EP0314773B1

EP0314773B1 - Kraft- oder arbeitsmaschine, insbesondere verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP0314773B1
Application number: EP88905184A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Mederer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1988-05-03
Publication date: 1991-08-28
Anticipated expiration: 2008-05-03
Also published as: DE3864491D1; EP0314773A1; ATE66721T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit einem oberen Pleuelabschnitt und einem unteren Pleuelabschnitt zwischen Kolben und Kurbelwelle, die durch ein gemeinsames Gelenk miteinander verbunden sind und bei der die beiden Pleuelabschnitte durch einen angelenkten Schwenkhebel an einer motorgehäusefesten Achse abgestützt sind.
Bei der Verbrennungskraftmaschine (DE-PS 3030615) sind der Kolben und die Kurbelwelle durch zwei gelenkig verbundene Pleuelabschnitte miteinander verbunden. Außerdem findet bei dieser Verbrennungskraftmaschine ein an dem gemeinsamen Gelenk für die beiden Pleuelabschnitte angreifender Schwenkhebel Anwendung, der mit seinem anderen Ende an einem veränderlich einstellbaren Exzenter abgestützt ist. Obwohl bei dieser Verbrennungskraftmaschine die Kinematik der beiden Pleuelabschnitte mit dem Schwenkhebel bereits zu einer verlängerten Verweilzeit des Kolbens in seinem oberen Totpunkt und damit zu einem verbesserten Drehmomentenverlauf führt, ist zu einer weiteren Verbesserung des Drehmomentenverlaufs bei einer Verbennungskraftmaschine dieser Art (EP-A-0292603) vorgeschlagen, den oberen Pleuelabschnitt mit einer über das gemeinsame Gelenk hinausgeführten Verlängerung zu versehen und den Schwenkhebel an der Verlängerung angreifen zu lassen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei Verbrennungskraftmaschinen der vorliegenden Gattung, Maßnahmen zu Leistungssteigerungen bei verringertem Gewicht und zum Verbessern des Massenausgleichs sowie zum Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe gelöst dadurch, daß der obere Pleuelabschnitt symmetrisch in der Längsmittelebene einen streifenförmigen Steg mit einem an dem dem Kolben abgewandten Ende angeordneten Zylinderabschnitt fest aufweist, dessen den Steg zu beiden Seiten überragende Teilabschnitte Ringteile des unteren Pleuelabschnitts lagern und daß im oberen Zylinderabschnitt in der Stegebene und im unteren Pleuelabschnitt zwischen den Ringteilen Ausnehmungen vorgesehen sind, die quer durch einen im Zylinderabschnitt im Abstand der Zylinderabschnittsachse exzentrisch gelagerten Bolzen durchgriffen sind, an dem der Schwenkhebel mit einem Ende angreift. Abgesehen der auf diese Weise erreichten Gewichtseinsparung, insbesondere beim oberen Pleuelabschnitt, Bolzen und Schwenkhebel von etwa einem Drittel gegenüber dem Gewicht der bekannten Verbrennungskraftmaschinen, erlaubt der Steg Biegebeanspruchungen in Grenzen aufzunehmen und auszugleichen. Ferner wird ein schmaler Aufbau des Pleuels erzielt, so daß die Gegengewichte der Kurbelwelle gering gehalten und platzsparend ausbildbar sind.
In Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ist vorgesehen, den unteren Pleuelabschnitt durch über eine Teillänge durch Klemmglieder, z.B. Schrauben miteinander verbundene Hälften zu bilden, die an den kolbenseitigen Enden je einen der Ringteile aufweisen, wobei die gegemeinsame Breite beider Pleuelabschnittshälften gleich oder kleiner als die axiale Länge des Zylinderabschnitts ist. Die Teilung des unteren Pleuelabschnitts gibt die Voraussetzung für eine einfache Montage der Pleuelabschnitte und des Schwenkhebels.
Von besonderem Vorteil hat sich jedoch erwiesen, wenn die beiden Ringteile des unteren Pleuelabschnitts anstelle bekannter Gleitlager durch Nadellager auf die Teilabschnitte des oberen Pleuelabschnitts abgestützt sind. Zur Vermeidung von zusätzlichen Haltegliedern zur Verhütung unerwünschter axialer Bewegungen des Bolzens ist vorgesehen, daß der Bolzen mit Preßsitz durch den Schwenkhebel umfaßt ist und mittels des Schwenkhebels verschiebungsfrei im Zylinderabschnitt gehalten ist.
Letztlich besteht noch die Möglichkeit, die wirksame Länge des Schwenkhebels dadurch veränderlich zu gestalten, daß der Schwenkhebel mit dem dem Zylinderabschnitt abgewandten Ende an einem auf einer drehbeweglichen Scheibe exzentrisch ausgebildeten Achse oder Welle gelagert ist.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung verdeutlicht. Hierin zeigen:

Fig. 1: eine Kraft- oder Arbeitsmaschine schematisch im Schnitt,
Fig. 2: Pleuelabschnitte und Schwenkhebel gemäß einer Ausführung im Schnitt,
Fig. 3: Pleuelabschnitte und Schwenkhebel gemäß Fig. 2 in Seitenansicht,
Fig. 4: einen oberen Pleuelabschnitt im Schnitt,
Fig. 5: einen unteren Pleuelabschnitt in Vorderansicht
Fig. 6: einen Schwenkhebel in Vorderansicht und
Fig. 7 und 8: verschiedene grafische 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, wie insbesondere die Fig. 2 bis 6 zeigen einen Kolbenbolzen 32 auf, an dem der obere Pleuelabschnitt 30 mit seinem oberen Lager 31 gelagert ist. Weiter weist der Pleuelabschnitt 30 an dem dem Kolben 2 abgewandten Ende einen Zylinderabschnitt 33 auf. Das Lager 31 und der Zylinderabschnitt 33 sind durch einen symmetrisch zur Längsmittelachse des oberen Pleuelabschnitts 30 sich erstreckenden Steg 34′ miteinander verbunden. An den Teilabschnitten 33′ und 33˝ des Zylinderabschnitts 33 sind Ringteile 36 und 36′ eines mit seinem Lager 34 mit der Kurbelwelle 11 verbundenen unteren Pleuelabschnitts 35 gelagert. Das Lager 31, die Teilabschnitte 33′ und 33˝ sowie das Lager 34 nehmen Nadellager 43 auf. Im Zylinderabschnitt 33 und zwischen den Teilabschnitten 33′ und 33˝ sind Ausnehmungen 38 und 38′ vorgesehen, durch die ein Schwenkhebel 39 hindurchgreift, der einen in den Teilabschnitten 33′ und 33˝ drehbar geführten Bolzen 40 mit Preßsitz umfaßt und mit seinem anderen Ende 39′ an einer motorgehäusefesten Abstützung, z.B. einem auf einer drehbar einstellbaren Scheibe 44 exzentrisch angeordneten Zapfen 41 abgestützt ist. Der Bolzen 40 ist mit seiner Mittelachse, wie in den Fig. verdeutlicht, zur Mittelachse des Zylinderabschnitts 33 um eine Verlängerung 27 versetzt. Die Ausgestaltung der Pleuelabschnitte 30 und 35 erbringt ein besonders schmales Pleuel mit verringertem Gewicht, wodurch ein günstiger Massenausgleich und eine vorteilhafte Führung der Kurbelwelle 11 zum Pleuel erfolgen kann. Schließlich erbringt der Steg 34′ des oberen Pleuelabschnitts 30 zu beiden Seiten Freiräume 45, durch die Kurbelwellenteile, etwa Massenausgleichsgewichte hindurchführbar sind. Außerdem greift der Schwenkhebel 39 im Bereich der Längsmittelebene an den Pleuelabschnitten 30 und 35 an, wodurch Kippmomente an Schwenkhebel 39 und Pleuelabschnitten 30, 35 vemieden sind. Es versteht sich, daß anstelle des den Schwenkhebel 39 stützenden Zapfens 41 auch eine umlaufende Welle als Stützglied für den Schwenkhebel 39 Anwendung finden kann.
Der untere Pleuelabschnitt 35 ist beim Ausführungsbeispiel durch Hälften 35′, 35˝ gebildet, die durch Klemmglieder, z.B. Schrauben 44 aneinander gehalten sind. Zur Vermeidung überstehender Enden sind Einsenkungen 46 für die Aufnahme der Schraubenköpfe 47 und Muttern 48 der Klemmglieder vorgesehen.
In Fig. 1 befindet sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt. Bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 bewegt sich der Kolbenbolzen 32 längs der Zylindersachse 22 und die Ringteile 36, 36′ auf einer Bewegungsbahn in Form eines Kreisbogens 17. Der Bolzen 40 bewegt sich auf einer weiteren Kreisbahn 21. Gleichzeitig dreht die Kurbelwelle 11 und mit ihr das kurbelwellenseitige Lager 34 in Richtung des Pfeils 19. Die Lageänderungen der Pleuelabschnitte 30, 35 und des Schwenkhebels 39 im unteren Totpunkt des Kolbens 2 entsprechen den gestrichelten Linien. Die entsprechende Stellung des kurbelwellenseitigen Lagers 34 ist durch die Buchstaben UT bezeichnet. Es zeigt sich, daß bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 aus dem oberen Totpunkt sich die Bewegungsbahn 17 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 34 bereits einen relativ grossen Kurbelwellenwinkel durchläuft und der untere Pleuelabschnitt 35 eine Stellung erreicht, in der er in der Lage ist, ein großes Drehmoment zu übertragen.
Die Fig. 7 zeigt mit der ausgezogenen Linie 23 einen Momentenverlauf 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 und bei der gestrichelten Linie bei etwa 65° Kurbelwellenumdrehung erreichbar ist. Geht man mit diesen Werten in die Fig. 8 welche den Kolbenweg über der Kurbelwellenumdrehung zeigt, wobei die ausgezogene Linie 25 die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine und die gestrichelte Linie 26 für einen herkömmlichen Vergleichsmotor gelten, so erkennt man, daß der Kolben 2 beim Vergleichsmotor (Linie 26) seinen oberen Totpunkt früher verläßt und später wieder erreicht, also insgesamt sehr viel kürzer im Bereich seiner oberen Totpunkstellung verweilt als der Kolben 2 der erfindungsgemäßen Ausführung (Linie 25).
Messungen beim Betrieb des Motors mit der beanspruchten Kinematik von Pleuel und Schwenkhebel haben gezeigt, daß ein um 40% geringerer Kraftstoffverbrauch bzw. eine entsprechend 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, z.B. Pflanzenölen erfolgen. Außerdem bleibt der Motor insgesamt kühler, wodurch ein verkleinertes Kühlsystem Anwendung finden kann. Versuche haben gezeigt, daß der Motor ggf. sogar ohne Wasserkühlung gefahren werden kann. Eine vergrößerte Motorölmenge mit einem notfalls zugordneten Ölkühler dürfte zur Abführung der verringerten Wärmemenge ausreichen. Hierdurch sind auch Vorteile hinsichtlich des Gefrierschutzes bei Winterbetrieb gegeben.

Claims

1. Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine, mit einem oberen Pleuelabschnitt und einem unteren Pleuelabschnitt zwischen Kolben und Kurbelwelle, die durch ein gemeinsames Gelenk miteinander verbunden sind und bei der die beiden Pleuelabschnitte durch einen angelenkten Schwenkhebel an einer motorgehäusefesten Achse abgestützt sind, wobei der obere Pleuelabschnitt (30) symmetrisch in der Längsmittelebene einen streifenförmigen Steg (34) mit einem an dem dem Kolben abgewandten Ende angeordneten Zylinderabschnitt (33) aufweist, dessen den Steg (34) zu beiden Seiten überragende Teilabschnitte (33′) und (33˝) Ringteile (36, 36′) des unteren Pleuelabschnitts (35) lagern und im Zylinderabschnitt (33) in der Stegebene und im unteren Pleuelabschnitt (35) zwischen den Ringteilen (36, 36′) Ausnehmungen (38, 38′) vorgesehen sind, die quer durch einen im Zylinderabschnitt (33) im Abstand der Zylinderabschnittsachse exzentrisch gelagerten Bolzen (40) durchgriffen sind, an dem der Schwenkhebel (39) mit einem Ende angreift.

2. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Pleuelabschnitt (35) über eine Teillänge durch Klemmglieder (44) miteinander verbundene Hälften (35′, 35˝) gebildet ist, die an den kolbenseitigen Enden je einen Ringteil (36, 36′) aufweisen und daß die gemeinsame Breite beider Pleuelabschnittshälften (35′, 35˝) gleich oder kleiner als die axiale Länge des Zylinderabschnitts (33) ist.

3. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringteile (36, 36′) des unteren Pleuelabschnitts (35) mittels Nadellager (43) auf den Teilabschnitten (33′, 33˝) des oberen Pleuelabschnitts (30) abgestützt sind.

4. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (40) mit Preßsitz durch den Schwenkhebel (39) umfaßt ist und mittels des Schwenkhebels (39) verschiebungsfrei im Zylinderabschnitt (33) gehalten ist.

5. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkhebel (39) mit dem dem Zylinderabschnitt (33) abgewandten Ende an einem auf einer drehbeweglichen Scheibe (44) exzentrisch ausgebildeten Achse (41) oder Welle gelagert ist.