DE69900821T2 - Modifizierter kurbelmechanismus - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kurbelmechanismus für eine Verbrennungskraftmaschine oder dergleichen.
• Die vorliegende Kurbelwelle, wie sie in allen standardmäßigen Kolbenmotoren verwendet wird, ist bereits einige Jahrzehnte alt, und ihr Grundprinzip ist dabei unverändert geblieben. Obwohl ständige Verbesserungen zu einem höchst zuverlässigen und problemlosen Kurbelmechanismus geführt haben, so besitzt der Mechanismus seine Grenzen.
• Ein Kurbelmechanismus gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist z. B. aus der EP-A-0 063 725 bekannt. In diesem Mechanismus aus dem Stand der Technik kann die Drehposition des Drehmittels eingestellt werden, um die Bewegung des Pleuels und daher das Verdichtungsverhältnis einzustellen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kurbelmechanismus vorzusehen, der überraschend neue Möglichkeiten bietet.
• Um diese Aufgabe zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung einen Kurbelmechanismus vor, der die Merkmale des beigefügten Anspruches 1 besitzt.
• Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen bestimmt.
• Bei gewissen Verwendungen können bedeutsame Vorteile aus dem Zusatz einer zusätzlichen Kurbelwelle erzielt werden, die Drehmittel umfasst, welche die Drehung der zweiten Kurbelwelle relativ zur ersten Kurbelwelle bestimmen.
• Eine interessante Verwendung des Kurbelmechanismus ist mit einem Viertaktmotor möglich, wo sie verwendet werden kann, um ein unterschiedliches Längenverhältnis zwischen dem Expansionshub und dem Kompressionshub zu erzielen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass das Drehmittel derart angeordnet ist, dass die zweite Kurbelwelle sich bei halber Geschwindigkeit dreht, jedoch in entgegengesetzter Richtung zur ersten Kurbelwelle, wobei vorzugsweise die erste Kurbelwelle sich bei 0º und die zweite Kurbelwelle im Wesentlichen sich bei 90º an dem obersten Punkt des Arbeitshubs befindet, so dass der erste und der zweite Hub unter einem Winkel von 180º am Ende des Expansionshubs angeordnet sind. Ein vollständiger Drehzyklus umfasst in diesem Fall zwei Umdrehungen der ersten Kurbelwelle, und das Verhältnis zwischen dem Expansionshub und dem Kompressionshub kann durch Auswählen des ersten und zweiten Radialabstandes bestimmt werden.
• Der Kurbelmechanismus gemäß der Erfindung kann einen oder mehrere der folgenden bedeutenden Vorteile besitzen:
• - Zunächst ist es möglich, einen langen Expansionshub auf diese Weise zu erzielen, um so die Ausnutzung der Expansionsenergie zu maximieren und den Druck beim Öffnen des Auslassventils zu minimieren. Das relativ große Expansionsverhältnis führt zu einer Zunahme der theoretischen Effizienz.
• - Ebenso ist bei dieser Ausführungsform die Bewegung des Pleuels während des Expansionshubs bzw. Arbeitshubs sehr viel geradliniger als sonst, und folglich sind die Kippkräfte deutlich reduziert. Dies führt zu verringerten Reibungsverlusten und so zu einer erhöhten mechanischen Effizienz.
• - Die gleiche Motorleistung kann mit einer Kolbenverschiebung von ungefähr 30% der eines herkömmlichen Motors, der keinen Kompressor verwendet, erzielt werden aufgrund der Möglichkeit, die Hochdruckturbine/den Kompressor (bis zu 3,5 Bar) zusammen mit dem einstellbaren oberen Totpunkt des Kolbens zu verwenden. Folglich sind die Pumpverluste während eines Teillastbetriebs des Motors sehr viel geringer, so dass die mechanische Effizienz während des Teillastbetriebs deutlich erhöht ist. Bei einer Ausführungsform, in der der Kolbenhub einstellbar ist, kann ein niedriges Verdichtungsverhältnis ausgewählt werden, wenn ein hoher Ladedruck verwendet wird, und ein bevorzugter Gasaustausch kann stattfinden, während das Verdichtungsverhältnis erhöht sein kann, und ein erhöhter Benzinrest kann recycelt werden, wenn ein niedriger Ladedruck verwendet wird.
• - Der Kolben bewegt sich mit einer niedrigeren Geschwindigkeit am Ende des Verdichtungshubs, so dass eine geringere Vorzündung erforderlich ist. Ebenfalls ist während der Teillast eine geringere Vorzündung erforderlich, da der Endverdichtungsdruck aufgrund der einstellbaren oberen Totpunktstellung des Kolbens hoch bleibt.
• - Wird eine Hochdruckturbine/Kompressor verwendet, ist es möglich, einen relativ kleinen Motor zu verwenden, und folglich bleibt das Gewicht des Motors auf gleichem Niveau wie das von gegenwärtigen Motoren trotz der erhöhten Anzahl von Motorenteilen.
• Aufgrund der vorher erwähnten Vorteile muss eine Erhöhung der Effizienz bei Teillast ungefähr um 50 bis 70% möglich sein, während eine gesamte Erhöhung der Effizienz um 30 bis 50% mit durchschnittlichem Fahrstil realisiert werden kann.
• Eine Einstellung der Kurbelzapfen relativ zueinander kann auf einfache Weise durchgeführt werden, wenn das Drehmittel aus zumindest zwei Teilen besteht, einem ersten Teil, das drehbar an der zweiten Welle angebracht ist und fest mit der zweiten Kurbel verbunden ist, und einem zweiten Teil, das im Eingriff mit dem ersten Teil ist und welches einstellbar in Bezug auf das Kurbelgehäuse ist. Bei einer praktischen Ausführung derselben ist das erste Teil ein Zahnrad und das zweite Teil ein Innenzahnkranz, mit dem das erste Zahnrad kämmt. In dem Fall kann der Innenzahnkranz über einen Winkel beim Übergang zu einem anderen Lastbereich während des Betriebs des Kurbelmechanismus eingestellt werden, um so die Bewegung des zweiten Kurbelzapfens und so des unteren und oberen Totpunktes einzustellen.
• Die Erfindung wird nun im Detail in Bezug auf die Zeichnungen, welche Ausführungsformen des Kurbelmechanismus gemäß der Erfindung zeigen, erklärt.
• Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Anzahl von Teilen einer ersten Ausführungsform eines Kurbelmechanismus im Längsschnitt; diese Ausführungsform ist nicht Teil der Erfindung.
• Fig. 2 ist eine longitudinale Querschnittsansicht der Teile der Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Kurbelmechanismus gemäß dem Prinzip der Fig. 1 und 2.
• Fig. 4a-i stellen Seitenansichten des Kurbelmechanismus der Fig. 3 dar, die neun Positionen desselben während einer Umdrehung der Kurbelwelle zeigen.
• Fig. 5 ist eine Explosionsansicht einer Variante der ersten Ausführungsform eines Kurbelmechanismus.
• Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht im Halbschnitt des Kurbelmechanismus der Fig. 5.
• Fig. 7 ist eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Zweitakt-Kolbenmotors, der den Kurbelmechanismus der Fig. 6 umfasst.
• Fig. 8a-i sind Ansichten, vergleichbar mit den Fig. 4a-i, einer ersten Ausführungsform des Kurbelmechanismus gemäß der Erfindung für einen Viertaktmotor, die neun Positionen desselben während zwei Umdrehungen der Kurbelwelle zeigen.
• Fig. 9a-d zeigen den Kurbelmechanismus der Fig. 8 in vier verschiedenen Positionen, wobei der Innenzahnkranz geringfügig gedreht ist.
• Fig. 10 ist eine Explosionsansicht einer praktischen Ausführungsform des Kurbelmechanismus der Fig. 8 und 9.
• Fig. 11 ist eine vergrößerte perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht des Pleuels mit der zweiten Kurbel des Kurbelmechanismus der Fig. 10.
• Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht einer Variante des Kurbelmechanismus der Fig. 10 für die Verwendung in einem Mehrzylindermotor, der Zylinder umfasst, die V-förmig oder flach einander entgegengesetzt angeordnet sind.
• Fig. 13 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer weiteren Variante des Kurbelmechanismus gemäß der Erfindung, wie er in einem Vierzylinder- Viertakt-Reihenmotor verwendet wird.
• Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht des zerlegten Kurbelmechanismus der Fig. 13.
• Fig. 15 ist eine Explosionsansicht der Kurbelwelle des Kurbelmechanismus der Fig. 13 und 14.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen sehr schematisch das Prinzip eines Kurbelmechanismus. Der Mechanismus umfasst eine Welle 1, die drehbar auf Lagern (nicht gezeigt) befestigt ist, wobei sie sich um ihre eigene Achse drehen kann. Eine erste Kurbel 2 ist auf der Welle 1 gebildet, in dieser Ausführungsform in der Form einer konzentrischen Scheibe, die exzentrisch einen sich parallel zur Welle 1 erstreckenden Kurbelzapfen 3 trägt, die aber zur anderen Seite der ersten Kurbel 2 hervorsteht. Die Achse des ersten Kurbelzapfens 3 befindet sich mit einem radialen Abstand R&sub1; von der Achse der Welle 1.
• Eine zweite Kurbel 4 ist drehbar auf dem ersten Kurbelzapfen 3 über ein Lager (nicht gezeigt) befestigt, wobei das Loch 5 in der zweiten Kurbel 4, welches um den ersten Kurbelzapfen 3 passt, exzentrisch in Bezug auf die zweite Kurbel 4 angeordnet ist. Ein zweiter Kurbelzapfen 6 ist auf der zweiten Kurbel 4 gebildet, dessen Kurbelzapfen 6 nicht in dieser Figur zu sehen ist, da er sich mit der zweiten Kurbel deckt. Ein Lager 11 eines Pleuels 12 (siehe Fig. 3) umgibt die zweite Kurbel 4, und folglich dient die Achse der zweiten Kurbel 4 als Achse des zweiten Kurbelzapfens 6. Die Achse des zweiten Kurbelzapfens 6 ist mit einem Abstand R&sub2; von der Achse des ersten Kurbelzapfens 3 angeordnet.
• Die zweite Kurbel 4 muss sich um den ersten Kurbelzapfen 3 auf kontrollierte Weise drehen, und dazu sind Drehmittel 7 vorgesehen, die in dieser Ausführungsform mit einem Zahnrad 8, welches an der zweiten Kurbel 4 angebracht ist, und mit einem Tellerrad bzw. einem Innenzahnkranz 9, welcher drehbar mit dem Kurbelgehäuse des Kurbelmechanismus verbunden sein kann oder nicht, versehen sind. In der dargestellten Ausführungsform ist das Zahnrad 8 über ein Lager auf dem ersten Kurbelzapfen 3 zwischen der ersten Kurbel 2 und der zweiten Kurbel 4 befestigt, um einen kompakten Aufbau zu erhalten. Das Zahnrad 8 ist mit einem Gegengewicht 10 versehen, welches dazu dient, den Mechanismus auszubalancieren.
• Der Eingriff zwischen dem Zahnrad 8 und dem Innenzahnkranz 9 und das Vorhandensein des Zahnrades 8 auf dem ersten Kurbelzapfen 3 stellt sicher, dass das Zahnrad 8 zum Innenzahnkranz 9 beim Drehen der Welle 1 und der resultierenden, kreisförmigen Bewegung des ersten Kurbelzapfens 3 rollt, wobei es sich in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Drehung der Welle 1 dreht, so dass die mit dem Zahnrad 8 verbundene zweite Kurbel 4 einerseits der Bewegung des ersten Kurbelzapfens 3 folgt, aber zusätzlich eine Drehung in entgegengesetzter Richtung ausführt. Verschiedene Bewegungen des zweiten Kurbelzapfens 6 oder des auf Lager befestigten Pleuels 12 können bewirkt werden, indem geeignete radiale Abstände R&sub1; und R&sub2; und ein Radius R&sub3; des Zahnrades 8 gewählt werden, und ferner die ursprüngliche Winkelposition des zweiten Kurbelzapfens 6 in Bezug auf den ersten Kurbelzapfen 3 ausgewählt wird.
• In der dargestellten Auführungsform ist R&sub1; = R&sub2; = R&sub3;. Dies impliziert, dass die zweite Kurbel 4 auf dem ersten Kurbelzapfen 3 sich bei gleicher Geschwindigkeit wie die Welle 1 dreht, obwohl in entgegengesetzter Richtung, während in der dargestellten Position jede horizontale Bewegung des ersten Kurbelzapfens 3 durch die horizontale Bewegung in entgegengesetzter Richtung des zweiten Kurbelzapfens 6 kompensiert wird, so dass der zweite Kurbelzapfen 6 in der Tat eine Drehbewegung ausführt, sich aber vertikal nach oben und nach unten dadurch bewegt.
• Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch eine praktische Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine, d. h. in dieser Ausführungsform einen Einzylindermotor, der solch einen Kurbelmechanismus umfasst. Eine Anzahl von Teilen, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, werden als Zwillingsteile verwendet, wobei eines davon auf jeder Seite der zweiten Kurbel 4 in dieser Ausführungsform verwendet wird. Die Zeichnungen zeigen die großen Vorteile der Verwendung einer zweiten Kurbel 4 als zweiter Kurbelzapfen 6, da die Kurbelwelle fortlaufen kann und nicht unterteilt werden muss, während dies zusätzlich zu einer sehr kompakten Konstruktion führt. Lediglich das Lager 11 des Pleuels 12 weist eine relativ große Abmessung auf.
• Die Fig. 4a-i zeigen den Betrieb des Kurbelmechanismus, wobei sehr deutlich zu sehen ist, dass das das Gegengewicht 10 aufweisende Zahnrad sich in entgegengesetzter Richtung bei gleicher Drehgeschwindigkeit wie die erste Kurbel 2 dreht, und dass es eine exakt vertikale Bewegung ausführt aufgrund der Verwendung des gleichen Radialabstandes R&sub1; und R&sub2; mit einem Hub, der gleich 2*(R&sub1;+ R&sub2;) ist. Es ist bereits in der Einführung angezeigt worden, welche Vorteile dies vorsieht, insbesondere im Falle eines Zweitaktmotors.
• Die vertikale Bewegung des Pleuels 12 kann ebenso mit Hilfe von anderen Drehmitteln als ein Zahnrad und einen Innenzahnkranz 9 bewirkt werden. So wäre es z. B. möglich, an das Pleuel 12 oder das Lager 11 eine Führung anzubringen, die eine seitliche Bewegung oder eine Bewegung in horizontaler Richtung des Pleuels 12 verhindert. Auf diese Weise wird die zweite Kurbel 4 auf eine vertikale Bahn durch das Pleuel 12 selbst gezwungen und in Bezug auf den ersten Kurbelzapfen 3 mit gedreht. Andere Drehmittel sind natürlich ebenso denkbar.
• Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine eher praktische Version der Ausführungsform des Kurbelmechanismus, wie in den vorangegangenen Figuren schematisch gezeigt ist, wobei ebenso ein Teil des umgebenden Verbrennungsmotors gezeigt ist. Der Kurbelmechanismus ist auf jeder Seite des Pleuels 12 spiegelsymmetrisch. In den Figuren ist die erste Welle 1 zu sehen, die in einem Lager 15 (Fig. 6 und 7) befestigt ist, wie z. B. einem Kugellager. In der ersten Kurbel 2 in Bezug auf die erste Welle 1 ist exzentrisch eine Lageraussparung angeordnet, in der ein Lager 17 untergebracht ist, das dazu dient, um die Zapfenabschnitte 6' und 6" der ersten Kurbel der beiden Kurbelwellenhälften in Form von einander entsprechenden Tastteilen aufzunehmen, um so die beiden Kurbelwellenhälften zu einer Kurbelwelle zusammenzubauen.
• An die Kurbelwelle ist ein erstes Gegengewicht 18 des ersten Kurbelzapfens 2 und ein zweites Gegengewicht 19 der zweiten Kurbel 4 angebracht. Wie aus den Figuren zu sehen ist, ist das Zahnrad 8, welches gleich dem Drehmittel für den ersten Kurbelzapfen 3 ist und das mit dem Innenzahnkranz 9 kämmt, außerhalb, in axialer Richtung gesehen, des ersten Gegengewichts 18 angeordnet. Das Lager des ersten Kurbelzapfens 3 ist in unmittelbarer Nähe der zweiten Kurbel 4 angeordnet, und folglich wird die Biegeverzerrung des ersten Kurbelzapfens 3 gering gehalten. Tatsache ist, dass der erste Kurbelzapfen 3 mit Hilfe eines zweiten Lagers 20 auf der Seite des Zahnrades 8 abseits des Lagers 17 (siehe Fig. 6 und 7) gelagert ist. Die Kurbelwelle zeigt lokal eine große Biegefestigkeit aufgrund ihres großen Durchmessers, während das Kurbelwellenlager 15 so nahe wie möglich an dem Pleuel 12 angeordnet ist.
• Die Figuren zeigen ferner, dass der Innenzahnkranz 9 mit länglichen Befestigungslöchern 21 versehen ist, die sich exzentrisch um die mittlere Achse der Innenzähne des Innenzahnkranz 9 erstrecken, und die zur drehbaren Befestigung des Innenzahnkranzes 9 verwendet werden. Wie aus der Fig. 7 zu sehen ist, ist die Kurbelgehäuseabdeckung 22 des Verbrennungsmotors mit einem verschließbar einstellbaren Loch 23 versehen, mit Hilfe dessen Befestigungsschrauben (nicht gezeigt) für den Innenzahnkranz 9 festgezogen und gelöst werden können, um den Innenzahnkranz 9 einzustellen und anzubringen. So ist es möglich, eine Wiedereinstellung des Innenzahnkranzes 9 zu bewirken, um so eine möglichst genaue Bewegung des Kurbelmechanismus zu erzielen, d. h. eine so geradlinige Bewegung des Pleuels 12 des Kolbens 13 wie möglich.
• Fig. 7 zeigt ferner die Befestigung des Lagers 15 der Kurbelwelle 1 in der Kurbelgehäuseabdeckung 22. Die Fig. 7 zeigt ferner den Aufbau des Verbrennungsmotors hinsichtlich des Kolbens 13 und der Teile, die mit diesem zusammenwirken.
• Der Kolben 13 bewegt sich in einem Zylinder 24 nach oben und nach unten, der mit Auslassöffnungen (nicht gezeigt) und Spülöffnungen 25 versehen ist. Die Figur zeigt ferner ein kombiniertes Einlass- und Führungsgehäuse 26. Das Gehäuse 26 ist mit einer inneren Führung 26' zum Führen des Pleuels 12 versehen. Die Führung 26' dichtet ebenso den Raum in dem Zylinder 24 unterhalb des Kolbens 13 ab, so dass ein Spüldruck in dem Raum aufgebaut werden kann. Die Form des Gehäuses 25 ist derart, dass der Kolbenschmutz das Gehäuse im unteren Totpunkt des Kolbens 13 eng umgibt, und folglich das falsche Volumen in dem Spülraum minimal ist, wodurch eine optimale Spülwirkung erzielt wird.
• Die Position der Einlassmembrane 27, die an der Außenseite des Einlass- und Führungsgehäuses 26 befestigt sind, tragen ebenso dazu bei, das falsche Volumen zu minimieren. Die Luftversorgung und möglicherweise die Versorgung mit Brennstoff findet durch den Einlasskanal 28 statt, der mit einem Kanal 29 in dem Gehäuse 26 verbunden ist, wobei die Kanäle in Verbindung mit den Einlässen stehen, die durch die Membrane 27 geöffnet oder geschlossen werden.
• Die Fig. 8 und 9 zeigen eine erste Ausführungsform des Kurbelmechanismus gemäß der Erfindung, wobei im Wesentlichen die gleichen Teile verwendet werden wie bei der ersten Ausführungsform gemäß der Fig. 1 bis 4, wobei aber die relativen Proportionen und die Positionen der Teile unterschiedlich sind. In dieser Ausführungsform ist z. B. der Durchmesser R&sub3; des Zahnrades 1 doppelt so groß wie der Radialabstand R&sub1; des ersten Kurbelzapfens 3, und folglich ist die Drehgeschwindigkeit der zweiten Kurbel 4 nur halb so gross wie die Drehgeschwindigkeit der zweiten Kurbel 2, während die Drehrichtung entgegengesetzt dazu ist. Dies führt zu einer völlig unterschiedlichen Bewegung des zweiten Kurbelzapfens 6 im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Fig. 1 bis 7. Zuerst wird die horizontale Bewegung des ersten Kurbelzapfens 3 nicht länger kompensiert, so dass das Pleuel 12 nicht länger vertikal hin- und herbewegt wird, wodurch die Verwendung eines herkömmlichen Pleuels 12 notwendig wird. Ferner ist zu sehen, z. B. in Fig. 8a, dass, wenn der erste Kurbelzapfen 3 sich in seiner obersten Position befindet, der zweite Kurbelzapfen 6 sich nicht in seiner obersten Position befindet, sondern in der mittleren Position, so dass die Kurbelzapfen um einen Winkel von 90º in Bezug zueinander in der obersten Position verschoben sind. Der zweite Radialabstand R&sub2; des zweiten Kurbelzapfens 6 kann von dem ersten Radialabstand R&sub1; in diesem Fall unterschiedlich sein (aufgrund der Tatsache, dass es nicht länger erforderlich ist, eine horizontale Kompensierung vorzusehen), und es ist möglich, die relative Proportion der beiden aufeinanderfolgenden Hübe des Kolbens 3 zu bestimmen. Da die zweite Kurbel 4 sich bei halber Geschwindigkeit bewegt, führt die zweite Kurbel 4 lediglich eine halbe Umdrehung aus, während die Kurbel 2 eine vollständige Umdrehung ausführt, so dass ein vollständiger Kreis des Kurbelmechanismus nur nach zwei Umdrehungen der ersten Kurbel 2 vollendet wird. In der dargestellten Ausführungsform ist der erste und zweite Hub des Kolbens 13 ((lange) Expansionshub und Auslasshub) gleich 2 · R&sub1; + R&sub2; (der Weg des Kolbens 13 zwischen den in Fig. 8 und 8c oder 8c und 8e gezeigten Positionen), während der dritte und vierte Hub gleich 2 · R&sub1; - R&sub2; ist (der Weg des Kolbens 13 zwischen den in Positionen entsprechend den Fig. 8e und 8g oder 8g und 8i).
• Wie bereits beschrieben worden ist, ermöglicht solch eine Ausführungsform des Kurbelmechanismus gemäß der Erfindung, einen Viertaktmotor zu konstruieren, in dem der Verdichtungshub und der Expansionshub voneinander unterschiedlich sind, was dazu dient, die Expansionskräfte besser ausnutzen zu können.
• Die Fig. 9 zeigt den gleichen Aufbau wie die Fig. 8, aber in diesem Fall wird der Innenzahnkranz 9 im Uhrzeigersinn über einen Winkel (in diesem Fall 11º) im Vergleich mit der in Fig. 8 gezeigten symmetrischen Position gedreht, wobei die Winkelverschiebung anhand der Position an einem Punkt 14 auf dem Innenzahnkranz 9 erkannt werden kann. In diesem Fall befindet sich der zweite Kurbelzapfen 6 nicht in seiner mittleren Position, wenn der erste Kurbelzapfen 3 sich in der obersten Position (Fig. 9a) befindet, und in der Position, die in Fig. 9a gezeigt ist, in der die extreme Verdichtungsposition dargestellt ist, ist die Position des Kolbens 13 niedriger als die Position gemäß der Fig. 8a, und folglich ist die Endverdichtung herabgesetzt. Die Drehung des Innenzahnkranzes 9 ermöglicht so, eine niedrigere Endverdichtung bei vollen Lastbedingungen zu wählen, oder wenn ein Ladedruck verwendet wird (oder im Falle der Drehung in die andere Richtung, eine höhere Endverdichtung bei Teillastbedingungen). Die Position des oberen Totpunktes am Ende des Auslasshubs (Fig. 9c) ist im Vergleich mit der in Fig. 8e gezeigten Position um den gleichen Wert wie der Wert, um den die Position des oberen Totpunktes am Ende des Verdichtungshubs herabgesetzt worden ist, angehoben worden. Die Position des oberen Totpunktes am Ende des Expansionshubs und des Einlasshubs ist ebenso unterschiedlich, aber als Folge der nahezu vertikalen Position des zweiten Kurbelzapfens 6 in dem unteren Totpunkt ist der Einfluss der Winkelverschiebung des zweiten Kurbelzapfens 6 um die Position auf die Position des unteren Totpunktes sehr viel geringer.
• Es ist einleuchtend, dass die Drehung des Innenzahnkranzes 9 während des Betriebs des Verbrennungsmotors eine Einstellung der Motorcharakteristik zur Folge hat, so dass eine elektronische Steuerung der Drehung des Innenzahnkranzes 9 zu einem optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors abhängig von der besonderen Lastbedingung zu diesem Zeitpunkt führen kann.
• Die Fig. 10 und 11 zeigen eine praktische Ausführungsform des Kurbelmechanismus der Fig. 8 und 9. In dieser Ausführungsform ist ein sehr kompakter Aufbau dadurch erzielt worden, indem der Innenzahnkranz 9 mittig angeordnet ist und der erste und zweite Kurbelzapfen 3 und 6 sich innerhalb des Innenzahnkranzes 9, in axialer Richtung gesehen, positioniert sind. Das Lager am großen Ende des Pleuels 12 umgibt einen exzentrischen Abschnitt 6 der zweiten Kurbel 4, die so den zweiten Kurbelzapfen 6 bildet. Die zweite Kurbel 4 ist auf beiden Seiten des zweiten Kurbelzapfens 6 und folglich auf beiden Seiten des Pleuels 12 mit Zahnrädern 8 versehen, die mit jedem der Innenzähne 9' des Innenzahnkranzes 9 kämmen. Der Innenzahnkranz 9 ist zwischen seinen Zähnen mit einer Durchführung 9 für das Pleuel 12 versehen. Das zweite Gegengewicht 10 ist in der zweiten Kurbel 4 integriert. Einander gegenüberstehende Nuten 31, die um die mittlere Achse des ersten Kurbelzapfens 3 gebildet sind, nehmen einen Außenabschnitt der zweiten Kurbel 4 auf, was zu einer weiteren Minimierung der Abmessungen führt.
• Fig. 12 zeigt eine weitere praktische Ausführungsform des Kurbelmechanismus, der dazu beabsichtigt ist, in einem Mehrfachzylindermotor verwendet zu werden, dessen Zylinder V- förmig oder flach einander gegenüberliegend angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist das Zahnrad 8 zwischen den beiden zweiten Kurbeln 4 der beiden Pleuel 12 angeordnet, und der Innenzahnkranz 9 ist auf ähnliche Weise zwischen den beiden Pleueln 12 angeordnet. Auf diese Weise kann eine sehr kompakte Konstruktion realisiert werden. Die Fig. 13 bis 15 zeigen eine weitere Variante, in diesem Fall für einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor. Wie in den Figuren gezeigt, sind die Drehmittel 7 für die beiden zweiten Kurbeln 4 zwischen zwei benachbarten Kurbeln 4 befestigt, die winkelmäßig um 180º zueinander versetzt angeordnet sind. Jede zweite Kurbel 4 weist ein Zahnrad 8, das direkt benachbart dazu befestigt ist, auf, so dass kein Raum dazwischen zurück bleibt. Der Innenzahnkranz 9 umgibt das Zahnrad 8. Zwischen den benachbarten Innenzahnkränzen 9 befindet sich ein Zwischenring 31, der drehbar in dem Kurbelgehäuse in dieser Ausführungsform untergebracht ist. Der Zwischenring ist an den beiden benachbarten Innenzahnkränzen 9 mit Hilfe von Schrauben (nicht gezeigt) angebracht. Innerhalb des Zwischenringes 31 befindet sich ein Lager 32, das dazu dient, den entsprechenden Abschnitt 33 der Kurbelwelle drehbar zu lagern. Der Kurbelwellenabschnitt 33 trägt ferner ein Gegengewicht 34, das das Zahnrad 8 eng umgibt und deshalb keinen zusätzlichen Raum in axialer Richtung einnimmt.
• Zum Zwecke des Einstellens der Drehmittel 7, während der Verbrennungsmotor in Betrieb ist, ist der Zwischenring 31 mit einem Kontrollstift 35 versehen, der gleitbar in eine Buchse 36 eingreift, wobei die Buchse drehbar in einem Regelventil 37 untergebracht ist, das für die beiden Kontrollstifte 35 gemeinsam verwendet wird. Das Regelventil 37 kann z. B. mit Hilfe einer Spindelmutter 38 angebracht sein, das mit einer Spindel zusammenwirkt, die drehbar angetrieben werden kann, z. B. mit Hilfe eines Schrittmotors, der es ermöglicht, das Regelventil 37 genauestens zu bewegen, um so den Zwischenring 31 und auf diese Weise die Innenzahnkränze 9 zum Einstellen des Verdichtungsendpunktes und des Expansionsendpunktes des Kolbenhubs 13 zu drehen.
• Der dargestellte Aufbau der Kurbelwelle und des Drehmittels 7 ermöglicht die Verwendung eines Standardzylinderblocks, da es möglich ist, den gleichen Mitte-zu-Mitteabstand zwischen den Kolben eines herkömmlichen Vierzylindermotors zu verwenden, und lediglich das Kurbelgehäuse muss der neuen Konstruktion der Kurbelwelle angepasst werden.
• Aus dem Vorangegangenen ist es einleuchtend, dass die Erfindung einen Kurbelmechanismus vorsieht, der überraschend neue Möglichkeiten zur Optimierung des Betriebs eines Kolbenmotors oder einer anderen Maschine ohne jegliche komplizierte Maßnahmen, die erforderlich sind, bietet.
• Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, wie in den Zeichnungen gezeigt, beschränkt, die auf verschiedene Art und Weise variiert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So ist es ebenso möglich, die Erfindung mit Kurbelmechanismen anderer Maschinen zu verwenden, wie z. B. Kompressoren oder anderer Maschinen, in denen eine geradlinige Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt wird, oder umgekehrt. Im Falle von Kolbenmotoren bezieht sich die Erfindung ebenso auf Mehrfachzylindermotoren in verschiedenen Anordnungen derselben.

Claims (14)

1. Kurbelmechanismus für eine Verbrennungskraftmaschine oder dergleichen mit:

einer um ihre Achse drehenden Welle (1),

einer auf der Welle (1) befestigten ersten Kurbel (2),

einem auf der ersten Kurbel befestigten Zapfen (3), der parallel zur Welle (1), jedoch in einem ersten radialen Abstand (R&sub1;) von dieser, verläuft,

einer drehbar auf dem ersten Zapfen (3) angeordneten zweiten Kurbel (4), die an einem zweiten Zapfen (6) befestigt ist, dessen Achse sich in einem zweiten radialen Abstand (R&sub2;) von der Achse des ersten Zapfens (3) erstreckt,

einer drehbar auf dem zweiten Zapfen (6) gelagerten Schubstange (12) und

einer Dreheinrichtung (7), die beim Drehen der Welle (1) die Drehung der zweiten Kurbel (4) relativ zur ersten Kurbel (2) bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, dass:

die Dreheinrichtung (7) so angeordnet ist, dass die zweite Kurbel (4) mit der halben Drehzahl der ersten Kurbel (2), wenn auch in entgegengesetzter Richtung, dreht, und daß

die erste und die zweite Kurbel (2, 4) in einer solchen relativen Stellung zueinander angeordnet sind, dass sich im obersten Punkt des Verbrennungstaktes die erste Kurbel (2) in der 0º-Position und die zweite Kurbel (4) im wesentlichen in der 90º-Position befinden, und vorzugsweise so, dass die erste und die zweite Kurbel am Ende das Arbeitshubs im wesentlichen eine 180º-Stellung einnehmen.

2. Kurbelmechanismus nach Anspruch 1, wobei der erste radiale Abstand (R&sub1;) gleich dem zweiten radialen Abstand (R&sub2;) bzw. von diesem verschieden ist.

3. Kurbelmechanismus nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Drehelement (7) aus mindestens zwei Teilen besteht, von denen ein erster Teil (8) drehbar auf dem ersten Zapfen (3) angeordnet und fest mit der zweiten Kurbel (4) verbunden ist, und von denen ein zweiter Teil (9) mit dem ersten Teil (8) in Eingriff steht.

4. Kurbelmechanismus nach Anspruch 3, wobei der erste Teil (8) ein Zahnrad und der zweite Teil (9) ein Innenzahnkranz ist, mit dem das erste Zahnrad in Eingriff steht, und wobei der Innenzahnkranz vorzugsweise zentrisch angeordnet ist und sich im Falle eines Kurbelmechanismus für einen Einzylindermotor zu beiden Seiten der Schubstange (12) erstreckt bzw. im Falle eines Mehrzylindermotors, vorzugsweise eines V-Motors, zwischen versetzten zweiten Kurbeln (4) montiert ist.

5. Kurbelmechanismus nach Anspruch 4 zur Verwendung in einem Vierzylinderreihen- oder Achtzylinder-V-Motor, wobei das erste Zahnrad (8) direkt neben der zugehörigen Kurbel (4) und Schubstange(n) (12), das zugehörige Kurbelwellenlager aber zwischen den beiden Zahnrädern (8) der versetzten zweiten Kurbeln (4) angeordnet ist.

6. Kurbelmechanismus nach Anspruch 5, wobei zwei nebeneinanderliegende Innenzahnkränze (9) auf einem Zwischenring (31) angeordnet sind, der einerseits das Kurbelwellenlager (32) trägt und andererseits auch als Element zum Drehen der Innenzahnkränze (9) beim Betrieb dient.

7. Kurbelmechanismus nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Innenzahnkranz (9) beim Betrieb des Kurbelmechanismus in einer im wesentlichen stationären Stellung gehalten wird.

6. Kurbelmechanismus nach Anspruch 7, wobei der Innenzahnkranz (9) winkeleinstellbar ist.

9. Kurbelmechanismus nach Anspruch 8, wobei der Innenzahnkranz (9) beim Betrieb, beispielsweise in Abhängigkeit vom Motorbelastungszustand, mittels eines Schrittmotors oder dergleichen gedreht werden kann.

10. Kurbelmechanismus nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die erste und/oder die zweite Kurbel (2, 4) mit einem Gegengewicht (10) versehen sind (ist) und wobei das Zahnrad (8) jeweils außerhalb des Gegengewichts angeordnet ist, während innen vorzugsweise zur Aufnahme des ersten Zapfens (3) ein hager vorgesehen ist.

11. Kurbelmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Kurbel (4) selbst in Form des zweiten Zapfens (6) ausgeführt, die Mittelachse der zweiten Kurbel die Achse des zweiten Zapfens bildet und die Schubstange (12) um die zweite Kurbel herum verlagert ist.

12. Kurbelmechanismus nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 11, wobei das Zahnrad (8) auf einer Scheibe in Form eines Gegengewichts (10) angeordnet ist.

13. Kolbenmotor mit einem Kurbelmechanismus nach einem der vorstehenden Ansprüche.

14. Kolbenmotor mit dem Kurbelmechanismus nach Anspruch 8 mit einem Kurbelgehäuse (22), das mit einer Einstellöffnung (23) zum Einstellen und/oder Fixieren des Innenzahnkranzes (9) von außen versehen ist.