EP0292603B1 - Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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EP0292603B1 EP87111871A EP87111871A EP0292603B1 EP 0292603 B1 EP0292603 B1 EP 0292603B1 EP 87111871 A EP87111871 A EP 87111871A EP 87111871 A EP87111871 A EP 87111871A EP 0292603 B1 EP0292603 B1 EP 0292603B1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with crankshaft
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • Y10T74/21—Elements
    • Y10T74/2173—Cranks and wrist pins

Definitions

  • Engine or machine in particular internal combustion engine
  • the invention relates to an engine or working machine, in particular an internal combustion engine with at least one cylinder and a piston which is axially displaceable therein and which is connected to the crankshaft via an upper connecting rod section and a lower connecting rod section connected by a joint to the crankshaft, and in which both connecting rod sections are connected by one articulated common pivot lever are supported on an axis fixed to the motor housing.
  • an internal combustion engine (DE-PS 30 30 615) it is known to connect the piston and the crankshaft to one another by means of two articulated connecting rod sections.
  • this internal combustion engine uses a pivot lever that engages a common joint for the two connecting rod sections and is supported at its other end on a variably adjustable eccentric.
  • an improved torque curve is achieved by achieving an extended residence time of the piston in the top dead center.
  • this object is achieved in that the upper connecting rod section at the end facing away from the piston has an axial extension which extends beyond the common joint, and in that the pivoting lever articulates with the end facing the connecting rod section on the extension.
  • the support axis for the swivel lever in the engine block is expediently designed to be eccentrically adjustable, the support axis being adjustable radially to the longitudinal central axis of the cylinder and axially transverse to the longitudinal central axis of the cylinder.
  • connecting rod sections and swivel levers allow the most effective torque to be shifted to the most effective crankshaft positions, which leads to low fuel consumption, shorter ignition delay and, accordingly, smooth combustion with quiet operation of the internal combustion engine. In addition, there is also a reduction in the piston side pressure and thus a reduced warming up of the engine and a reduced wear. It goes without saying that the inventive design of connecting rod sections and swivel levers equally in gasoline and diesel engines or in any power machines that are operated with a piston, e.g. Compressors or pumps, can be used.
  • An advantageous embodiment of the internal combustion engine can be achieved if the length of the lower connecting rod section is approximately 1.3 times the length of the upper connecting rod section, the total length of both connecting rods Sections about 3% larger than the distance between the connecting rod bearing of the upper connecting rod portion and the circle described by the connecting rod bearing of the lower connecting rod portion in the top dead center of the piston and that the length of the pivot lever is carried out approximately 1.2 times the length of the upper connecting rod portion is, the radial distance of the pivot point of the pivot lever from the cylinder axis is approximately 1.0 times the length of the upper connecting rod section and the base point of the projection of the pivot point on the cylinder axis from the crankshaft axis is a distance that is approximately 1/3 of the distance from the piston rod bearing of the upper connecting rod section from the crankshaft axis at the top dead center of the piston.
  • the upper connecting rod section is fork-shaped and carries a bearing washer fixedly against rotation, to which the lower connecting rod section is articulated and the pivoting lever is eccentrically articulated with the ends facing away from the crankshaft or the support axis.
  • the fork ends of the upper connecting rod section preferably have steps which are protruded by the bearing plate, the peripheral surface of the bearing plate supporting the lower connecting rod section and the part of the bearing plate extending in the area of the steps being articulated to the pivot lever.
  • the required axial extension at the upper connecting rod section and, moreover, a narrow construction for the connecting rod formed by the connecting rod sections is achieved, as a result of which the connecting rod sections and the pivoting lever can also be accommodated in a space-saving manner in multi-cylinder machines.
  • the support axis is advantageously formed in the motor housing. It is also possible to arrange the support axis outside the engine block. In the latter embodiment, the pivot lever for connection to the support axis extends through a recess in the motor housing wall.
  • 1 is a cylinder, e.g. referred to an internal combustion engine that slidably receives a piston 2.
  • the cylinder 1 is closed at the upper end by a plate-shaped cylinder head 3.
  • the devices for the supply of fuel and air or fuel mixture and the removal of combustion gases are not shown for reasons of clarity.
  • the piston 2 receives a piston pin 4, on which an upper connecting rod section 5 engages with its upper bearing 6 such that it can pivot.
  • the connecting rod section 5 is preferably fork-shaped and the legs 7 of the connecting rod section 5 hold in the area of the free ends by means of bolts 8 a bearing disc 9 (FIG. 2, 3) to which the upper end of a lower connecting rod section 10 is articulated, the lower end of which Bearing 18 engages a crankshaft 11.
  • the legs 7 have shoulders 12 which are surmounted by the bearing disk 9.
  • a pivot lever 14 with one end 14 ′′ acts in an articulated manner by means of a bolt 13, which is pivotally supported with its other end 14 ′ in a bearing 16 arranged eccentrically on a support axis 15.
  • the articulation point for the pivot lever 14 on the upper connecting rod section 5 is extended by the extension 27 beyond the common articulation point of both connecting rod sections 5 and 10.
  • the piston 2 is at top dead center.
  • the connecting rod bearing 6 on the piston side moves along the cylinder axis 22 and the bearing disc 9 moves on a movement path Form of a circular arc 17.
  • the bolt 13 moves on a further circular path 21.
  • the crankshaft 11 and with it the crankshaft-side bearing 18 rotate in the direction of the arrow 19.
  • the changes in position of the connecting rod sections 5, 10 and the pivot lever 14 at the bottom dead center of the piston 2 correspond to the dashed lines.
  • the corresponding position of the crankshaft bearing 18 is designated by the letters UT.
  • the 360 of a crankshaft revolution is plotted on the abscissa and the torque value determined for constant piston pressure force is plotted on the ordinate.
  • the dashed line 24 shows the torque curve in a conventional comparison motor. It can be seen that the maximum torque can be achieved with line 23 at approximately 45 crankshaft revolutions. 3, which shows the piston travel over the crankshaft revolution, the solid line 25 leaving the internal combustion engine according to the invention and the dashed line 26 for a conventional comparison engine (line 26) leaving its top dead center earlier and later Reached again, that is to say it remains much shorter in the region of its top dead center position than the piston 2 of the embodiment according to the invention (line 25).

Description

    Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine
  • Die Erfindung betrifft eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem in diesem axial verschieblichen Kolben, der über einen oberen Pleuelabschnitt und einem durch ein Gelenk mit diesem verbundenen unteren Pleuelabschnitt mit der Kurbelwelle verbunden ist und bei der beide Pleuelabschnitte durch einen angelenkten gemeinsamen Schwenkhebel an einer motorgehäusefest einstellbaren Achse abgestützt sind.
  • Bei einer Verbrennungskraftmaschine (DE-PS 30 30 615) ist es bekannt, den Kolben und die Kurbelwelle durch zwei gelenkig verbundene Pleuelabschnitte miteinander zu verbinden. Außerdem findet bei dieser Verbrennungskraftmaschine ein an einem gemeinsamen Gelenk für die beiden Pleuelabschnitte angreifender Schwenkhebel Anwendung, der mit seinem anderen Ende an einem veränderlich einstellbaren Exzenter abgestützt ist. Bei dieser Verbrennungskraftmaschine ist durch Erreichung einer verlängerten Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt ein verbesserter Drehmomentverlauf erzielt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zu Lei stungssteigerungen und zur Anpassung an unterschiedliche Kraftstoffe bei Verbrennungskraftmaschinen der vorgenannten Art zu schaffen.
  • Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der obere Pleuelabschnitt an dem den Kolben abgewandten Ende eine über das gemeinsame Gelenk hinausgeführte axiale Verlängerung aufweist und daß der Schwenkhebel mit dem den Pleuelabschnitt zugewandten Ende an der Verlängerung gelenkig angreift. Zweckmäßig ist die Stützachse für den Schwenkhebel im Motorblock exzentrisch einstellbar ausgebildet wobei die Stützachse zur Längsmittelachse des Zylinders radial und quer zur Längsmittelachse des Zylinders axial einstellbar ist. Auf diese Weise liegen das gemeinsame Gelenk beider Pleuelabschnitte und das Gelenk von oberem Pleuelabschnitt und Schwenkhebel auf zwei getrennten Bewegungsbahnen, was zu einer verringerten Kolbenbeschleunigung bei gleichem Kolbenweg und durch die Ausbildung größerer Hebelarme zu einer Erhöhung des Drehmoments führt. Die gewählte Kinematik von Pleuelabschnitten und Schwenkhebel erlaubt die Verlagerung des jeweils wirksamsten Drehmoments auf die wirksamsten Kurbelwellenstellungen, was zu einem geringem Kraftstoffverbrauch, zu einem kürzerem Zündverzug und demgemäß zu einer weichen Verbrennung mit einem ruhigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine führt. Darüberhinaus stellt sich auch eine Verringerung des Kolbenseitendrucks und damit eine verringerte Erwärmung des Motors und ein verminderter Verschleiß ein. Es versteht sich, daß die erfindungsmäßige Ausbildung von Pleuelabschnitten und Schwenkhebel gleichermaßen bei Otto- und Dieselmotoren bzw. bei beliebigen Arbeitskraftmaschinen, die mit einem Kolben betrieben werden, z.B. Kompressoren oder Pumpen, Anwendung finden kann.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ist dann erzielbar, wenn die Länge des unteren Pleuelabschnitts etwa das 1,3fache der Länge des oberen Pleuelabschnitts beträgt, die Gesamtlänge beider Pleuel abschnitte etwa 3 % größer als der Abstand zwischen dem kolbenseitigen Pleuellager des oberen Pleuelabschnitts und dem von dem kurbelwellenseitigen Pleuellager des unteren Pleuelabschnitts beschriebenen Kreis im oberen Totpunkt des Kolbens ist und daß weiter die Länge des Schwenkhebels etwa mit der 1,2fachen Länge des oberen Pleuelabschnitts ausgeführt ist, der radiale Abstand der Anlenkstelle des Schwenkhebels von der Zylinderachse etwa das 1,0fache der Länge des oberen Pleuelabschnitts beträgt und der Fußpunkt der Projektion der Anlenkstelle auf die Zylinderachse von der Kurbelwellenachse einen Abstand besitzt, der etwa 1/3 des Abstands des kolbenseitigen Pleuellagers des oberen Pleuelabschnitts von der Kurbelwellenachse im oberen Totpunkt des Kolbens beträgt. Die dadurch gewährleistete relativ lange Verweilzeit des Kolbens in seinem oberen Totpunkt erlaubt die Verbrennung des Kraftstoffs und die Kolbenbewegung optimal aufeinander abzustimmen, wobei die Verbrennung im oberen Totpunkt beginnt. Eine solche Verschiebung des Einspritzungsintervalls in Richtung auf einen späteren Zeitpunkt hin ist deswegen möglich, weil der Kolben länger im Bereich seiner oberen Totpunktstellung verweilt. Dies bringt auch einen verringerten Zündverzug mit verringerten Temperaturen und Druckbelastungen für den Motor. Versuche haben außerdem gezeigt, daß eine erhebliche Kraftstoffeinsparung unter Beibehaltung gleicher Leistungen erzielbar ist. Schließlich ist auch die Verwendung unterschiedlicher Kraftstoffe möglich, da die Kolbengeschwindigkeit veränderbar und den jeweiligen Kraftstoffen anpaßbar ist. Versuche haben bewiesen, daß Dieselmotore mit der beschriebnen Kinematik ohne Umstellungsmaßnahmen und ohne Leistungsabfall auch mit Benzin betrieben werden können. Außerdem besteht die Möglichkeit, wegen der geringeren Kolbenbelastung Kolben schwächerer Ausbildung oder mit geringerem Gewicht zu verwenden.
  • In Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ist noch vorgesehen, daß der obere Pleuelabschnitt gabelförmig ausgebildet ist und eine Lagerscheibe verdrehungsfrei fest trägt, an die der untere Pleuelabschnitt zentrisch und der Schwenkhebel exzentrisch mit den der Kurbelwelle bzw. der Stützachse abgewandten Enden angelenkt sind. Bevorzugt weisen die Gabelenden des oberen Pleuelabschnitts Absetzungen auf, die durch die Lagerscheibe überragt sind, wobei die Umfangsfläche der Lagerscheibe den unteren Pleuelabschnitt stützt und der im Bereich der Absetzungen sich erstreckende Teil der Lagerscheibe mit dem Schwenkhebel gelenkig verbunden ist. Hierdurch ist auf einfache Weise die geforderte axiale Verlängerung am oberen Pleuelabschnitt und darüberhinaus ein schmaler Aufbau für das durch die Pleuelabschnitte gebildete Pleuel erzielt, wodurch die Pleuelabschnitte und der Schwenkhebel auch in Mehrzylindermaschinen platzsparend untergebracht werden können. Ferner ist noch vorgesehen, die Stützachse vorteilhaft im Motorgehäuse auszubilden. Auch ist es möglich die Stützachse außerhalb des Motorblocks anzuordnen. Bei der letztgenannten Ausführung durchgreift der Schwenkhebel zur Verbindung mit der Stützachse eine Ausnehmung in der Motorgehäusewandung.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung verdeutlicht. Hierin zeigen:
    • Fig. 1
    eine Kraft- oder Arbeitsmaschine schematisch im Schnitt,
    Fig. 2
    eine Kraft- oder Arbeitsmaschine im Schnitt,
    Fig. 3
    Teilstücke von Pleuelabschnitten und Schwenkhebel in Seitenansicht,
    Fig. 4 und 5
    verschiedene graphische Darstellungen
  • In den Fig. ist mit 1 ein Zylinder, z.B. einer Verbrennungskraftmaschine bezeichnet, der einen Kolben 2 verschieblich aufnimmt. Der Zylinder 1 ist beim Ausführungsbeispiel am oberen Ende durch einen plattenförmigen Zylinderkopf 3 verschlossen. Die Einrichtungen für die Zuführung von Brennstoff und Luft bzw. Brennstoffgemisch und der Abführung von Verbrennungsgasen sind aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt.
  • Der Kolben 2 nimmt einen Kolbenbolzen 4 auf, an dem ein oberer Pleuelabschnitt 5 mit seinem oberen Lager 6 schwenkbeweglich angreift. Der Pleuelabschnitt 5 ist vorzugsweise gabelförmig ausgeführt und die Schenkel 7 des Pleuelabschnitts 5 halten im Bereich der freien Enden mittels Bolzen 8 eine Lagerscheibe 9 (Fig. 2,3), an die das obere Ende eines unteren Pleuelabschnitts 10 angelenkt ist, der mit seinem unteren Lager 18 an einer Kurbelwelle 11 angreift. Die Schenkel 7 weisen Absetzungen 12 auf, die durch die Lagerscheibe 9 überragt sind. An der Lagerscheibe 9 greift mittels eines Bolzen 13 ein Schwenkhebel 14 mit einem Ende 14'' gelenkig an, der mit seinem anderen Ende 14' in einem an einer Stützachse 15 exzentrisch angeordneten Lager 16 schwenkbar gestützt ist. Wie insbesondere die Fig. 1 und 3 zeigen, ist die Anlenkstelle für den Schwenkhebel 14 am oberen Pleuelabschnitt 5 um die Verlängerung 27 über die gemeinsame Anlenkstelle beider Pleuelabschnitte 5 und 10 hinausgeführt. Durch Verdrehen der Stützachse 15 sind die Stellungen des Lagers 16 und damit die wirksame Länge des Schwenkhebels 14 veränderbar.
  • In Fig. 1 befindet sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt. Bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 bewegt sich das kolbenseitige Pleuellager 6 längs der Zylinderachse 22 und die Lagerscheibe 9 auf einer Bewegungsbahn in Form eines Kreisbogens 17. Der Bolzen 13 bewegt sich auf einer weiteren Kreisbahn 21. Gleichzeitig dreht die Kurbelwelle 11 und mit ihr das kurbelwellenseitige Lager 18 in Richtung des Pfeils 19. Die Lageänderungen der Pleuelabschnitte 5,10 und des Schwenkhebels 14 im unteren Totpunkt des Kolbens 2 entsprechen den gestrichelten Linien. Die entsprechende Stellung des kurbelwellenseitigen Lagers 18 ist durch die Buchstaben UT bezeichnet. Es zeigt sich, daß bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 aus dem oberen Totpunkt sich die Bewegungsbahn 17 für die Lagerscheibe 9 der Zylinderachse 22 annähert und diese im weiteren Verlauf der Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 schneidet. Hierdurch ist erreicht, daß der Kolben 2 bei seinen Bewegungen aus dem oberen Totpunkt zunächst nur langsam vom Totpunkt entfernt wird, während das kurbelwellenseitige Pleuellager 18 bereits einen relativ großen Kurbelwellenwinkel durchläuft und der untere Pleuelabschnitt 10 eine Stellung erreicht, in der er in der Lage ist, ein großes Drehmoment zu übertragen. Dieser Zusammenhang läßt sich aus den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kurven entnehmen. Die Fig. 4 zeigt dabei mit der ausgezogenen Linie 23 einen Momentverlauf bei einer Verbrennungskraftmaschine erfindungsgemäßer Ausbildung. Auf der Abszisse sind die 360 einer Kurbelwellenumdrehung und auf der Ordinate der für konstante Kolbenaufdruckkraft ermittelte Momentenwert aufgetragen. Die gestrichelte Linie 24 gibt den Momentenverlauf bei einem herkömmlichen Vergleichsmotor wieder. Es zeigt sich, daß das maximale Drehmoment mit der Linie 23 bei etwa 45 Kurbelwellenumdrehung erreichbar ist. Geht man mit diesen Werten in die Fig. 3, welche den Kolbenweg über der Kurbelwellenumdrehung zeigt, wobei die ausgezogene Linie 25 die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine und die gestrichelte Linie 26 für einen herkömmlichen Vergleichsmotor (Linie 26) seinen oberen Totpunkt früher verläßt und später wieder erreicht, also insgesamt sehr viel kürzer im Bereich seiner oberen Totpunktstellung verweilt als der Kolben 2 der erfindungsgemäßen Ausführung (Linie 25).
  • Messungen beim Betrieb des Motors mit der beanspruchten Kinematik von Pleuelabschnitten und Schwenkhebel haben gezeigt, daß ein um 40 % geringerer Kraftstoffverbrauch bzw. eine entsprechende höhere Leistung erreichbar ist. Darüberhinaus enthalten die Abgase weniger Schadstoffe. Bei den Abgasen geht der Anteil an Stickoxyd um ca. 55%, der Anteil an Rußteilchen um ca. 75 % zurück. Wie gesagt, entstehen auch geringere Spitzendrucke und man erhält durch den kürzeren Zündverzug eine weiche Verbrennung, das heißt, annähernd eine Gleichraumverbrennung. Der Lauf der Brennkraftmaschine wird dadurch ruhiger. Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine kann mit Dieselkraftstoff, Benzin oder anderweitigen, auch geringwertigen Kraftstoffen erfolgen.

Claims (9)

  1. Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem in diesem axial verschieblichen Kolben, der über einen oberen Pleuelabschnitt und einem durch ein gemeinsames Gelenk mit diesem verbundenen unteren Pleuelabschnitt mit der Kurbelwelle verbunden ist und bei der beide Pleuelabschnitte durch einen angelenkten gemeinsamen Schwenkhebel an einer motorgehäusefest einstellbaren Achse abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Pleuelabschnitt (5) an dem den Kolben (2) abgewandten Ende eine über das gemeinsame Gelenk (9) hinausgeführte axiale Verlängerung (27) aufweist und daß der Schwenkhebel (14) mit dem den Pleuelabschnitten (5, 10) zugewandten Ende (14'') an der Verlängerung (27) gelenkig angreift.
  2. Kraft- oder Arbeitsmaschine, nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) für den Schwenkhebel (14) exzentrisch einstellbar ausgebildet ist.
  3. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) zur Längsmittelachse (22) des Zylinders (1) radial einstellbar ist.
  4. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) quer zur Längsmittelachse (22) des Zylinders (1) axial einstellbar ist.
  5. Kraft- oder Arbeitsmaschnine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Pleuelabschnitt (5) gabelförmig ausgebildet ist und eine Lagerscheibe (9) verdrehungsfrei fest trägt, an die der untere Pleuelabschnitt (10) zentrisch und der Schwenkhebel (14) exzentrisch mit den der Kurbelwelle (11) bzw. der Stützachse (15) abgewandten Enden angelenkt sind.
  6. Kraft- oder Arbeitsmaschnine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gabelenden des Pleuelabschnitts (5) Absetzungen (12) aufweisen, die durch die Lagerscheibe (9) überragt sind und daß die Lagerscheibe (9) mit der Umfangsfläche den unteren Pleuelabschnitt (10) stützt und im Bereich der Absetzungen (12) mit dem Schwenkhebel (14) gelenkig verbunden ist.
  7. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) im Motorgehäuse angeordnet ist.
  8. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) außerhalb des Motorgehäuses angeordnet ist.
  9. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des unteren Pleuelabschnitts (10) etwa das 1,3fache der Länge des oberen Pleuelabschnitts (5) beträgt, die Gesamtlänge beider Pleuelabschnitte (5, 10) etwa 3% größer als der Abstand zwischen dem kolbenseitigen Pleuellager (6) des oberen Pleuelabschnitts (5) und dem von dem kurbelwellenseitigen Pleuellager (18) des unteren Pleuelabschnitts (10) beschriebenen Kreis im oberen Totpunkt des Kolbens (2) ist und daß die Länge des Schwenkhebels (14) etwa mit der 1,2fachen Länge des oberen Pleuelabschnitts (5) ausgeführt ist, der radiale Abstand der Anlenkstelle des Schwenkhebels (14) von der Zylinderachse (22) etwa das 1,0fache der Länge des oberen Pleuelabschnitts (5) beträgt und der Fußpunkt der Projektion des Lagers (16) auf die Zylinderachse von der Kurbelwellenachse einen Abstand besitzt, der etwa 1/3 des Abstands des kolbenseitigen Pleuellagers (6) des oberen Pleuelabschnitts (5) von der Kurbelwellenachse im oberen Totpunkt des Kolbens (2) beträgt.
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