DE4220664C2 - Verbrennungsmotor mit veränderbaren Hubraum und Verdichtungsverhältnis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit veränderbarem Hubraum und Verdichtungsverhältnis bei einfach oder doppelt wirkenden Kolben für Benzin und Dieselbetriebsweise, unabhängig davon, ob sie in zwei oder in vier Takten arbeiten.

Die Hauptziele der vorliegenden Erfindung bestehen darin, Verbrennungsmotoren der obengenannten Art bereitzustellen, deren Hubräume und Verdichtungsver­ hältnisse manuell oder automatisch bei laufendem Motor stufenlos-variabel mit Hilfe verschiedener konstruktiver Ausführungen verändert werden können, wodurch sich die Leistungsangebote der Motoren an die jeweiligen Leistungsanforderungen anpassen können.

Die weiteren mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die steuerungsgemäße Änderungsfähigkeit der konstruk­ tiven Motorgeometrie, wie die Verschiebung des Hub­ zapfens oder der Lagerpunkte der Kurbelwelle sowie der Ebene des Kolbenbodens, das Verdichtungsverhält­ nis und/oder der Hubraum des jeweiligen Motors geändert werden kann.

Wenn der Motor dafür ausgelegt sein soll, kommt es damit zu einer Beeinflussung der Motorcharakterei­ genschaften, wodurch sich eine Veränderung der Motorelastizität, die Verlegung des maximalen Drehmomentes in einen anderen Drehzahlbereich, die Veränderung der Größe des Drehmomentes oder der oberen Leistungsgrenze des Motors erreichen lassen.

Weiterhin wird ermöglicht, daß sich bei guter Abstimmung der Motorkompressionsverhältnisse durch die Motorgeometrie die abgegebene Motorleistung auf die jeweils benötigte Leistung einstellen läßt, was sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch und damit auf den Schadstoffausstoß und die Lebensdauer infolge kleinerer Verbrennungslasten auswirken wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich ein Motor mit einem steuerbaren stufenlos-variablen Hubraum und/oder Kompressionsverhältnis an seine jeweilige Betriebsbedingung, beispielsweise im kalten Zustand oder bei einem Motor mit Turbolader bei dessen Zuschalten, anpassen kann, was wiederum von der Art des verwendeten Motors abhängig ist.

Verbrennungsmotoren der benötigten Art waren bereits Gegenstand entsprechender Entwicklungsversuche.

So beschreibt die DE-PS 34 04 343 eine technische Lösung, bei der die Veränderung des Verdichtungsver­ hältnisses durch die Drehung des äußeren Mantels (Kolbenhemd) erreicht werden soll. Der unterbreitete Vorschlag ist deshalb mangelhaft, weil sich der Kolben durch seine bei der Verstellung auftretende drehveränderte Lage in einer bestimmten Position zur Zylinderwandung nicht einschleifen kann, was Nachteile für Lebensdauer und Leistung nach sich zieht.

Weiterhin unterliegen während des Motorlaufs bestimmte Bauteile, wie Hülse, Innenwand des Kolbenteils und Kolbenhemd, an ihren Kontaktflächen zueinander einer zusätzlichen ständigen Reibung.

Weitere Lösungsmöglichkeiten werden in den DE-PS 30 04 402 und DE-OS 36 44 721 beschrieben.

Bei der jeweils erforderlichen Höhenverstellung der Kurbelwelle erfahren die Lagerpunkte der Kurbelwelle eine exzentrische Kreisbewegung, was sich nachteilig auf die Kraftsymmetrie auswirkt.

Bei einer Konstruktion, bei der längere Verlagerungswege der Kurbelwelle benötigt werden, müßte dies nach den aufgezeigten Möglichkeiten durch eine immer größer werdende exzentrische Verlagerung in Kauf genommen werden.

In jeder der genannten Schriften ist jeweils nur eine veränderbare geometrische Größe einer Brennkraftmaschine Gegenstand der Beeinflussung.

Ein Zusammenwirken mehrerer geometrischer Verände­ rungsmöglichkeiten in einer Brennkraftmaschine wurde jedoch noch nicht beschrieben.

Weiterhin eignen sich die bisher aufgezeigten Möglichkeiten der geometrischen Verstellung nicht für Brennkraftmaschinen mit doppelt wirkenden Kolben.

Es sind bisher auch keine Möglichkeiten einer Veränderung der Hublänge in laufenden Verbrennungs­ motoren aufgezeigt worden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem die oben genannten Änderungen der Motorgeometrie realisiert werden können. Der Motor soll ein stufenlos- variables Kompressionsverhältnis und/oder einen stu­ fenlos-variablen wirksamen Hubraum (Kapazität) haben, ohne dabei die oben aufgezeigten Mängel zu besitzen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Möglichkeiten der geometrischen Beeinflussung der Motorparameter komplex ausgeschöpft werden.

Bekanntlich bestehen drei wesentliche Voraussetzungen für die Beeinflussung der Motorgeo­ metrie.

Dies sind erstens die vertikale Verschiebung des Hubzapfens, zweitens die Lagerpunkte der Kurbelwelle und drittens die Ebene des Kolbenbodens.

Bei einfach wirkenden Kolben reichen stets zwei der oben genannten Möglichkeiten der Verschiebung aus, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um die gewünschte Motorcharaktereigenschaft zu erreichen.

Bei doppelt wirkenden Kolben kann nur die erste und/oder die dritte der vorgenannten geometrischen Ver­ änderungen angewendet werden, unabhängig davon, ob die Kolbenstange durch den unteren Zylinderkopf oder der Kolbenbolzen durch einen seitlichen Schlitz im Zylinder geführt ist.

Die zweite Möglichkeit kommt deshalb nicht in Betracht, weil die Verschiebung der Kurbelwelle in Hubrichtung eine Verschiebung des Mittelpunktes der wiederkehrenden Kolbenbewegung zur Folge hätte und damit unregelmäßige Bedingungen zwischen oberem und unterem Brennraum herrschen würden, was eine Beschädigung des Motors zuließe.

Bei beiden Motorkonstruktionen können die ihm zugeordneten Verstellmöglichkeiten auch einzeln zur Anwendung kommen. Jede dieser Möglichkeiten kann un­ abhängig von den jeweils anderen in Anspruch genommen werden.

Wenn zwei der drei genannten konstruktiven Änderungsmöglichkeiten zur Anwendung kommen, dann sind sie so anzuordnen und zu steuern, daß die dazugehörigen Teile beim Betrieb des Motors und des Steuerungsvorganges miteinander funktionell zusam­ menwirken.

Die Möglichkeit, den Hubraum und das Verdichtungsverhältnis bei laufendem Motor zu verändern, gibt einem Fahrzeug die Fähigkeit, die Durchzugskraft und Geschwindigkeit beispielsweise ohne Kupplungs- und Schaltvorgänge zu verändern, wobei die Änderung der Geschwindigkeit dann auch an eine Änderung der Motordrehzahl gekoppelt ist.

Solche Motoren können beispielsweise in Geländewagen zum Einsatz kommen, in denen die bisher gewählten Motoren für diese Fahrzeuge in der Regel einen Kompromiß der festgelegten geometrischen Ausbildung für verschiedene ideale Betriebsbedingungen, der verschiedenen Arbeitsbedingungen und Leistungsanfor­ derungen darstellen und es vorteilhaft wäre, beim Straßenbetrieb einen kleineren Hubraum als im Gelände zu wählen, wodurch Kraftstoff eingespart und die Umwelt weniger stark beeinträchtigt würde.

Ein weiteres Beispiel stellen normale Straßenfahrzeuge dar, die sich in einem Stau befinden oder nur langsam vorankommen. Diese könnten durch die wahlweise Nutzung eines kleineren Hubraumes Kraftstoff sparen und den Motor schonen.

Die vertikale Verschiebung des Hubzapfens wird durch die Drehbewegung der drei Zahnräder in jeder der beiden Kurbeln erreicht. Die beiden äußeren sind exzentrisch gelagert, wobei das mittlere Zahnrad das Lager des Hubzapfens darstellt.

Beim Einkuppeln der Steuerteile wird der Hubzapfen in Drehung versetzt, die er dann durch Zahnräder auf eine Hülse überträgt, die um den Pleuel gelegt ist. Das Kreuzkopfkolbenbolzenlager besitzt drei Zahnräder, die so angeordnet sind, daß die Hülse der Kolbenstange weitergeleitet werden kann.

Der doppelt wirkende Kolben, der in der Mitte geteilt ist, hat eine große Axialbohrung, die durch den oberen Kolbenboden abgeschlossen ist.

Die obere Hülse ist in dieser Bohrung geführt, wodurch sich die beiden Kolbenhälften durch die Anordnung verschiedener Gewindeflächen voneinander weg oder aufeinander zu bewegen können.

Die Erfindung soll nachstehend mittels Ausführungsbeispiel in mehreren Ausführungsvarianten näher beschrieben werden.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung von Kolben mit Kolbenstange, Pleuel, Hubzapfen, Zahnräder, Kurbel und einzelnen Steuerungs­ teilen,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung in der Schnittlinie B von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung in der Schnittlinie A von Fig. 1,

Fig. 4 die schematische Darstellung einer vorteil­ haften Ausführungsform der Drehbewegungs­ übertragung,

Fig. 5 die schematische Darstellung einer vorteil­ haften Variante für die Verschiebung der Kurbelwellenlager,

Fig. 6 die schematische Darstellung der Verstellung beider Kolbenböden bei einem doppelt wirkenden Kolben mit durch einen seitlichen Schlitz in der Zylinderwandung geführten Kolbenbolzen,

Fig. 7 die schematische Darstellung einer vorteil­ haften Ausführungsvariante für die Verstel­ lung der Lage des Kolbenbodens,

Fig. 8 die schematische Darstellung einer vorteil­ haften Variante der Verstellung des Hubzap­ fens,

Fig. 9 die schematische Darstellung einer weiteren Variante für die Verschiebung der Kurbelwel­ lenlager.

Die zunächst beschriebene Steuerung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit doppelt wirkendem Kolben mit durch den unteren Zylinder geführter Kolbenstan­ ge. Diese Steuerung wird elektromagnetisch durch zugeordnete Dauer- und Elektromagnete 9c, 9d bei laufendem Motor betätigt. Sie ermöglicht eine Verschiebung des Hubzapfens 4, worauf der Arbeitshub kleiner oder größer wird.

Um eine damit verbundene Beschädigung durch das Zusammentreffen des Kolbenbodens mit dem ihm zugeordneten Zylinderkopf oder einen größeren Leistungsabfall des Motors zu vermeiden, ist es bei dieser Ausführungsform erforderlich, die beiden Ebenen der Kolbenböden an die Stellung des Hubzapfens 4 in Abhängigkeit voneinander anzuglei­ chen, wodurch sich der Motor an die ihm abverlangte Leistung anpassen kann.

Das bedeutet, daß, wenn der Hubzapfen 4 seine Entfernung zum Drehpunkt der Kurbelwelle 8 vergrö­ ßert, sich synchron dazu der Abstand zwischen den beiden Ebenen der Kolbenböden verringern muß.

Der mittlere Wendepunkt des Kolbens 1 wird dadurch jedoch nicht verschoben.

Bei geringer Erhöhung des Arbeitshubes ohne eine Verstellung der Kolbenbodenebene kommt es zu einer Erhöhung der Verdichtung des zu komprimierenden Gases, wodurch sich der Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht. Das kann sich bei einer beabsichtigten Steuerung des Verdichtungsverhältnisses günstig auf den Kraftstoffverbrauch auswirken, da sich mit geringeren Kraftstoffmengen eine effektivere Verbrennung erzielen läßt.

Bei der vorliegenden konstruktiven Ausbildung führt das Aktivieren der Steuerung zum Zusammenwirken der verschiedenen Baugruppen.

Der Kolben 1 dieses Motors ist in seiner vertikalen Mitte horizontal in zwei gleich große Hälften unterteilt.

Die beiden Hälften 1a, 1b haben in ihrer axialen Mitte eine große Bohrung 10, die bei der oberen Kolbenhälfte 1a gerade durch den Kolbenboden abgeschlossen ist.

Bei der unteren Hälfte 1b führt diese hindurch, die sich im Bereich des Kolbenbodens verjüngt und danach in der hülsenartigen Weiterbildung 11 des Kolbenbodens gerade weitergeführt ist.

Diese hülsenartige Weiterbildung 11 dient in diesem Fall lediglich dazu, für eine bessere Abdichtung des unteren Brennraumes zu sorgen. Alternativ dazu könnte bei einer geraden Durchführung der Bohrung 10 zusätzlich für die Aufnahme von Gewindegängen gesorgt werden, wobei sie in einer solchen Länge ausgeführt sein muß, daß es bei der Kolbenbewegung nicht zu einer Offenlegung des unteren Brennraumes kommt.

Die beiden Abschnitte der Bohrung 10 haben an ihren Wandungen jeweils ein Gewinde 12a, welches bei der oberen Links- und bei der unteren Kolbenhälfte 1b Rechtsgewinde bzw. entgegengesetzt sein kann.

Um ein Steuern und Fixieren der beiden Kolbenhälften 1a, 1b zu erreichen, befindet sich innerhalb der Bohrungsabschnitte 10a, 10b eine Hülse 13, die an ihrer Außenfläche ebenfalls ein Gewinde 12b der gleichen Art aufweist.

Dieses Gewinde 12b bildet das Gegenstück, wobei sich der Querschnitt der Bohrung 10 und der Hülse 13 im Bereich ihrer Gewindeflächen 12a, 12b nicht verändern darf.

Die Gewindefläche 12b der Hülse 13 ist im Kontaktbe­ reich der beiden Kolbenhälften 1a, 1b in zwei gleich große Abschnitte unterteilt. Der untere und der obere Abschnitt weisen jeweils entgegengesetzt verlaufende Gewindegänge auf, so daß diese Gewinde den Gewindegängen im zugeordneten Bohrungsabschnitt 10a, 10b entsprechen.

Die Hülse 13 ist im Bereich des unteren Kolbenbodens ebenfalls verjüngt und paßt sich dabei der Bohrung 10b so an, daß das obere Ende der Hülse 13 offen ist.

Die Kolbenstange 2 ist von der Hülse 13 umgeben und ragt bis zu einem gewissen Maße in die untere Kolbenhälfte 1b hinein.

Die Hülse 13 und das Ende der Kolbenstange 2 können ihren Durchmesser durch die sich nach oben erweiternde Bohrung 10b im Bereich des unteren Kolbenbodens vergrößern. Durch die Erweiterung ihrer Querschnitte wird eine größere Stabilität, eine bessere Kraftübertragung zwischen den beiden Bauteilen und eine in vertikaler Richtung nach unten unverschiebbare drehbare Verbindung gewährleistet. Sie dient weiterhin dazu, daß genügend Raum für einen Zapfen 15 vorhanden ist, der durch den Ring 16 mit dem stirnseitig angeordneten Gewinde 12d führt.

Die Hülse 13 hat in diesem Bereich an ihrer inneren Wandung ebenfalls ein Gewinde 12c, welches dazu dient, daß der Ring 16 mit der Hülse 13 fest verbunden werden kann.

Am oberen Ende der Kolbenstange 2 befindet sich der Zapfen 15, der den gleichen Durchmesser wie die Durchführung des Ringes 16 aufweist und sich nach diesem als unrunde Hülse ausbildet.

Im Ring 16 befindet sich noch eine Bohrung, um ihn durch die Schraube 17 gegen ungewolltes Verdrehen zu sichern.

Der Ring 16 und die trichterförmige Ausbildung des Kolbenstangenendes und der Bohrung 10a im Bereich des Kolbenbodens dienen dazu, eine in vertikaler Richtung unverschiebliche drehbare Verbindung zwischen Hülse 13 und Kolbenstange 2 zu garantieren.

Zwischen den Kontaktflächen dieser Teile befindet sich je ein Kugellager, um eine leichtgängige Drehbewegung zu gewährleisten.

Um bei der Rotation der Hülse 13 ein ungewolltes Mitdrehen der beiden Kolbenhälften 1a, 1b und ein asynchrones Verstellen der Abstände zwischen ihnen zu vermeiden, ist es notwendig, sie mit der unverdrehbaren Kolbenstange 2 zu verbinden. Zu diesem Zweck ist der Zapfen 15 über dem Ring 16 als eine unrunde, beispielsweise ovale, dreieckige oder viereckige, Hülse 15a weitergeführt.

Das Gegenstück 18 zu dieser verschiebbaren Verbindung, das in die Hülse 15a hineinragt, ist mit dem oberen Kolbenboden fest verbunden. Dabei muß die Hülse 15a und das Gegenstück 18 so lang ausgeführt sein, daß sie bei der größten Verschiebung der Kolbenhälften 1a, 1b ihre kraftschlüssige Verbindung nicht verlieren.

Zur Vermeidung einer Drehung der unteren Kolbenhälfte 1b muß eine der beiden Hälften mindestens zwei vertikale Bohrungen 19 aufweisen, in die die zugehörigen Verbindungsstifte 20 eingreifen. Durch diese konstruktiven Maßnahmen ist gewährleistet, daß sich bei Verdrehung der Hülse 13 in eine bestimmte Richtung die beiden Kolbenhälften 1a, 1b ohne Verdrehung axial verschieben können.

Bei der in Fig. 1 gekennzeichneten Stellung hat der Motor den größtmöglichen Hubraum zur Verfügung.

Um eine Änderung des Abstandes zwischen dem Drehpunkt der Kurbelwelle 8 und des Hubzapfens 4 zu erreichen, müssen die beiden Lagerpunkte des Hubzapfens 4 in gerader Richtung verschiebbar sein.

Dies wird dadurch erreicht, daß die drei in jeder der zwei Kurbeln 5 pro Zylinder angeordneten Zahnräder 7a, 7b, 7c miteinander in Funktion treten. Das mittlere Zahnrad 7b hat seinen Drehpunkt, der zugleich Lagerpunkt des Hauptzapfens 4 ist, auf dem Hauptzapfen 4, der auch eine ungewollte Verschiebung des Zahnrades in Längsrichtung der Kurbel verhindert.

Die seitliche Verschiebung wird dadurch verhindert, daß der Hubzapfen 4, durch das mittlere Zahnrad 7b führt, über dieses hinausragt und in einer Nut 21 in der Kurbelwandung geführt wird.

Die beiden äußeren Zahnräder 7a, 7c müssen gleich groß sein, können jedoch einen anderen Durchmesser als den des Zahnrades 7b aufweisen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Zahnrad 7b kleiner auszuführen, wodurch neben der Platzersparnis auch günstige Auswirkungen auf die Steuerung erreicht werden.

Die Lager- und Drehpunkte der Zahnräder 7a, 7c liegen stark außerhalb ihrer Mitte, wodurch es zu einer exzentrischen Drehbewegung dieser Räder kommt. Dies führt zu einer Verschiebung des Zahnrades 7b in Längsrichtung zur Kurbel 5, wobei die dadurch auftretenden Seitenkräfte durch den Hubzapfen 4 aufgenommen werden.

Das Zahnrad 7b besitzt des weiteren in der Mitte seiner Zahnfläche einen hinausragenden zylinderförmigen Führungsring 22a und die beiden äußeren Zahnräder 7a, 7c die dazugehörigen Führungsnuten 22b.

Durch die konstruktive Ausbildung wird ein Verrutschen der Teile bei der Montage verhindert.

Die Verlagerung der Drehpunkte der Zahnräder 7a, 7c muß bei beiden Elementen gleich sein, wobei sie so anzuordnen sind, daß sie bei einer Drehbewegung immer den gleichen mittleren Abstand haben, was in Fig. 2 verdeutlicht ist.

Um ein beliebiges Steuern der bisher beschriebenen geometrischen Veränderungsmöglichkeiten zu erreichen, werden die nachfolgend beschriebenen Teile und Ausführungen benötigt.

Das Zahnrad 7b hat eine Aussparung 23 mit Schlitzen 24. In dieser Aussparung 23 befindet sich ein schei­ benförmiger Dauermagnet 9a, welcher mit den durch die Schlitze 24 geführten Verbindungselementen 25 und mit dem Zahnring 26 fest verbunden sind und eine Baueinheit bilden.

Diese Zahnringeinheit 26 ist wie ein Kugellager aufgebaut und besitzt daher einen inneren Ring 26a, der durch ein Führungsteil 27 verschiebbar, jedoch nicht drehbar, auf dem Hubzapfen 4 gelagert ist.

Der äußere Ring 26b der Zahnringeinheit 26, der gegenüber dem inneren Ring 26a in beide Richtungen verdrehbar ist, hat an seiner Stirnseite zwei parallel gegenüberliegende Führungsflächen 28, die eine Auf- und Abwärtsbewegung ermöglichen, jedoch eine Drehbewegung gegenüber der Kurbel 5 verhindern. Die Führungsflächen 28 sind verschiebbar in den Führungsnuten 29 der Kurbel 5 gelagert. Beide Ringe 26a, 26b haben am Rand der zum Pleuel 3 zeigenden Seite eine etwa 45 Grad abgewinkelte Verzahnung, um ein leichtes Eingreifen zu ermöglichen.

Der innere Ring 26a besitzt an der Gegenseite der Verzahnung kleine Blattfedern 30b, die so lang ausgebildet sind, daß die an ihrem Ende befestigten Stifte 30a im ausgekuppelten Zustand der beiden Ringe 26a, 26b entsprechend der Darstellung in der rechten Seite der Fig. 1 in die Verzahnung des Zahnrades 7b eingeschoben werden können und damit ein ungewolltes Verstellen des Hubzapfens 4 verhindern.

Für jede Verzahnung des Zahnrades 7b ist jeweils eine Blattfeder 30b mit Stift 30a, der die Form eines Zahnes aufweisen kann, zugeordnet. Dadurch bekommt das Zahnrad 7b in einem Randbereich eine nahezu runde Form, wodurch es den beiden äußeren Zahnrädern 7a, 7c unmöglich gemacht wird, in das mittlere Zahnrad 7b einzugreifen.

Der äußere Ring 26a besitzt an dieser Seite eine abgewinkelte Fläche 31, damit es ermöglicht wird, daß bei einem Nichteingreifen der Stifte 30a in die Verzahnung, was bei den Kontaktbereichen zwischen den Zahnrädern 7a, b und 7b, c nicht möglich ist, die Blattfedern 30b eine Ausweichmöglichkeit haben.

Die Verschiebung und ein damit verbundenes Einkuppeln entsprechend der linken Seite der Darstellung in Fig. 1 dieser Steuereinheit wird durch den Dauermagnet 9a und einen in die Kurbel 5 inte­ grierten zuschaltbaren Elektromagnet 9b erreicht.

Der Dauermagnet 9a hat beispielsweise an der dem Elektromagnet 9b zugewandten Seite einen Plus-Pol.

Wenn der Elektromagnet 9b ebenfalls einen Plus-Pol erzeugt, kommt es zum Abstoßen der Magnete, wodurch sich die Steuereinheit verschiebt und die beiden Ringe 26 in den Teller 32c und das Zahnrad 6a ein­ kuppeln. Dies führt zur erwünschten Geometrieveränderung des Motors.

Wird der Elektromagnet ausgeschaltet, so zieht sich der Dauermagnet 9a aus eigener Kraft an die nunmehr neutral gewordene Fläche des zuschaltbaren Elektromagneten 9b heran, was noch durch die Anordnung einer Schraubenfeder 33a verstärkt werden kann.

Der Pleuel 3 besitzt vor seinen Lagerpunkten, des Hubzapfens 4 und des Gelenkes zur Kolbenstange 2 je einen Teller 32a, 32b, die jeweils mit ihm fest verbunden sind. Der untere Teller 32a weist an der den Kurbeln 5 zugewandten Seite eine Verzahnung 34 auf. Der Pleuel 3 hat einen runden Querschnitt und ist von einer Hülse 14 umgeben, die gegen den Pleuel in beide Richtungen verdrehbar ist und an ihren Stirnflächen je ein Zahnrad 6a, 6b besitzt, die fest mit der Hülse verbunden sind.

Um ein leichtgängiges Drehen der Hülsen 14 zu gewährleisten, befindet sich zwischen den Tellern 32a, 32b, 32c und den Zahnrädern 6a, 6b, 6d, die die Lagerpunkte der Hülse 14 und den unteren Lagerpunkt der Hülse 13 darstellen, je ein Kugellager.

Das Zahnrad 6c, das die beiden Hülsen 13, 14 miteinander verbindet, ist drehbar auf einem Bolzen 35 gelagert, der wiederum in horizontaler Richtung im Auge des Verbindungslagers zwischen Pleuel 3 und Kolbenstange 2 verschiebbar ist.

Der Bolzen 35 hat am Gegenende einen Dauermagnet 9c, wobei ihm gegenüber ein Elektromagnet 9d angeordnet ist. Dieser bildet beim Betätigen einen entgegengesetzten Pol aus und zieht damit den Dauermagneten 9c zu sich heran, der dadurch den Bol­ zen 35 in Bewegung setzt, das Zahnrad 6c in die beiden benachbarten Zahnräder 6b, 6d einkuppelt und die Drehbewegung der unteren Hülse 14 auf die obere Hülse 13 überträgt.

Beim Abschalten des Elektromagnetes 9d löst sich die magnetische Kraft und der Bolzen 35 wird durch eine Schraubenfeder 33b zum Auskuppeln gebracht.

Der Anschlag 36 verhindert ein zu weites Auskuppeln, wobei im Zusammenhang mit der Schraubenfeder 33b ein Klappern vermieden wird.

Um ein ungewolltes Verdrehen der Hülse 13 im ausgekuppelten Zustand zu vermeiden, befindet sich eine Sicherung 37 am Anschlag 36. Sie besteht aus einer Blattfeder 37a, die an ihrem Ende eine Verdickung 37b aufweist, die ihrerseits im ausgekuppelten Zustand in die Zahnreihe des Zahnrades 6d eingreift.

Der Anschlag 36 mit der Sicherung 37 ist mit dem Bolzen 35 fest verbunden. Der Bolzen 35 besitzt eine Nut 38a, wobei sich der Zapfen 38b als Gegenstück im Gelenkauge der Kolbenstange 2 befindet. Das gibt dem Bolzen 35 die Möglichkeit, sich in seiner Achsrichtung zu verschieben, ohne ihm eine Drehung im Lagerabschnitt der Kolbenstange 2 zu ermöglichen. Unabhängig davon wird dadurch dem Bolzen 35 eine freie Drehung im Lagerabschnitt des Pleuels 3 erlaubt.

Beide Kurbeln eines zugeordneten Zylinders haben den gleichen Aufbau, jedoch unterschiedliche Schaltkreise der Elektromagneten 9b.

Ein Kabel für den Stromzufluß für diese Steuerung kann vom Elektromagnet bis zur Kurbelwelle geführt werden, wo es mit einer leitenden Zone in der Kurbelwelle verbunden wird, wodurch ein Stromfluß ermöglicht wird.

Eine Verbindung des Stromflusses zwischen den drehenden und starren Bauteilen könnte eine leitende Flüssigkeit herstellen.

Ebenfalls einen anderen Schaltkreis kann die Steuerung im Lagerpunkt von Pleuel 3 und Kolbenstange 2 besitzen.

Es ist notwendig, den Kraftfluß zwischen beiden Hülsen 13, 14 zu unterbrechen, weil es sonst durch die Hin- und Herbewegung des Pleuels 3 zu einer ständigen Hin- und Herbewegung der Zahnräder 6b, 6c, 6d kommt, die sich durch diese auf die beiden Kolbenhälften 1a, 1b übertragen würde, was zur ständigen Verstellung sowie zur Beeinträchtigung der Lebensdauer der Bauteile führen müßte.

Ein weiterer Vorteil des Auskuppelns des Zahnrades 6c besteht darin, daß man es dazu nutzen kann, den Hubzapfen 4 unabhängig von den beiden Kolbenhälften 1a, 1b zu steuern.

Damit ließe sich beispielsweise das Verdichtungsverhältnis und der Hubraum im geringen Maße verändern, was sonst im eingekuppelten Zustand nur proportional möglich wäre.

Voraussetzung dafür ist es, daß das Übersetzungsverhältnis der Konstruktion dafür ausgelegt ist.

Der Teller 32a gibt dem inneren Ring 26a dadurch eine Drehbewegung, indem dieser sich durch den Pleuel 3 um den Hubzapfen 4 dreht und bei eingekuppeltem Zustand die beiden Teile eine unbewegliche Verbindung bilden.

Dadurch wird das mittlere Zahnrad 7b in Rotation versetzt und überträgt seine Drehbewegung auf die beiden äußeren Zahnräder 7a, 7c, wodurch das mittlere Zahnrad 7b seinen Abstand zur Kurbelwelle 8 verändert.

Durch die bereits beschriebene konstruktive Ausbildung der beiden äußeren Zahnräder 7a, 7c voll­ zieht sich beispielsweise eine Bewegung des Hubzapfens 4 in Richtung des Drehpunktes der Kurbewelle 8 bei gleichbleibender Drehrichtung des mittleren Zahnrades 7b nur solange, bis die äußeren Zahnräder 7a, 7c im günstigsten Falle eine halbe Umdrehung vollendet haben.

Dabei ist es unerheblich, ob der innere Ring 26a von der rechten oder der linken Kurbel 5 in den Teller 32a eingreift. Danach wird der Richtungssinn der Verschiebung des Hubzapfens 4 geändert, wobei die Drehrichtung des Hubzapfens 4 unverändert bleibt.

Die beiden oberen Ringe 26b sind bezüglich ihrer Kurbel 5 nicht drehbar. Sie haben die Aufgabe, die Hülse 14 in die eine oder in die andere Richtung zu drehen, je nachdem welche Seite sich gerade im eingekuppelten Zustand befindet.

Durch die unterschiedlichen Fähigkeiten der inneren und äußeren Ringe 26a, 26b könnte es passieren, daß bei Bestehen eines einseitigen Kupplungszustandes der Hubzapfen 4 seine Verschiebungsrichtung ändert, die Drehrichtung der Hülse 14 jedoch nicht dazu paßt. Dadurch bekäme der Motor eine ungünstigere Einstellung oder er würde eine Beschädigung erfahren können.

Deshalb müssen sich bei Änderung der Verschiebungsrichtung des Hubzapfens 4 beispiels­ weise die rechten Steuerteile mit zugehörigem Schaltkreis durch die linken Steuerelemente ablösen. Dabei wird die Drehrichtung der Hülse 14 der Verschiebungsrichtung des Hubzapfens angepaßt.

Eine vorteilhafte Ausbildung bezüglich des Übersetzungsverhältnisses der Zahnräder 6b, 6c, 6d für die Übertragung der Drehbewegung von Hülse 14 auf Hülse 13 ist in Fig. 4 dargestellt.

Um eine Veränderung des Hubraumes und des Verdichtungsverhältnisses bei einem doppelt wirkenden Kolben mit durch einen seitlichen Schlitz in der Zylinderwandung geführten Kolbenbolzen zu erreichen, wird auf die Ausführung der Zeichnung in Fig. 6 verwiesen, wobei auf konstruktive Einzelheiten verzichtet wurde.

Die Steuerung im Bereich der Kurbel ist dabei die gleiche, wie sie in Fig. 1 dargestellt wurde.

Wird eine Verschiebung der Lagerpunkte der Kurbelwelle in Hubrichtung beabsichtigt, so geschieht dies beispielsweise entsprechend den Darstellungen in Fig. 5 und Fig. 9.

Fig. 5 zeigt, daß die Lagerpunkte der Kurbelwelle 8 in einer einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Buchse 53 mit unten angeordneter Hülse 54, die ein Innengewinde aufweist, gelagert sind. Diese Bauteileinheit wird in einem Gehäuse 55 geführt, was eine störungsfreie geradlinige Verschiebung der Kurbelwelle 8 zuläßt. In der Hülse 54 ist ein Bolzen 56 geführt, der in diesem oberen Bereich ein bauartgleiches Außengewinde besitzt. Dieser Bolzen 56 weist am unteren Ende ein Zahnrad 57a auf und ist in einem Kugellager 58 drehbar gelagert. Die Steuerwelle 59 mit Zahnrad 57b ist rechtwinklig zum Bolzen 56 angeordnet, wodurch sie ihre Drehbewegung über die Zahnräder 57a und 57b auf den Bolzen 56 überträgt, was wiederum eine Verschiebung der Kurbelwelle 8 auslöst.

In Fig. 9 wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Lagerpunkte der Kurbelwelle 8 zwischen je vier Keilen 48a-c lagern die in einem Gehäuse 49 hin- und hergleiten können. Zu diesem Zweck besitzen die Keile 48a-c je eine Hülse 50a-c, die bis in den Keil 48a-c hineinführen kann und dabei ein Innengewinde aufweist. Die Gewindesteigungen der Hülsen 50 a,b müssen gleich sein und in eine Richtung führen. Durch die beiden Zahnräder 51a, b, die bei ihrer Drehung einen unterschiedlichen Drehrichtungssinn besitzen und durch deren Lagerbolzen 52, die als Gewindebolzen weitergeführt sind und in den Hülsen 50a, b gelagert sind wird erreicht, daß die Keile 48a, b und 48c, d gegeneinander verschoben werden. Die Verstellung der Gegenseite erfolgt nach der gleichen, wie schon oben beschriebenen konstruktiven Ausbildung und hat zwischen den Seiten gleichzeitig und synchron zu erfolgen.

Um eine Verstellung der Ebene des Kolbenbodens beim einfach wirkenden Kolben zu erreichen, ist die konstruktive Ausführung in der Zeichnung gemäß Fig. 7 dargestellt.

Der Pleuel 39 ist ungefähr in seiner Mitte geteilt, wobei die untere Hälfte 39a von einer Hülse 40 umgeben ist. Die Hülse 40 ist drehbar, jedoch unverschieblich auf dem Pleuelteil 39a angeordnet.

Die obere Hälfte 39b besitzt an ihrer Außenfläche ein Gewinde, das von der Hülse 40 ebenfalls umgeben ist. Im Bereich der oberen Pleuelhälfte 39b besitzt die Hülse 40 ein Innengewinde, das dem Gewinde auf der Pleuelhälfte 39b entspricht. Am unteren Ende weißt diese Pleuelhälfte 39b ein Zahnrad 6e auf, welches durch das Einkuppeln des Ringes 26b in Drehbewegung versetzt wird und diese auf die Hülse 40 überträgt, wobei der Teller 32d als Legerebene dient.

Durch die im Inneren angeordneten Sicherungsteile, wie der Ring 41 mit Außengewinde und Axialbohrung, erweiterter unrunder Zapfen 42 und der unrunden Hülse 43 als dessen Gegenstück, wird ein Mitdrehen des Kolbens 44 bei der Drehbewegung der Hülse 40 verhindert. Damit wird eine Längenverstellung des Pleuels 39 gewährleistet. Die angewendete Sicherung besitzt die nahezu gleiche konstruktive Ausbildung wie die bereits für den doppelt wirkenden Kolben gemäß Fig. 1.

Die Steuerung im Bereich der Kurbeln entspricht nahezu ebenfalls der Steuerung des doppelt wirkenden Kolbens gemäß Fig. 1.

Eine weitere Variante der Verstellung des Hubzapfens zeigt Fig. 8.

Hier wird die Verschiebung durch eine drehbare Scheibe 45, die einen spiralförmig um den Mittelpunkt angeordneten Schlitz aufweist, gewähr­ leistet. Der Hubzapfen 47, der durch den Schlitz 46 geführt wird, kann sich bei Drehung der Steuerscheibe 45 verstellen.

Claims (13)

1. Verbrennungsmotor mit veränderbarem Hubraum und Ver­ dichtungsverhältnis sowie doppelt wirkendem Kolben, bei dem die Kolbenstange durch den unteren Zylinderkopf oder der Kolbenbolzen durch einen seitlichen Schlitz in der Zylinderwandung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur stufenlosen Veränderung des Hubraumes oder des Verdichtungsverhältnisses während des Betreibens ein Hubzapfen (4) verschiebbar gelagert ist, indem er in die beiden Kurbeln (5) hineinragt, dabei mit dem Zahnrad (7b) eine feste Verbindung eingeht, in ihm axial gelagert und hindurchgeführt ist, wobei die Enden des Hubzapfens (4) in eine Führungsnut (21) hineinragen und zugleich ein Führungsteil (27) aufweisen, wodurch der Hubzapfen (4) in axialer Richtung der Kurbeln (5) verschiebbar ist, wobei das Zahnrad (7b) eine Aussparung (23) und Schlitze (24) aufweist, in der Mitte seiner Zahnfläche einen zylinderförmigen Führungsring (22a) besitzt, welcher in der Nut (22b) der beiden äußeren Zahnräder (7a, 7c) geführt wird, wobei deren Drehpunkte exzentrisch angeordnet sind, und daß die auf dem Hubzapfen (4) angeordneten Ringe (26a, 26b) die gleiche prinzipielle Aufbauweise wie ein Kugellager besitzen, dabei jedoch eine Einheit bilden, wobei der innere Ring (26a) mit einem Dauermagneten (9a) gekoppelt und auf dem Hubzapfen (4) verschiebbar gelagert und gegenüber dem Zahnrad (7b) nicht verdrehbar angeordnet ist, daß zur Sicherung der Hubzapfenstellung an der zum Zahnrad (7b) weisenden Seite des Ringes (26a) Blattfedern (30) in gleicher Anzahl wie die bestehenden Zahnlücken des Zahnrades (7b) befestigt sind, wobei die Blattfedern (30) an ihren Enden kleine Stifte (30a) zum Eingriff in die Zahnlücken aufweisen, daß die Kurbeln (5) je eine Nut (21) und zwei Führungsflächen (29) zum äußeren Ring (26b) aufweisen, wobei zur Steuerung in jeder der beiden Kurbeln (5) ein Elektromagnet (9b) integriert ist und diese einen eigenen und bedarfsweise unabhängig voneinander betreibbaren Steuerkreis besitzen.

2. Verbrennungsmotor Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (1) zur Veränderung der Kolbenbodenebene in zwei gleichgroße Kolbenhälften (1a und 1b) unterteilt ist, wobei die eine Kolbenhälfte (1b) zwei vertikale, außermittig angeordnete Bohrungen (19) und die andere Kolbenhälfte (1a) zwei zu diesen Bohrungen (19) paßfähige Verbindungsstifte (20) besitzt, beide Kolbenhälften (1a, 1b) eine axiale Bohrung (10a und 10b) mit jeweils zueinander entgegengesetzt verlaufendendem Innengewinde (12a) aufweisen und der Bohrungsabschnitt (10b) durch den unteren Kolbenboden der Kolbenhälfte (1b) hindurchführt und im letzten Drittel der Kolbenhälfte (1b) seinen Querschnitt verjüngt, daß die Kolbenstange (2) nur in dieses letzte Drittel der Kolbenhälfte (1b) hineinragt und in diesem Bereich ihr Querschnitt entsprechend den Bohrungsverhältnissen vergrößert ist, im Anschluß daran einen Zapfen (15) aufweist, der als unrunde Hülse (15a) weiterführend ausgebildet ist, wobei an der Unterseite des oberen Kolbenbodens axial ein unrundes Gegenstück (18) passend zur Hülse (15a) angeordnet ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Zapfen (15) angeordnete Ring (16) an seiner Stirnseite ein Gewinde (12d) aufweist, wobei sowohl der Ring (16) als auch die Hülse (13), an deren unterem Ende ein Zahnrad (6d) fest angeordnet ist, zusätzlich je eine Bohrung für die Aufnahme der Schraube (17) aufweisen, womit der Ring (16) gegen selbständiges Lösen gesichert ist.

4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (13) im Bereich des unteren Kolbenbodens, der noch eine hülsenartige Ausbildung (11) besitzt, ihren Durchmesser vergrößert, der dann im weiteren Verlauf gleichbleibend ist, wobei die Hülse (13) an der Innenfläche über dem Ende der Kolbenstange (2) ein Gewinde (12c) für die Führung des Ringes (16) besitzt und an ihrer Außenseite im Kolbeninneren ein Außenge­ winde (12b) aufweist, welches in der Mitte geteilt ist, wodurch die zwei Teile ein entgegengesetzt verlaufendes Gewinde besitzen.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuz­ kopfkolbenbolzen (35) eine Nut (38a) aufweist, durch welche das im Gabelarm der Kolbenstange (2) angeordnete Gegenstück (38b) verschiebbar, jedoch gegenüber der Kolbenstange (2) nicht drehbar gelagert ist, wobei der Kreuzkopfkolbenbolzen (35) an seinen beiden Enden je ein Zahnrad (6c) und einen Dauermagneten (9c) besitzt, daß in der Wandung des Kreuzkopfgehäuses ein Elektromagnet (9d) mit einer dem Arbeitshub entsprechenden Mindestlänge angeordnet ist, wodurch an den Kontaktflächen des Magnetes zwei Gegenpole ausgebildet werden, daß zwischen dem Gabelarm der Kolbenstange (2) und dem Zahnrad (6c) eine Schraubenfeder (33b) angeordnet ist und unter- und oberhalb des Kreuzkopfkolbenbolzenlagers die Enden der Gabelarme von der Kolbenstange (2) und des Pleuels (3) als Teller (32c und 32b) weitergeführt sind.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuz­ kopfkolbenbolzen (35) einen Anschlag (36) mit Blatt­ feder (37a) besitzt, wobei die Blattfedern (37a) am Ende eine Verdickung (37b) aufweisen.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuel (3) zwei fest mit ihm verbundene Teller (32a, 32b) besitzt, wobei der untere Teller (32a) in zwei Bereichen seines Umfangs eine Verzahnung (34) aufweist und um den Pleuel (3) eine Hülse (14) drehbar gelagert ist, die an ihren beiden Enden je ein mit ihr fest verbundenes Zahnrad (6a, 6b) besitzt.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ring (26b) an der Stirnseite zwei gegenüberliegende Führungsflächen (28) besitzt, die in den Führungsnuten (29) münden und daß dieser Ring (26b) an der zum Zahnrad (7b) zeigenden Seite eine abgewin­ kelte Fläche (31) hat, und daß beide Ringe (26a, 26b) an der zum Pleuel (3) gerichteten Seite eine Verzah­ nung aufweisen.

9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Hubzapfens (4) mit der Verschiebung der beiden Kolbenhälften (1a, 1b) zusammen in Abhängigkeit synchron zueinander oder unabhängig voneinander mit Hilfe der über Dauer- und Elektromagnete (9a, c und 9b, d) betätigten Steuerteile betrieben werden und funktionell zusammenwirken kann, wobei jeder Elektromagnet (9b, d) einen eigenen Schaltkreis und bedarfsweise einen unabhängig voneinander betreibbaren Steuerkreis besitzt.

10. Verbrennungsmotor mit veränderbarem Hubraum und Verdichtungsverhältnis sowie mit einfach wirkendem Kolben und den im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 genannten Merkmalen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur stufenlosen Veränderung des Hubraumes bzw. des Verdichtungsverhältnisses während des Betreibens der Kolben (44) einen in seiner Länge veränderbaren Pleuel (39) aufweist, der in zwei Hälften (39a, 39b) zerlegbar ist, wobei der obere Teil (39b) ein Außengewinde besitzt und beide Pleuelhälften durch eine Hülse (40), die ein Innengewinde sowie ein Zahnrad (6e) aufweist, umschlossen sind und deren Verdrehen die Längenveränderung des Pleuels (39) bewirkt, wobei die Steuerung dieses Vorgangs durch einen in der Kurbel (5) angeordneten und mit einem Dauermagneten (9a) gekoppelten Ring (26b), welcher auf dem Hubzapfen (4) verschiebbar gelagert ist, erfolgt.

11. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur geradlinigen Verschiebung der Kurbelwelle (8) in vertikaler Richtung die Lagerpunkte der Kurbelwelle (8) in einer einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Buchse (53) mit unten angeordneter und ein Innengewinde aufweisender Hülse (54) gelagert sind und diese Bauteileinheit in einem Gehäuse (55) geführt wird, wobei der obere Teil des Bolzens (56) einen Gewindeabschnitt aufweist, mit dem er in Verbindung zur Hülse (54) steht, und am unteren Ende ein Zahnrad (57a) angeordnet ist, welches die von einer Steuervorrichtung ausgelöste Drehbewegung auf den Bolzen (56) überträgt.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur geradlinigen Verschiebung der Kurbelwelle (8) in vertikaler Richtung die Lagerpunkte der Kurbelwelle (8) zwischen vier verschiebbaren Keilen (48a-d) liegen, jedem der Keile (48a-d) eine ein Innengewinde aufweisende Hülse (50a-d) zugeordnet ist, wobei die Innengewinde der auf einer Seite angeordneten Hülsen (50a, b) die gleiche Gewindesteigung aufweisen und die Verschie­ bung der sich gegenüberliegenden Keile (48a, b) gegeneinander durch die Zahnräder (51a, b) erfolgt, da sie einen unterschiedlichen Drehrichtungssinn aufweisen und ihre in den Hülsen (50a, b) lagern­ den Lagerbolzen (52) als Gewindebolzen ausgebildet sind, wobei die Verstellung der Gegenseite synchron in Abhängigkeit erfolgt.

13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubzapfen (45) durch eine drehbare Scheibe (46) mit einem spiralförmig um den Mittelpunkt angeordneten Schlitz (47) verschoben werden kann.