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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen eines veränderbaren
Verdichtungsverhältnisses
für eine
hin- und hergehende Brennkraftmaschine.
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Hintergrund der Technik
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In
den letzten Jahren sind verschiedene Vorrichtungen für veränderbare
Verdichtungsverhältnisse
für hin-
und hergehende Brennkraftmaschinen vorgeschlagen und entwickelt
worden. Eine solche Vorrichtung für veränderbare Verdichtungsverhältnisse
ist in der Japanischen vorläufigen
Patentveröffentlichung
Nr. 9-228858 gezeigt (es wird nachstehend auf die JP9-228858 Bezug
genommen). Die JP9-228858 lehrt den Gebrauch eines oszillierenden oder
kippbaren Hebels (einer so genannten Brücke), vorgesehen zwischen einem
Steuerarm (einem so genannten Kipphebelarm) und einer Pleuelstange, für den Zweck
des Veränderns
der Position des oberen Totpunktes eines Kolbens durch eine oszillierende
Bewegung der so genannten Brücke,
um dadurch das Verdichtungsverhältnis
zu verändern.
In der hin- und hergehenden Maschine mit solch einer Vorrichtung
für ein
veränderbares
Verdichtungsverhältnis beträgt der Kolbenhub
zweimal oder mehr den Radius einer Kurbel in Übereinstimmung mit den Prinzipien
von Hebel- und -Drehpunkt oder der Hebelwirkung. Im Vergleich mit
einem Radius einer Kurbel der typischen hin- und hergehenden Brennkraftmaschine mit
einer Kolben-Kurbel-Vorrichtung und von derselben Motorenverlagerung
kann der Kurbelradius des hin- und
hergehenden Motors mit der Vorrichtung für ein veränderbares Verdichtungsverhältnis reduziert oder
verkürzt
werden. Dies ermöglicht
eine erhöhte Überlappung
zwischen einem Kurbelbolzen und einem Kurbelwellen-Hauptlagerzapfen,
um somit die Steifigkeit der Kurbel zu verbessern. Demzufolge besitzt
der hin- und hergehende Motor mit der Vorrichtung für ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis den
Vorteil des Erhöhens
der mechanischen Festigkeit der Kurbel und des Dämpfens des Geräusches und
der Schwingung während
des Betriebs des Motors.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Jedoch
in dem hin- und hergehenden Motor, der in der JP9-228858 gezeigt
ist, ist der Kurbelbolzen auf einer senkrechten Linie an einem im
Wesentlichen Mittelpunkt der Brücke
angeordnet und zusätzlich
sind das untere Ende der Pleuelstange und das untere Ende des Kipphebelarms
jeweils drehbar mit beiden Enden der Brücke mittels einer Stiftverbindung
verbunden. Es wird eine Eingangskraft Fp, die auf den Kurbelbolzen
wirkt, eine Eingangskraft Fp1, die auf einen ersten Pleuelbolzen
wirkt, über
den die Pleuelstange und die Brücke
miteinander verbunden sind, und eine Eingangskraft Fp2, die auf
einen zweiten Pleuelbolzen wirkt, über den die Brücke und
der Kipphebelarm miteinander verbunden sind, in Betracht gezogen.
In der Annahme, dass die Momente der Kräfte Fp1 und Fp2 um den Kurbelbolzen
ausgeglichen sind und der Kurbelbolzen unmittelbar an dem zentralen
Abschnitt der Brücke
angeordnet ist, ist die Größe der Kraft
Fp1 zu der Größe der Kraft Fp2
gleich (Fp1 = Fp2), weil der Abstand zwischen dem ersten Pleuelbolzen
und der Mitte der Brücke
zu dem Abstand zwischen dem zweiten Pleuelbolzen und der Mitte der
Brücke
identisch ist. Wenn dies vom Gleichgewicht der Kräfte gesehen
wird, ist die Summe (Fp1 + Fp2) der zwei Kräfte Fp1 und Fp2, die auf die
jeweiligen Pleuelbolzen wirkt, zu der Kraft Fp, die auf den Kurbelbolzen
wirkt, äquivalent,
d. h., Fp = Fp1 + Fp2 = 2Fp1. Mit anderen Worten, die zweimalige
Eingangsbelastung, angewandt auf den Kolben, wird in den Kurbelbolzen-Zapfenabschnitt
und/oder auf die Lagereinsätze,
eingesetzt in die Mittelbohrung der Brücke, eingegeben. Zum Schaffen
desselben Widerstandes und derselben Haltbarkeit gegen denselben
Lagerdruck muss die Lageroberflächenfläche vergrößert werden
oder der Widerstand gegen den Lagerdruck muss erhöht werden.
Es ergibt einige Nachteile, d. h., einen verminderten Verschleißwiderstand,
erhöhte
Fertigungskosten, Reibungsverluste und dergleichen.
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Demzufolge
ist es ein Ziel der Erfindung eine Vorrichtung für ein veränderbares Verdichtungsverhältnis für eine hin-
und hergehende Brennkraftmaschine zu schaffen, die die vorerwähnten Nachteile vermeidet.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung eine Vorrichtung für ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis
für eine
hin- und hergehende Brennkraftmaschine zu schaffen, die in der Lage
ist, zwei sich gegenüberstehende
Erfordernisse auszugleichen, d. h., einen erhöhten Kolbenhub und eine reduzierte
Belastung, die auf den Kurbelbolzen aufgebracht wird.
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Zum
Erreichen der vorerwähnten
und weiterer Ziele der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung
für ein
veränderbares
Verdichtungsverhältnis
für eine
hin- und hergehende Brennkraftmaschine eine Pleuelstange auf, die
eine Kurbel auf einer Kurbelwelle mit einem Kolben verbindet, wobei
die Pleuelstange geteilt ist in einen oberen Pleuelstangenabschnitt,
oszillierend mit dem Kolben durch einen Kolbenbolzen verbunden,
und in einen unteren Pleuelstangenabschnitt, drehbar mit dem Kurbelbolzen
der Kurbelwelle verbunden, wobei der obere und der untere Pleuelstangenabschnitt
oszillierend miteinander verbunden sind durch einen ersten Pleuelbolzen,
einen Kipphebelarm, oszillierend verbunden an einem Ende mit dem
unteren Pleuelstangenabschnitt durch einen zweiten Pleuelbolzen,
eine Steuerungsvorrichtung, die eine Mitte der Oszillationsbewegung
des Kipphebelarms verschiebt, um das Verdichtungsverhältnis des
Motors zu verändern,
den Kipphebelarm, der oszillierend an seinem anderen Ende über die Steuerungsvorrichtung
mit einem Zylinderblock verbunden ist, wobei ein Kolbenhub des Kolbens
festgelegt wird, um größer zu sein
als zweimal ein Kurbelradius der Kurbel auf der Kurbelwelle, unabhängig davon,
ob das Verdichtungsverhältnis
durch die Steuerungsvorrichtung verändert wird, und eine Übertragungseinrichtung,
die zumindest obere und untere Pleuelstangenabschnitte hat, wobei
die ersten und die zweiten Pleuelbolzen und der Kipphebelarm dimensioniert
und ausgelegt sind, so dass eine Kurbelbolzenbelastung, die auf
den Kurbelbolzen wirkt, geringer ist als die Kurbelbolzenbelastung,
erzeugt durch eine Übertragungseinrichtung,
dass der Kurbelbolzen auf einer senkrechten Linie bei im Wesentlichen
einem Mittelpunkt eines Liniensegmentes dazwischen angeordnet ist
und eine Mitte des ersten Pleuelbolzens und eine Mitte des zweiten
Pleuelbolzens enthält.
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Entsprechend
eines weiteren Aspektes der Erfindung weist eine Vorrichtung für ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis
für eine
hin- und hergehende Brennkraftmaschine eine Pleuelstange auf, die
eine Kurbel auf der Kurbelwelle mit einem Kolben verbindet, wobei
die Pleuelstange geteilt ist in einen oberen Pleuelstangenabschnitt,
oszillierend verbunden mit dem Kolben durch einen Kolbenbolzen,
und einen unteren Pleuelstangenabschnitt, drehbar mit einem Kurbelbolzen
der Kurbelwelle verbunden, wobei die oberen und unteren Pleuelstangenabschnitte oszillierend
miteinander verbunden sind durch einen ersten Pleuelbolzen, einen
kippbaren Arm, verbunden mit einem Ende an dem unteren Pleuelstangenabschnitt
durch einen zweiten Pleuelbolzen, eine Verdichtungsverhältnis-Steuerungseinrichtung
zum Verschieben einer Mitte der oszillierenden Bewegung des kippbaren
Armes, um ein Verdichtungsverhältnis des
Motors zu verändern,
wobei der kippbare Arm an seinem anderen Ende über die Verdichtungsverhältnis-Steuerungseinrichtung
mit einem Zylinderblock oszillierend verbunden ist, wobei ein Kolbenhub
des Kolbens festgelegt ist, größer als
zweimal ein Kurbelradius der Kurbel auf der Kurbelwelle zu sein,
unabhängig
davon, ob das Verdichtungsverhältnis
durch die Verdichtungsverhältnis-Steuerungseinrichtung verändert wird,
und eine Übertragungseinrichtung zumindest
die oberen und die unteren Pleuelstangenabschnitte hat, wobei die
ersten und zweiten Pleuelbolzen und der kippbare Arm dimensioniert und
ausgelegt ist, so dass eine Armlänge
für einen Moment
einer Kraft, die auf den ersten Pleuelbolzen um den Kurbelbolzen
wirkt, im Verhältnis
zu einer Armlänge
für einen
Moment einer Kraft, die auf den zweiten Pleuelbolzen um den Kurbelbolzen
wirkt, verkürzt
wird.
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Die
weiteren Ziele und Merkmale dieser Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verstanden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Zusammenbauansicht, die ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
für ein
veränderbares
Verdichtungsverhältnis
für einen
hin- und hergehenden Motor zeigt.
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2 ist
eine schematische Darstellung, die einen Verdichtungsverhältnis-Steuerungsbetätiger darstellt,
der mit der Vorrichtung für
ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis
des Ausführungsbeispieles
verbunden ist.
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3 ist
eine schematische Darstellung, die einen weiteren Typ eines Verdichtungsverhältnis-Steuerungsbetätigers darstellt,
der mit der Vorrichtung für
ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis
des Ausführungsbeispieles
verbunden ist.
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Die 4A, 4B und 4C zeigen
beispielhafte Darstellungen des erhöhten Kolbenhubes, jeweils am
oberen Totpunkt, an einer Zwischenposition zwischen dem oberen und
dem unteren Totpunkt und an dem unteren Totpunkt unter einer besonderen Bedingung,
in der das Verdichtungsverhältnis
feststehend ist.
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5 ist
eine schematische Darstellung, die analytische Konstruktionen für auferlegte
Kräfte
(F, F1, F2, F3) in der Nähe
des oberen Totpunktes (TDC) darstellt.
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6 ist
eine schematische Darstellung, die analytische Konstruktionen für auferlegte
Kräfte
(F', F4, F5, F6)
in der Nähe
des unteren Totpunktes (BDC) darstellt.
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7 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung, die die Abmessungen
und die Geometrie einer unteren Pleuelstange (A-Typ) darstellt.
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8 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung, die die Abmessungen
und die Geometrie einer unteren Pleuelstange (B-Typ) darstellt.
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9 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung, die ein Beispiel der
Vorrichtung für
ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis
zeigt, das den Typ B der unteren Pleuelstange verwendet.
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10 ist
eine beispielhafte Darstellung, die den Vergleich zwischen zwei
verschiedenen Anordnungen des Kolbens und des kippbaren Arms in
der Nähe
des oberen Totpunktes darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nunmehr
in Bezug auf die Zeichnungen, insbesondere auf die 1,
hat die Vorrichtung für
ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis
des Ausführungsbeispieles
einer hin- und hergehenden Brennkraftmaschine eine obere Pleuelstange 4 und
eine untere Pleuelstange 7. Ein Kolben 3, eingesetzt
in einen Zylinder oder einer Zylinderbuchse 1, ist mit
dem oberen Endabschnitt 4a der oberen Pleuelstange 4 über einen
Kolbenbolzen 5 verbunden, um einen angemessenen Freiheitsgrad
für die
Bewegung zwischen dem Kolben und dem Stift zu gestatten. Das untere
Ende 4b der oberen Pleuelstange 4 ist oszillierend
oder kippbar mit der unteren Pleuelstange 7 über einen
Pleuelbolzen 6 verbunden. Die untere Pleuelstange 7 ist
mit einem Kurbelbolzen 10b einer Kurbelwelle 10 drehbar
verbunden. Die untere Pleuelstange 7 ist auch mit einem
ringförmigen
Ende 8a eines kippbaren Armes 8 über einen
Pleuelbolzen 9 drehbar verbunden. Das andere ringförmige Ende 8b des
kippbaren Armes 8 ist oszillierend oder kippbar mit einem
Exzenterbolzen 11 verbunden. Der Exzenterbolzen 11 ist
mit einem Ende der Steuerwelle 12 fest verbunden, so dass
die Mitte des exzentrischen Bolzens 11 in Bezug auf die
Mitte (eine Drehachse) der Steuerwelle 12 exzentrisch ist.
Der Zwischenabschnitt der Steuerwelle 12 ist mittels eines Lagergehäuses 13 drehbar
gelagert. Das Lagergehäuse 13 ist
an einem Motorzylinderblock 2 mittels Montageschrauben 14 befestigt.
Wie in der 2 gezeigt, ist ein Scheibenrad 15 ist
mit dem anderen Ende der Steuerwelle 12 derart fest verbunden,
dass die Drehachse des Scheibenrades 15 mit der Achse der
Steuerwelle 12 koaxial ist. Das Scheibenrad 15 ist
mit einem Schneckenrad 16, das mit einer Ausgangswelle
eines Elektromotors 17 fest verbunden ist, im Kämmeingriff.
D. h., Der Motor 17, das Schneckenrad 16, das
Scheibenrad 15, das Lagergehäuse 13, die Steuerwelle 12 und
der Exzenterbolzen 11 bilden einen Betätiger, der eine Drehbewegung
der Steuerwelle 12 schafft (d. h., eine Winkelverlagerung des
exzentrischen Bolzens 11 um die Drehachse der Steuerwelle 12).
D. h., der Betätiger
dient als eine Steuerungsvorrichtung, die die Mitte der Oszillationsbewegung
des Kipphebelarms 8 verlagert, um ein Verdichtungsverhältnis veränderbar
zu steuern. Wie in der 1 gesehen werden kann, besteht
die untere Pleuelstange 7 aus einem halb-geteilten Aufbau, nämlich zwei
Hälften,
die miteinander durch Schrauben 7b verbunden sind, so dass
die Hälften
den Kurbelbolzen-Lagerabschnitt umfassen. Eine Hälfte der unteren Pleuelstange 7 hat
zwei Kreisbohrungen für das
Lagern der vorher erwähnten
Pleuelbolzen 6 und 9. Die andere Hälfte 7a der
unteren Pleuelstange 7 ist kappenförmig und als ein im Wesentlichen
halbkreisförmigen
Kurbelbolzen-Lagerabschnitt gebildet. In der 1 ist ein
Abschnitt, der durch das Bezugszeichen 10a bezeichnet ist,
ein Kurbelwellen-Hauptlagerzapfen (vereinfacht, ein Hauptlager).
An Stelle des Betätigers,
der den Exzenterbolzen 11 und die Steuerwelle 12 verwendet,
wie in der 2 gezeigt ist, kann, wie in
der 3 gezeigt, ein weiterer Typ des Betätigers verwendet
werden. Zum Verlagern oder zum Bewegen der Mitte der Oszillationsbewegung
des anderen Endes 20 des Kipphebelarms 8 verwendet
der Verdichtungsverhältnis-Steuerungsbetätiger der 3 eine
kurbelförmige
Welle 18 und einen kurbelförmigen Steuerungsbolzen 19,
dessen Achse zu der Drehachse der kurbelförmigen Welle 18 exzentrisch
ist. In diesem Fall kann der Durchmesser des kurbelförmigen Steuerungsbolzens 19 ausgelegt werden,
um etwas kleiner als oder gleich zu dem der kurbelförmigen Welle 18 zu
sein, und als ein Ergebnis kann ein ringförmiges Ende 20 des
kippbaren Armes verkleinert werden, während eine angemessene mechanische
Festigkeit und Haltbarkeit vorgesehen werden. In einer ähnlichen
Weise wie die untere Pleuelstange 7, besteht das ringförmige Ende 20 aus einem
zweigeteilten Aufbau, nämlich
im Wesentlichen halbkreisförmig
aus zwei Hälften,
die miteinander durch Schrauben verbunden sind, die den Lagerabschnitt
des kurbelförmigen
Steuerungsbolzen 19 drehbar umfassen.
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Zum
Verändern
des Verdichtungsverhältnisses
wird der erste Motor 17 angetrieben, um eine Drehbewegung
der Steuerwelle 12 zu veranlassen und um die Winkelposition
der Steuerwelle 12 auf eine gewünschte Position auf der Grundlage
der Motorbetriebsbedingungen, z. B. der Motordrehzahl und der Motorlast,
zu verändern.
Die Veränderung
in der Winkelposition der Steuerwelle 12 verursacht eine Veränderung
in der Mitte der Oszillationsbewegung des Kipphebelarms 8,
der exzentrisch zu der Mitte (der Drehachse) der Steuerwelle 12 angeordnet
ist. Dies führt
zu einer Veränderung
in der Position des oberen Totpunktes (TDC) des Kolbens, um somit
das Verdichtungsverhältnis
zu verändern.
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Die
notwendigen Bedingungen, die für
einen erhöhten
Kolbenhub erforderlich sind, sind nachstehend ausführlich in
Bezug auf die 4A, 4B und 4C beschrieben. 4A zeigt
einen Zustand der Vorrichtung des Ausführungsbeispieles bei 0° Kurbelwinkel
(CA), der dem oberen Totpunkt (TDC) entspricht. 4C zeigt
einen Zustand der Vorrichtung bei 180° CA, der dem unteren Totpunkt (BDC)
entspricht. 4B zeigt einen Zustand der Vorrichtung
des Ausführungsbeispieles,
die sich in einer Zwischenposition zwischen dem TDC und dem BDC
befindet. Es wird angenommen, dass eine ausgerichtete Linie parallel
zu der Richtung des Kolbenhubes als die y-Linie verwendet wird,
eine ausgerichtete Linie rechtwinklig zu sowohl der Richtung des Kolbenhubs,
als auch zu der Drehachse der Kurbelwelle 10, als eine
x-Achse verwendet wird und der Abstand von der Mitte des Pleuelbolzens 6 zu
der Ebene, die die Drehachse der Kurbelwelle 10 enthält und die
sich in der Richtung des y-Achse erstreckt, durch D1 bezeichnet
wird, und der Abstand von der Mitte des Kurbelbolzens 10b zu
der Ebene, die die Drehachse der Kurbelwelle 10 enthält, und
die sich in der Richtung der y-Achse erstreckt, durch D2 bezeichnet
wird (siehe 4B). Bei dem Kolben, der an dem
TDC gehalten wird (siehe 4A), wird
der Winkel zwischen der x-Achse und der geraden Linie, die hindurchgeht,
oder das Liniensegment (Verbindung) 21 dazwischen, und
das die Mitte des Kurbelbolzens 10b und die Mitte des Pleuelbolzens 9 enthält (oder
der Neigungswinkel der Verbindung 21 in Bezug auf die Richtung
der x-Achse) durch α1
bezeichnet. Bei dem Kolben, der an dem BDC gehalten wird (siehe 4C),
wird der Winkel zwischen der x-Achse
und der geraden Linie, die hindurchgeht, oder das Liniensegment 21 dazwischen,
und das die Mitte des Kurbelbolzens 10b und die Mitte des
Pleuelbolzens 9 enthält
(oder der Neigungswinkel der Verbindung 21 in Bezug auf
die Richtung der x-Achse) durch α2
bezeichnet. In den 4A bis 4C bezeichnet
S einen Betrag von dem Kolbenhub, S1 bezeichnet einen Wegabstand
des Verbindungsstiftes 6 in der Richtung der y-Achse und
S2 bezeichnet eine Abmessung, die zweimal einem Kurbelradius, der
in einem Kreis rund um die Kurbelwelle schwingt, des Kurbelbolzens 10b entspricht.
Es wird, wie oben diskutiert, angenommen, (i) wenn der Abstand D1 von
der Mitte des Verbindungsstiftes 6 zu der Ebene, die die
Drehachse der Kurbelwelle 10 enthält und die sich in der Richtung
der y-Achse erstreckt, größer als oder
gleich zu dem Abstand D2 von der Mitte des Kurbelbolzens 10b zu
der Ebene ist, die die Drehachse der Kurbelwelle 10 enthält und die
sich in der Richtung der y-Achse erstreckt, während des Kolbenhubs von der
oberen Grenze der Kolbenbewegung (d. h., von dem TDC) zu der unteren
Grenze der Kolbenbewegung (d. h., zu dem BDC), und zusätzlich (ii),
wenn der Winkel α1
zwischen der x-Achse
und dem Liniensegment 21 an dem TDC geringer als oder gleich
zu dem Winkel α2
zwischen der x-Achse und dem Liniensegment 21 an dem BDC
ist, der Wegabstand S1 des Pleuelbolzens 6 größer wird,
als die Abmessung S2 (zweimal der Kurbelwinkelradius). Das bedeutet, wenn
die erste notwendige Bedingung, festgelegt durch D1 ≥ D2 zwischen
dem TDC und dem BDC, und die zweite notwendige Bedingung, festgelegt durch α1 ≤ α2 in Übereinstimmung
mit den Hebel- und -Drehpunkt oder der Hebelwirkung gleichzeitig erfüllt sind,
wird eine erwünschte
Bedingung, festgelegt durch eine Ungleichung S1 > S2 erfüllt. Wie aus der 4A klar
erkannt werden kann, entspricht der Kolbenhub S im Wesentlichen
dem Wegabstand S1 des Pleuelbolzens 6 in der Richtung der
y-Achse (d. h. S = S1). Somit kann einer Ungleichung S > S2 genügt werden.
Wie oben ausgeführt,
unter der ersten und zweiten notwendigen Bedingung (i) und (ii)
ist es möglich,
den vergrößerten Kolbenhub
zu erhalten. Demzufolge wird, wenn mit dem Kurbelradius einer typischen
hin- und hergehenden Brennkraftmaschine verglichen wird, die eine
Kolben-Kurbel-Vorrichtung hat und die dieselbe Verlagerung des Motors
hat, der Kurbelradius der Vorrichtung des Ausführungsbeispieles effektiv reduziert
oder verkürzt werden.
Dies ermöglicht
eine erhöhte Überlappung
zwischen dem Kurbelbolzen 10b und dem Kurbelwellen-Hauptlager 10a und
verbessert somit die Steifigkeit und die mechanische Festigkeit
der Kurbel und ermöglicht
eine Gewichtsersparnis der Kurbel. Die Vorrichtung des Ausführungsbeispieles
ist im Hinblick auf ein reduziertes Geräusch und reduzierte Schwingungen überlegen.
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Unter
der Hauptvoraussetzung, dass der Kolbenhub, wie zuvor in Bezug auf
die 4A–4C beschrieben,
erhöht
ist, werden nachstehend die Vektoranalysen oder Vektorkonstruktionen,
die auf den Kurbelbolzen 10b wirken, in Bezug auf die 5 beschrieben. 5 zeigt
einen Zustand der Vorrichtung des Ausführungsbeispieles nahe des oberen
Totpunktes (TDC). Wie es allgemein bekannt ist, wird die Belastung
oder die Kraft, die durch den Verdichtungsdruck erzeugt wird, über die
Kolbenkrone durch den Kolbenbolzen und die obere Pleuelstange auf
den Pleuelbolzen 6 an dem TDC während des Ausdehnungshubes
angewandt (siehe 4A). Andererseits wirkt an dem
TDC während
des Ausdehnungshubes eine Trägheitskraft
der hin- und hergehenden Teile des Motors auf den Pleuelbolzen 6 über den
Kolbenbolzen und auf eine obere Pleuelstange. Zu dem Zeitpunkt des
Beauflagens des Verbrennungsdruckes (Verbrennungsbelastung) oder
der Trägheitskraft
bezeichnet, wie in der 5 gezeigt, F die Verbrennungsbelastung
oder die Trägheitskraft,
die durch den Kolbenkopf auf den Kolbenbolzen auferlegt wird, bezeichnet
F1 eine Kraft, die durch die obere Pleuelstange 4 übertragen
wird und die auf den Pleuelbolzen 6 wirkt, bezeichnet F2
eine Kraft, die auf den Pleuelbolzen 9 wirkt, bezeichnet
F3 eine Kraft, die auf den Kurbelbolzen 10b wirkt, bezeichnet
R1 eine Armlänge,
oft als der „Arm" für einen
Moment der Kraft F1 um den Kurbelbolzen 10b benannt, und
bezeichnet R2 eine Armlänge
für einen Moment
der Kraft F2 um den Kurbelbolzen 10b. Die auferlegte Kraft
F3 des Kurbelbolzens 10b wird nachstehend als eine „Kurbelbolzenbelastung" bezeichnet. Wenn
es von dem Gleichgewicht der Kräfte
oder dem Gleichgewicht der Momente gesehen wird, wird es angenommen,
dass die Momente der externen Kräfte
(F1, F2) um den Kurbelbolzen 10b zueinander ausgeglichen
sind, wobei der folgenden Gleichung genügt wird. F1 × R1 = F2 × R2; F2 = F1 × R1/R2 ...(1)
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Andererseits
wird die Kurbelbolzenbelastung F3 durch die folgende Gleichung repräsentiert. Selbstverständlich sind
die Kräfte
F1, F2. F3 Vektorgrößen. F3 = F1 + F2
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In
der oben genannten Gleichung ist die Kraft F1 abhängig von
der Verbrennungsbelastung oder der Trägheitskraft vom Kolben 3.
Demzufolge ist es schwierig, die Kraft F1 für den Zweck des Reduzierens
der Kurbelbolzenbelastung F3 zu reduzieren. Für eine reduzierte Kurbelbolzenbelastung
F3 ist es wünschenswert,
die Kraft F2 zu re duzieren. Um dies zu erreichen wird, wie aus der
Gleichung (1) erkannt werden kann, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das
Verhältnis
R1/R2 von dem Arm R1 zu dem Arm R2 festgelegt, um kleiner als 1
zu sein, d. h., R1/R2 < 1.
Z. B., wenn R1/R2 = 0,2 ist, wird der folgenden Gleichung genügt. F3 = F1 + F2 = F1 + 0,2 × F1 = 1,2 × F1
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Wie
bereits oben erläutert,
ist es, wenn der Bedingung, gebildet durch R1/R2 < 1 genügt wird, möglich, effektiv
eine übermäßige Kurbelbolzenbelastung
bei oder nahe dem TDG zu unterdrücken, während ein
erhöhter
Kolbenhub gesichert wird.
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6 zeigt
einen Zeitpunkt, bei dem eine Trägheitskraft
F' auf die Kolbenkrone
nahe des BDC angewandt wird. Zu dieser Zeit bezeichnet F4 eine Kraft,
die auf den Pleuelbolzen 6 wirkt, F5 bezeichnet eine Kraft,
die auf den Pleuelbolzen 9 wirkt, F6 bezeichnet eine Kraft,
die auf den Kurbelbolzen 10b wirkt, R3 bezeichnet eine
Armlänge
für ein
Moment der Kraft F4 um den Kurbelbolzen 10b, und R4 bezeichnet
eine Armlänge
für ein
Moment der Kraft F5 um den Kurbelbolzen 10b. Wenn vom Gleichgewicht der
Kräfte
gesehen wird, wird angenommen, dass die Momente der externen Kräfte (F4,
F5) um den Kurbelbolzen 10b ausgeglichen sind, wobei der
folgenden Gleichung genügt
wird. F4 × R3 = F5 × R4; F5
= F4 × R3/R4 ...(2)
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Andererseits
wird die Kurbelbolzenbelastung F6 durch die folgende Gleichung repräsentiert.
Die Kräfte
F4, F5, F6 sind Vektorgrößen. F6 = F4 + F5
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In
der oben genannten Gleichung ist die Kraft F4 von der Trägheitskraft
des Kolbens 3 abhängig. Demzufolge
ist es schwierig, die Kraft F4 für
den Zweck des Reduzierens der Kurbelbolzenbelastung F6 zu reduzieren.
Für eine
reduzierte Kurbelbolzenbelastung F6 ist es wünschenswert, die Kraft F5 zu reduzieren.
Um dies zu erreichen wird, wie aus der Gleichung (2) erkannt werden
kann, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
das Verhältnis
R3/R4 von dem Arm R3 zu dem Arm R4 festgelegt, um geringer als 1
zu sein, d. h., R3/R4 < 1.
Z. B. wenn R3/R4 = 0,2 ist, wird der folgenden Beziehung genügt. F6 = F4 + F5 = F4 + 0,2 × F4 = 1,2 × F4
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Wie
bereits oben ausgeführt,
wenn der Bedingung, definiert durch R3/R4 < 1 genügt wird, ist es möglich, effektiv
eine übermäßige Kurbelbolzenbelastung
bei oder nahe dem BDC zu unterdrücken, während ein
erhöhter
Kolbenhub gesichert wird.
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Wie
aus dem oben erläuterten
deutlich werden wird, sind in der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels
die Installationspositions-Beziehung zwischen dem Pleuelbolzen 6 und
dem Kurbelbolzen 10b und dem Winkel (α1 bei dem TDC, α2 bei dem
BDC) der Verbindung 21 (dem Liniensegment dazwischen und das
die Mitte des Kurbelbolzens 10b und die Mitte des Pleuelbolzens 9 enthält) richtig
spezifiziert, und zusätzlich
sind die Armlängen
(R1, R2 an dem TDC; R3, R4 an dem BDC) der Kraftmomente um den Kurbelbolzen
richtig spezifiziert. Somit ist es entsprechend der Vorrichtung
für veränderbare
Verdichtungsverhältnisse
für eine
hin- und hergehende Brennkraftmaschine des Ausführungsbeispielen möglich, sowohl
den erhöhten
Kolbenhub, als auch die reduzierte Kurbelbolzenbelastung in Einklang
zu bringen.
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Die
konkrete Form und Geometrie der unteren Pleuelstange 7 der
Vorrichtung für
veränderbare Verdichtungsverhältnisse
des Ausführungsbeispieles,
die in der Lage ist die vorher diskutierten Wirkungen zu erzielen,
werden nachstehend ausführlich
in Bezug auf die 7 und 8 beschrieben.
In den 7 und 8 bezeichnet L1 einen Abstand
zwischen der Mitte des Kurbelbolzens 10b und der Mitte des
Pleuelbolzens 6, L2 bezeichnet einen Abstand zwischen der
Mitte des Pleuelbolzens 6 und der Mitte des Pleuelbolzens 9,
und L3 bezeichnet einen Abstand zwischen der Mitte des Kurbelbolzens 10b und der
Mitte des Pleuelbolzens 9. Die untere Pleuelstange 7 ist
als ein Dreieck, das aus drei Seiten L1, L2 und L3 besteht, konstruiert
oder gebildet. In der Vorrichtung für veränderbare Verdichtungsverhältnisse des
Ausführungsbeispieles
wird die Beziehung der Abmessungen zwischen den Seiten L1, L2 und
L3 festgelegt oder bestimmt, um einer vorbestimmten Ungleichung
L1 < L3 ≤ L2 zu genügen. Wenn
die vorbestimmte notwendige Bedingung, gebildet durch die Ungleichung
L1 < L3 ≤ L2, in Betracht
gezogen wird, gibt es zwei Typen, nämlich einen A-Typ der unteren Pleuelstange,
gezeigt in der 7, und einen B-Typ der unteren
Pleuelstange, gezeigt in der 8. In dem
A-Typ der unteren
Pleuelstange der 7 ist die Mitte des Pleuelbolzens 6 oberhalb
der geraden Linie (der x-Achse) angeordnet, die durch sowohl die
Mitte des Kurbelbolzens 10b, als auch durch die Mitte des Pleuelbolzens 9 hindurchgeht,
und die Seite L1 ist um einen Winkel +β (in einem positiven Vorzeichen, das
die Richtung des Uhrzeigersinns in den 7 und 8 anzeigt)
in Bezug auf die gerade Linie (auf die x-Achse) durch die Mitte
des Kurbelbolzens 10b und die Mitte des Pleuelbolzens 9 geneigt.
Mit anderen Worte, der Pleuelbolzen 6 ist innerhalb eines Raumes
ausgelegt, der sich zwischen dem Kolben und der geraden Linie, die
durch sowohl die Mitte des Kurbelbolzens 10b, als auch
durch die Mitte des Pleuelbolzens 9 hindurchgeht, erstreckt.
In dem B-Typ der unteren Pleuelstange der 8 ist die
Mitte des Pleuelbolzens 6 unterhalb der geraden Linie (der
x-Achse) durch die Mitte des Kurbelbolzens 10b und die
Mitte des Pleuelbolzens 9 angeordnet, und die Seite L1
ist um einen Winkel –β (ein negatives Vorzeichen
zeigt die Richtung entgegen des Uhrzeigersinns in den 7 und 8 an)
in Bezug auf die gerade Linie (auf die x-Achse) durch die Mitte
des Kurbelbolzens 10b und die Mitte des Pleuelbolzens 9 geneigt.
Mit anderen Worten, der Pleuelbolzen 6 ist innerhalb eines Raumes
unterhalb der geraden Linie angeordnet, die durch sowohl die Mitte
des Kurbelbolzens 10b, als auch durch die Mitte des Pleuelbolzens 9 hindurchgeht
und somit ist der Pleuelbolzen 6 in der unteren Seite gegenüberliegend
zu dem Kolben in Bezug auf die gerade Linie durch sowohl die Mitte
des Kurbelbolzens 10b, als auch die Mitte des Pleuelbolzens 9 angeordnet.
Wie eindeutig in den 7 und 8 gezeigt
wird, ist es durch in Betracht ziehen der notwendigen Bedingung,
gebildet durch die Ungleichung L1 < L3 ≤ L2 zumindest
unter einer Teilbedingung, in der die Drehrichtung der Kurbel entgegen
des Uhrzeigersinns ist, und dass zusätzlich der Verbindungsstift 9 auf
der rechten Seite von sowohl dem Pleuelbolzen 6, als auch
dem Kurbelbolzen 10b ausgelegt ist, wünschenswert, dass der Pleuelbolzen 6 auf
der linken Seite des Kurbelbolzens 10b angeordnet ist,
um dadurch den erhöhten
Kolbenhub zu sichern. Es wird angenommen, dass der Abstand von der
Mitte des Pleuelbolzens 6 zu der Ebene, die die Mitte des
Kurbelbolzens 10b enthält
und die sich in der Richtung der y-Achse erstreckt, durch L1' bezeichnet wird,
die Armlänge
R1 der 5 und die Armlänge
R3 der 6 im Verhältnis
zu dem Abstand L1',
gezeigt in den 7 und 8, ist,
während
die Armlänge
R2 der 5 und die Armlänge der 6 im
Verhältnis
zu der Länge
der Seite L3 der 7 und 8 sind.
Aus den zuvor diskutierten Bedingungen, die für eine reduzierte Kurbelbolzenbelastung
(F3; F6) notwendig sind, d. h., R1/R2 < 1 und R3/R4 < 1, und den zuvor erwähnten proportionalen Verhältnis, d.
h., R1OC L1', R2OC L3 und
R3OC L1', R4OC L3 kann die folgende Bedingung für die reduzierte
Kurbelbolzenbelastung abgeleitet werden. R1OC L1',
R2OC L3, R1/R2 < 1; L1'/L3 < 1
(d. h., L1' < L3) R3OC L1', R4OC L3,
R3/R4 < 1; L1'/L3 < 1 (d. h., L1' < L3)
-
D.
h., in dem Fall von L1' < L3 kann die Kurbelbolzenbelastung
effektiv reduziert werden.
-
9 zeigt
das vereinfachte Diagramm der Vorrichtung für ein veränderbares Verdichtungsverhältnis, das
den Typ B verwendet (siehe 8) der unteren
Pleuelstange 7. In dem Typ B der unteren Pleuelstange 7 ist,
falls die Armlänge
R für das
Moment der Kraft, die auf den Pleuelbolzen 6 um den Kurbelbolzen 10b wirkt,
reduziert, um die Kurbelbolzenbelastung zu reduzieren, wobei es
eine erhöhte Tendenz
des Störens
zwischen dem Kurbelbolzen 10b und der oberen Pleuelstange 4 an
einem Abschnitt gibt, der durch einen Kreis A in der 9 angezeigt
ist. Beim Reduzieren der Kurbelbolzenbelastung durch Reduzieren
der Armlänge
R für den
Moment der Kraft, die auf den Pleuelbolzen 6 um den Kurbelbolzen 10b wirkt,
ist der Typ B (8) dem Typ A (7)
in der verstärkten
Anordnungsflexibilität
(in dem Freiheitsgrad der Anordnung) und verkürzten oberen Pleuelstange untergeordnet.
Wie in der 9 gesehen werden kann, ist der Pleuelbolzen 6 an
der Unterseite des Kolbens 3 angeordnet. Zusätzlich ist
es schwierig, die Position des BDC weiter niedriger zu machen, wegen
der Störung
zwischen dem Kolben und dem Kurbelwellen-Gegengewicht. im vergleich
mit dem Typ A erfordert die Vorrichtung für ein veränderbares Verdichtungsverhältnis, die den
Typ B verwendet, die obere Pleuelstange einer relativ langen Länge L1.
Es ergibt sich ein weiteres Problem, z. B. die erhöhte Trägheitskraft,
die reduzierte Ausknickfestigkeit und dergleichen. Aus den Gründen, wie
oben fortgesetzt, wird es bevorzugt, die Form und die Geometrie
des Typs A (7) eher als den gebrauch des
Typs B (8) zu verwenden. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird der Typ A der unteren Pleuelstange verwendet.
-
Ausführliche
Analysen einer richtig festgelegten Position des Kolbens 3 und
einer richtig festgelegten Position der Mitte der oszillierenden
Bewegung des kippbaren Arms (der als eine Steuerungsverbindung dient)
werden nachstehend in Bezug auf die 10 beschrieben.
Die 10 zeigt die Vorrichtung für ein veränderbares Verdichtungsverhältnis, die
den Typ A der unteren Pleuelstange 7 nahe des TDC mit zwei
unterschiedlichen Anordnungen des Kolbens und des kippbaren Arms
verwendet, wobei einer durch eine durchgehende Linie und der andere durch
die gestrichelte Linie (in Bezug auf den Kolben) und durch die Doppelpunkt-Linie
(in Bezug auf die Oszillationsbewegung des kippbaren Arms 8)
angezeigt ist. Wie bereits oben diskutiert (siehe die 5 und 6),
um eine Kurbelbolzenbelastung F9, die auf den Kurbelbolzen 10b wirkt,
zu reduzieren, ist es notwendig, eine Armlänge für ein Moment der Kraft F7 (die
auf den Pleuelbolzen 6 wirkt) um den Kurbelbolzen 10b zu
verkürzen
und eine Armlänge
für ein Moment
der Kraft F8 (die auf den Pleuelbolzen 9 wirkt) um den
Kurbelbolzen 10b zu verlängern. In der 10 bezeichnet
F10 eine Reaktionskraft, erzeugt an dem Lager (d. h., an dem exzentrischen
Stift 11) gegen die Kraft F8, die auf den Pleuelbolzen 9 wirkt. D.
h., es ist wünschenswert,
den Pleuelbolzen 6 nahe an dem Kurbelbolzen 10b anzuordnen
und den Pleuelbolzen 9 von dem Kurbelbolzen 10b entfernt
zu halten. Um dies zu erreichen wird angenommen, dass eine gerichtet
Linie parallel zu der Richtung des Kolbenhubs als die y-Achse genommen
wird, einen gerichtete Linie rechtwinklig zu sowohl der Richtung
des Kolbenhubs, als auch der Drehachse des Kurbelbolzens 10b als
die x-Achse genommen wird, der Abstand von der Mitte des Pleuelbolzens 6 zu
der Ebene, die die Drehachse der Kurbelwelle 10 enthält und der
sich in die Richtung der y-Achse erstreckt, durch D3 bezeichnet
wird, und der Abstand von der Mitte des Pleuelbolzens 9 zu
der Ebene, die die Drehachse der Kurbelwelle 10 enthält und die
sich in der Richtung der < y-Achse
erstreckt, durch D4 bezeichnet wird (siehe 10), wobei
einer Bedingung, gebildet durch eine Ungleichung D3 < D4, genügt werden muss.
Um der reduzierten Druckbelastung (Seitendruck), die auf die Druckoberfläche des
Kolbens 3 wirkt, und dem erhöhten Kolbenhub zusätzlich zu
der Bedingung von D3 < D4,
zu genügen,
wird angenommen, dass die Drehrichtung der Kurbel die Richtung entgegen
des Uhrzeigersinns ist, die Drehachse der Kurbelwelle 10 als
ein Ursprung O genommen wird, eine gerichtete Linie Ox als die x-Achse
und eine gerichtete Linie Oy als eine y-Achse genommen wird, die
Kolbenhubachse in der negativen Seite der x-Achse angeordnet werden
muss und der Pleuelbolzen 9 in der positiven Seite der
x-Achse angeordnet werden muss. In diesem Fall ist (infolge des
Pleuelbolzens 9, angeordnet in der positiven Seite der x-Achse), die Mitte
der Oszillationsbewegung des kippbaren Arms (Steuerungsverbindung) 8,
d. h., die Mitte des exzentrischen Bolzen 11, in der positiven Seite
der x-Achse angeordnet. Umgekehrt, wenn der Kolben in der positiven
Seite des x-Achse (siehe die gestrichelte Linie, die in der 10 gezeigt
ist) angeordnet ist, tendiert der Winkel γ der Oszillationsbewegung bemerkenswert
erhöht
zu werden. Tatsächlich führt der
erhöhte
Winkel γ zu
einem erhöhten
Seitendruck. Dies erhöht
das unerwünschte
Kolbenschlaggeräusch
und den Kolbenverschleiß.
Auch wenn die Mitte der oszillierenden Bewegung des kippbaren Arms
(d. h., die Mitte des exzentrischen Bolzens 11) in der
negativen Seite der x-Achse angeordnet ist, ist es unmöglich, als
eine veränderbare
Kolbenhub-Vorrichtung (oder als eine Vorrichtung für ein veränderbares
Verdichtungsverhältnis)
zu funktionieren. Demzufolge wird, wie aus den 1, 4A–4C, 5, 6 und 10 erkannt
werden kann, in der Vorrichtung für ein veränderbares Verdichtungsverhältnis des
Ausführungsbeispieles
die Drehachse der Kurbelwelle 10 als ein Ausgangspunkt
O genommen, eine gerichtete Linie Ox als eine x-Achse genommen und
eine gerichtete Linie Oy als eine y-Achse genommen, wobei die Kolbenhubachse
in der negativen Seite der x-Achse
angeordnet ist. Diese Anordnung hat auch den Vorteil des Reduzierens
einer Belastung, die auf den Drehpunkt oder auf das Lager für die Oszillationsbewegung
des Kipphebelarms relativ zu der Kurbelbolzenbelastung angewandt
wird.
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Die
gesamten Inhalte der Japanischen Patentanmeldung Nr. P2000–135436
(eingereicht am 9. Mai 2000) ist hierin durch Bezug enthalten.
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Während das
Vorhergehende eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung ist, wird es verstanden werden, dass die Erfindung
nicht auf hierin gezeigten und beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele
begrenzt ist, sondern dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen
vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang oder von dem Geist dieser Erfindung, wie durch die
folgenden Ansprüche
beansprucht, abzuweichen.