelt, mittels dessen sie in axialer Richtung oszillierend bewegbar ist,
- der Antrieb (23) der Zylinderbüchse (22) ist mit der Kurbelwelle (16) in der Weise gekoppelt, daß die Zylinderbüchse (22) und der Hubkolben (13) zumindest annähernd im Gleichlauf bewegt werden,
- der Antrieb (23) der Zylinderbüchse (22) ist so ausgebildet, daß der Hub der Zylinderbüchse (22) kleiner als der Hub des Hubkolbens (13) ist.

2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das dem Zylinderkopf (14) zugekehrte Ende der Zylinderbüchse (22.1) erstreckt sich bis höchstens zum Boden (24) des Zylinderkopfes (14) hin.

3. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- der von der Kurbelwelle (16) abgekehrte Endab schnitt (25.2) der Zylinderbüchse (22.2) erstreckt sich über den Boden (24) des Zylinderkopfes (14.2) hinaus,
- zwischen dem überstehenden Endabschnitt (25.2) der Zylinderbüchse (22.2) und dem Zylinderkopf (14.2) ist eine Dichtung vorhanden,
- - die bevorzugt durch einen oder mehrere Kolben ringe (27.2) gebildet wird und
- - die vorzugsweise an einem der Zylinderbüchse (22.2) zugekehrten kreiszylindrischen Abschnitt (26.2) des Zylinderkopfes (14.2) angeordnet ist.

4. Motor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Zylinderbüchse (22.1) weist auf ihrer Außenseite im Bereich ihres dem Zylinderkopf (14) zugekehrten Endes einen oder mehrere Kolbenringe (27.1) auf, mittels der sie gegenüber der Zylinderwand (21.1) abgedichtet ist.

5. Motor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der innerhalb des Endabschnittes (25.2) gelegene Abschnitt (26.2) des Zylinderkopfes (14) weist auf seiner Außenseite einen oder mehrere Kolben ringe (27.2) auf, mittels der er gegenüber dem Endab schnitt (25.2) der Zylinderbüchse (22.2) abgedichtet ist.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Antrieb (23) der Zylinderbüchse (22) ist so ausge bildet, daß ihr Hub höchstens gleich dem halben Hub des Hubkolbens (13) ist.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Antrieb (23) der Zylinderbüchse (22) ist zweifach vorhanden und bevorzugt diametral zur Längsachse der Zylinderbüchse (22) angeordnet.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Antrieb (23) der Zylinderbüchse (22) ist als Kurbeltrieb (28) oder als Exzentertrieb ausgebildet.

9. Motor nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Antrieb (23) der Zylinderbüchse (22) ist hinsicht lich des Abstandes des Hubkolbens (13) vom Zylinder kopf (14) veränderbar ausgebildet.

10. Motor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- bei einem als Kurbeltrieb (53) ausgebildeten Antrieb der Zylinderbüchse (52) ist die Kurbelstange (55) zweiteilig ausgebildet,
- die beiden Kurbelstangenteile (56; 57) sind mittels eines Scharniergelenkes (58) miteinander gelenkig verbunden,
- am Scharniergelenk (58) ist eine Schwinge (59) ange lenkt, deren Stützlager (61) quer zur Längsachse der Zylinderbüchse (52) verstellbar ausgebildet ist,
- das Stützlager (61) weist bevorzugt einen Kurbel trieb (62; 63) oder einen Exzentertrieb auf, der mit einem Verstellgetriebe (65) mit Kraftantrieb gekoppelt ist.