EP0613995B1 - Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

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EP0613995B1
EP0613995B1 EP93810158A EP93810158A EP0613995B1 EP 0613995 B1 EP0613995 B1 EP 0613995B1 EP 93810158 A EP93810158 A EP 93810158A EP 93810158 A EP93810158 A EP 93810158A EP 0613995 B1 EP0613995 B1 EP 0613995B1
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slideway
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Heinrich Brunner
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Winterthur Gas and Diesel AG
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    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with rotary main shaft other than crankshaft the piston motion being transmitted by curved surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/32—Engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding main groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00
    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with crankshaft
    • F01B9/026—Rigid connections between piston and rod; Oscillating pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

Definitions

  • the invention relates to a two-stroke reciprocating piston internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Internal combustion engines of this type usually have at least one cylinder located in a housing, in which a piston is movably guided, which has a piston rod which is operatively connected to a crankshaft mounted in the housing via a force transmission device.
  • the power transmission device consists of a cross head connected to the piston rod and a push rod articulated to the cross head and a crank pin of the crankshaft.
  • this construction only allows a certain minimum connecting rod length, which directly determines the overall height of the internal combustion engine.
  • This height is relatively large and is disadvantageous because it affects the height of the space in which the internal combustion engine is installed, be it on a ship if the machine is used to propel the ship or in a power plant building if the Machine used to drive electrical generators.
  • US-4 584 972 discloses a jointless connection for an internal combustion engine between a piston and the crank pin of a crankshaft, the crank pin being able to perform a positively guided sliding movement along a curved slide path which is asymmetrical with respect to the central axis of the piston and rigidly connected to the piston.
  • the concave side of the slideway faces the crankshaft, the center of a circle of curvature which is adapted to the slideway is eccentric, i. H. at a certain distance from the central axis of the piston.
  • the invention has for its object to improve an internal combustion engine of the type mentioned in such a way that its overall height is reduced and the operating behavior is optimized using structurally simple means.
  • This design of the power transmission device eliminates the previously required push rod with its articulated connections on the crank pin and on the crosshead. By eliminating the push rod, the overall height of the internal combustion engine is reduced by approximately 50% of the piston stroke, which has a particularly advantageous effect on the room height at the installation site of the internal combustion engine. It is also possible to vary the ratio of the cylinder bore to the size of the distance between the center of the radius and the center of the crank pin by freely selecting the radius of the slideway, without increasing the overall height of the internal combustion engine. Finally, the operating behavior of the internal combustion engine can be optimized by free choice of the radius of the slideway, specifically by reducing the radius, i.e. Increase of the useful stroke, the fuel consumption can be reduced and the second order moments can be reduced as the radius increases.
  • the slow-running, two-stroke, reciprocating piston internal combustion engine of the diesel type has a base plate 1 in which a crankshaft 2 is rotatably mounted.
  • a machine housing 3 rests on the base plate 1 and is composed in the usual way of stands arranged one behind the other in the direction of the crankshaft.
  • a cylinder block 4 is placed on the machine housing 3, in which a cylinder insert 5 is arranged, the upper portion of which protrudes from the cylinder block 4.
  • the cylinder insert 5 is closed at the top in FIG. 1 by a cylinder cover 6 which is connected to the cylinder block 4 via a plurality of expansion bolts 7.
  • a working piston 8 is movably guided up and down in the cylinder insert 5, a combustion chamber 8 ′ being formed between the top of the piston 8 and the cylinder cover 6.
  • a rinsing chamber 9 is formed within the cylinder block 4 and rinsing air flows from a rinsing air receiver 10, which is also placed on the machine housing 3.
  • the cylinder insert 5 has slots 11 distributed over its circumference, via which washing air flows from the chamber 9 into the cylinder insert 5 when the working piston 8 moves in the area of bottom dead center, ie the top of the piston is located below the slots 11.
  • An outlet valve, not shown, is arranged in the center of the cylinder cover 6; the internal combustion engine therefore works with longitudinal purging.
  • a plurality of injection valves are provided in the cylinder cover 6, via which fuel reaches the combustion chamber 8 ′ under high pressure when the working piston 8 moves in the area of top dead center.
  • several cylinder blocks 4 are arranged one behind the other on the housing 3.
  • the working piston 8 is connected to a piston rod 12 which extends downward into the machine housing 3 in FIG. 1.
  • the piston rod 12 is surrounded by a stuffing box 13, which prevents the transfer of purging air from the washing chamber 9 into the space enclosed by the machine housing.
  • the lower end of the piston rod 12 is screwed in a manner not shown with a beam-like component 14 which extends transversely to the crankshaft 2.
  • the component 14 On its underside facing the crankshaft, the component 14 forms a flange 14 '(FIG. 2) which, on its outside, forms an arcuate slideway 15 curved against the crankshaft.
  • On this slideway 15 is a sliding block 16, which is mounted on a crank pin 20 of the crankshaft 2 and is divided approximately at the height of the central axis of this pin.
  • the sliding block 16 clasps the flange 14 'on its two sides.
  • the width of the component 14 is dimensioned such that it can be immersed between the crank arms 17 and 18 of the crankshaft 2 during its movement.
  • the beam-like component 14 is provided with four sliding shoes 22 which are articulated to the upper part of the component and which are supported on guide surfaces 23 in the machine housing 3 (FIG. 3).
  • the sliding shoes 22 guide the component 14 during its movement in the housing 3 and transmit lateral forces of the movable system "working piston 8, piston rod 12, beam-like component 14" to the guide surfaces 23 of the machine housing.
  • the center M of the circular arc 15 is - as can be seen from FIG. 1 by the radius R shown - on the vertical axis 12 'of the piston rod 12.
  • the distance L between the center M and the axis of the crank pin 20 and the bore diameter B of the cylinder insert 5 are shown in FIG. 1.
  • auxiliary guide bearings 25 which also abut the guide surfaces 23 of the housing 3.
  • the auxiliary guide bearings 25 come into effect when the piston 8 has been removed with the piston rod 12 and the internal combustion engine is to continue to be operated with the remaining pistons. They then support the beam-like component 14.
  • auxiliary guide bearings 25 can also be arranged on the component 14 above the sliding shoes 22. Furthermore, it is possible to link the sliding shoes 22 to the component 14 more deeply than shown in FIG. 1.
  • a further deviation from the described embodiment can consist in that instead of the lateral clasping of the flange 14 ′ by the sliding block 16, a sliding path parallel to the sliding path 15 is provided, which runs below the crank pin 20 and on which the sliding block 16 rests with its underside. The additional slideway is then firmly connected to this component via webs attached to the ends of the beam-like component.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Brennkraftmaschinen dieser Art haben gewöhnlich mindestens einen in einem Gehäuse befindlichen Zylinder, in dem ein Kolben beweglich geführt ist, der eine Kolbenstange aufweist, die über eine Kraftübertragungsvorrichtung mit einer im Gehäuse gelagerten Kurbelwelle in Wirkungsverbindung steht.
  • Bei bisherigen Brennkraftmaschinen dieser Art besteht die Kraftübertragungsvorrichtung aus einem mit der Kolbenstange verbundenen Kreuzkopf und einer mit dem Kreuzkopf und einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle jeweils gelenkig verbundenen Schubstange. Diese Konstruktion lässt aus Platzgründen nur eine bestimmte minimale Schubstangenlänge zu, die direkt die Bauhöhe der Brennkraftmaschine bestimmt. Diese Höhe ist verhältnismässig gross und sie ist nachteilig, da sie die Höhe des Raumes beeinflusst, in dem die Brennkraftmaschine aufgestellt wird, sei es auf einem Schiff, wenn die Maschine als Antrieb für das Schiff dient, oder sei es in einem Kraftwerksgebäude, wenn die Maschine zum Antreiben von elektrischen Generatoren dient.
  • US-4 584 972 offenbart eine für eine Brennkraftmaschine vorgesehene gelenklose Verbindung zwischen einem Kolben und dem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle, wobei der Kurbelzapfen eine zwangsgeführte Gleitbewegung längs einer gekrümmten, bezüglich der Mittelachse des Kolbens asymmetrischen und starr mit dem Kolben verbundenen Gleitbahn ausführen kann. Die konkave Seite der Gleitbahn ist der Kurbelwelle zugewandt, der Mittelpunkt eines Krümmungskreises, der an die Gleitbahn angepasst ist, liegt exzentrisch, d. h. in einem bestimmten Abstand zur Mittelachse des Kolbens.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln ihre Bauhöhe verkleinert und das Betriebsverhalten optimiert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Vorrichtung mit den Kennzeichen des Anspruchs 1. Die übrigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Durch diese Konstruktion der Kraftübertragungsvorrichtung entfällt die bisher notwendige Schubstange mit ihren gelenkigen Verbindungen am Kurbelzapfen und am Kreuzkopf. Durch den Wegfall der Schubstange wird die Bauhöhe der Brennkraftmaschine um ca. 50 % des Kolbenhubes verringert, was sich besonders vorteilhaft auf die Raumhöhe am Aufstellungsort der Brennkraftmaschine auswirkt. Weiter ist es möglich, durch freie Wahl des Radius der Gleitbahn das Verhältnis von Zylinderbohrung zu der Grösse des Abstandes zwischen dem Mittelpunkt des Radius und dem Mittelpunkt des Kurbelzapfens zu variieren, ohne dass dadurch die Bauhöhe der Brennkraftmaschine vergrössert wird. Schliesslich kann durch freie Wahl des Radius der Gleitbahn das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden, und zwar indem mit kleiner werdendem Radius, d.h. Erhöhung des Nutzhubes, der Brennstoffverbrauch reduziert werden kann und indem mit grösser werdendem Radius die Momente zweiter Ordnung verringert werden können.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch einen Vertikalschnitt durch eine Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine,
    Fig. 2
    einen Querschnitt durch den balkenartigen Bauteil in der tiefsten Stellung des Kurbelzapfens und
    Fig. 3
    einen Horizontalschnitt entsprechend der Linie III-III in Fig. 1.
  • Gemäss Fig. 1 weist die langsamlaufende ZweitaktHubkolbenbrennkraftmaschine der Dieselbauart eine Grundplatte 1 auf, in der eine Kurbelwelle 2 drehbar gelagert ist. Auf der Grundplatte 1 ruht ein Maschinengehäuse 3, das in üblicher Weise aus in Richtung der Kurbelwelle hintereinander angeordneten Ständern zusammengesetzt ist. Auf das Maschinengehäuse 3 ist ein Zylinderblock 4 aufgesetzt, in dem ein Zylindereinsatz 5 angeordnet ist, der mit seinem oberen Abschnitt aus dem Zylinderblock 4 herausragt. Der Zylindereinsatz 5 wird in Fig. 1 nach oben durch einen Zylinderdeckel 6 abgeschlossen, der über mehrere Dehnbolzen 7 mit dem Zylinderblock 4 verbunden ist. Im Zylindereinsatz 5 ist ein Arbeitskolben 8 auf und ab beweglich geführt, wobei zwischen der Oberseite des Kolbens 8 und dem Zylinderdeckel 6 ein Brennraum 8' gebildet ist. Innerhalb des Zylinderblocks 4 ist ein Spülraum 9 gebildet, dem aus einem Spülluft-Receiver 10, der ebenfalls auf dem Maschinengehäuse 3 aufgesetzt ist, Spülluft zuströmt. Im Bereich des Spülraums 9 weist der Zylindereinsatz 5 über seinen Umfang verteilte Schlitze 11 auf, über die Spülluft aus dem Raum 9 in den Zylindereinsatz 5 strömt, wenn der Arbeitskolben 8 sich im Bereich des unteren Totpunktes bewegt, d.h. die Kolbenoberseite befindet sich unterhalb der Schlitze 11. Im Zentrum des Zylinderdeckels 6 ist ein nicht näher dargestelltes Auslassventil angeordnet; die Brennkraftmaschine arbeitet also mit Längsspülung. Ausserdem sind im Zylinderdeckel 6 mehrere Einspritzventile vorgesehen, über die Brennstoff unter hohem Druck in den Brennraum 8' gelangt, wenn sich der Arbeitskolben 8 im Bereich des oberen Totpunktes bewegt. Je nach der Anzahl der Zylinder, die die Maschine aufweist, sind mehrere Zylinderblöcke 4 hintereinander auf dem Gehäuse 3 angeordnet.
  • Der Arbeitskolben 8 ist mit einer Kolbenstange 12 verbunden, die sich in Fig. 1 nach unten in das Maschinengehäuse 3 hinein erstreckt. Am Uebergang vom Zylinderblock 4 zum Maschinengehäuse 3 ist die Kolbenstange 12 von einer Stopfbuchse 13 umgeben, die einen Uebertritt von Spülluft aus dem Spülraum 9 in den vom Maschinengehäuse umschlossenen Raum verhindert. Das untere Ende der Kolbenstange 12 ist in nicht näher dargestellter Weise mit einem balkenartigen Bauteil 14 verschraubt, der sich quer zur Kurbelwelle 2 erstreckt. Auf seiner der Kurbelwelle zugewendeten Unterseite bildet der Bauteil 14 einen Flansch 14' (Fig. 2), der auf seiner Aussenseite eine gegen die Kurbelwelle gewölbte Gleitbahn 15 in Kreisbogenform bildet. An dieser Gleitbahn 15 liegt ein Gleitstein 16 an, der auf einem Kurbelzapfen 20 der Kurbelwelle 2 gelagert und etwa auf der Höhe der Mittelachse dieses Zapfens geteilt ausgebildet ist.
  • Wie Fig. 2 zeigt, umklammert der Gleitstein 16 den Flansch 14' auf dessen beiden Seiten. Die Breite des Bauteils 14 ist so dimensioniert, dass er während seiner Bewegung zwischen den Kurbelwangen 17 und 18 der Kurbelwelle 2 eintauchen kann. Der balkenartige Bauteil 14 ist mit vier Gleitschuhen 22 versehen, die im oberen Bereich des Bauteils an diesem angelenkt sind und die sich an Führungsflächen 23 im Maschinengehäuse 3 abstützen (Fig. 3). Die Gleitschuhe 22 führen den Bauteil 14 während seiner Bewegung im Gehäuse 3 und übertragen Seitenkräfte des beweglichen Systems "Arbeitskolben 8, Kolbenstange 12, balkenartiger Bauteil 14" auf die Führungsflächen 23 des Maschinengehäuses.
  • Der Mittelpunkt M des Kreisbogens 15 liegt - wie sich aus Fig. 1 durch den eingezeichneten Radius R ergibt - auf der vertikalen Achse 12' der Kolbenstange 12. Ausserdem sind in Fig. 1 der Abstand L zwischen dem Mittelpunkt M und der Achse des Kurbelzapfens 20 sowie der Bohrungsdurchmesser B des Zylindereinsatzes 5 eingezeichnet. Durch Variation des Radius R und damit der Krümmung der Gleitbahn 15 kann das Verhältnis von B/L verändert werden, ohne dass sich deswegen die Bauhöhe der Brennkraftmaschine ändert. Wie schon erwähnt kann durch Verkleinern des Radius R der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verringert werden. Eine Vergrösserung des Radius R verringert die Momente zweiter Ordnung, die bei sehr grossem Radius auch zu Null werden können.
  • In der in Fig. 1 gezeichneten Stellung des Arbeitskolbens 8 befindet sich dieser kurz unterhalb des oberen Totpunktes und nach der Zündung des in den Brennraum 8' eingespritzten Brennstoffs. Die dabei im Brennraum entstehende Druckkraft wird vom Kolben 8 über die Kolbenstange 12 und den Bauteil 14 auf den Gleitstein 16 übertragen, wobei sich die Kurbelwelle 2 im Uhrzeigersinn dreht. Bei dieser Bewegung wandert der Gleitstein 16 auf der Gleitbahn 15 in Fig. 1 nach rechts, bis der Mittelpunkt des Kurbelzapfens 20 des äussersten rechten Punktes des mit dem Durchmesser H bezeichneten Kreises erreicht hat. Der Durchmesser H ist gleich dem Hub des Kolbens 12. Beim anschliessenden Weiterdrehen der Kurbelwelle 2 verschiebt sich der Gleitstein 16 auf der Gleitbahn 15 nach links, bis zum äussersten linken Punkt des Kreises H, wobei er den unteren Totpunkt durchlaufen hat. Vom äussersten linken Punkt des Kreises H aus verschiebt sich der Gleitstein 16 dann nach rechts und durchläuft dabei den oberen Totpunkt.
  • In Fig. 1 unterhalb der Gleitschuhe 22 sind am balkenartigen Bauteil 14 noch Hilfsführungslager 25 angebracht, die ebenfalls an den Führungsflächen 23 des Gehäuses 3 anliegen. Die Hilfsführungslager 25 kommen zur Wirkung, wenn der Kolben 8 mit der Kolbenstange 12 ausgebaut worden ist und die Brennkraftmaschine mit den übrigen Kolben weiter betrieben werden soll. Sie stützen dann den balkenartigen Bauteil 14.
  • Abweichend von der beschriebenen Ausführungsform können die Hilfsführungslager 25 auch oberhalb der Gleitschuhe 22 am Bauteil 14 angeordnet sein. Ferner ist es möglich, die Gleitschuhe 22 tiefer als in Fig. 1 gezeichnet am Bauteil 14 anzulenken.
  • Eine weitere Abweichung von der beschriebenen Ausführungsform kann darin bestehen, dass anstelle der seitlichen Umklammerung des Flansches 14' durch den Gleitstein 16 eine zur Gleitbahn 15 parallele Gleitbahn vorgesehen wird, die unterhalb des Kurbelzapfens 20 verläuft und auf der der Gleitstein 16 mit seiner Unterseite anliegt. Die zusätzliche Gleitbahn ist dann über an den Enden des balkenartigen Bauteils angebrachte Stege mit diesem Bauteil fest verbunden.

Claims (5)

  1. Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einem in einem Gehäuse (10, 3) befindlichen Zylinder (5), in dem ein Kolben (8) beweglich geführt ist, der eine Kolbenstange (12) aufweist, die über eine Kraftübertragungsvorrichtung mit einer im Gehäuse gelagerten Kurbelwelle (2) in Wirkungsverbindung steht, wobei die Kraftübertragungsvorrichtung aus einem mit der Kolbenstange (12) verbundenen, balkenartigen, sich quer zur Kurbelwelle (2) erstreckenden sowie eine Gleitbahn (15) aufweisenden Bauteil (14) und einem auf einem Kurbelzapfen (20) der Kurbelwelle gelagerten, an der Gleitbahn anliegenden Gleitstein (16) besteht und dass der balkenartige Bauteil an im Gehäuse vorhandenen Führungsflächen (22, 23) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitbahn konvex gegen die Kurbelwelle gewölbt ist und die Form eines Kreisbogens hat, der Mittelpunkt (M) dieses Kreisbogens auf der Längsachse (12') der Kolbenstange (12) liegt.
  2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am balkenartigen Bauteil (14) Gleitschuhe (22) angelenkt sind, die sich an den Führungsflächen (23) abstützen.
  3. Maschine nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der balkenartige Bauteil (14) so dimensioniert ist, dass er während seiner Bewegung zwischen den Wangen (17, 18) des Kurbelzapfens (20) eintauchen kann.
  4. Maschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der balkenartige Bauteil (14) im Bereich der Gleitbahn (15) einen Flansch (14') bildet, den der Gleitstein (16) seitlich umklammert.
  5. Maschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass am balkenartigen Bauteil (14) Hilfsführungslager (25) angeordnet sind, die sich an den Führungsflächen (23) abstützen.
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EP0613995A1 EP0613995A1 (de) 1994-09-07
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