NL1009211C2

NL1009211C2 - Kruk-drijfstangmechanisme.

Info

Publication number: NL1009211C2
Application number: NL1009211A
Authority: NL
Inventors: Lambertus Hendrik De Gooijer
Original assignee: L H De Gooijer Holding B V
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 1999-11-22
Also published as: DE69900821T2; BR9911521A; CN1117935C; EP1080320A1; KR100585037B1; JP2002517679A; US6349684B1; EP1080320B1; KR20010043632A; CN1301332A; WO1999063247A1; DE69900821D1; CA2332583A1; AU4063999A

Description

Kruk-drij fstangmechanisme

De uitvinding heeft betrekking op een kruk-drijf-stangmechanisme voor een verbrandingsmotor of dergelijke.

De huidige krukas zoals in alle standaard zuigermo-toren wordt gebruikt, is reeds tientallen jaren oud en qua 5 principe onveranderd gebleven. Alhoewel door steeds verdere verfijningen een zeer betrouwbaar en probleemloos krukmecha-nisme is verschaft, veroorzaakt het mechanisme ook duidelijke beperkingen.

De onderhavige uitvinding beoogt thans een kruk-10 drijfstangmechanisme te verschaffen dat verrassende nieuwe mogelijkheden biedt.

Hiertoe verschaft de onderhavige uitvinding een kruk-drijfstangmechanisme voor een verbrandingsmotor of dergelijke, voorzien van een om zijn hartlijn draaiende as, 15 een vast met de as verbonden eerste kruk, een vast met de eerste kruk verbonden eerste kruktap, die evenwijdig aan doch op een eerste radiale afstand tot de as verloopt, een roteerbaar op de eerste kruktap aangebrachte tweede kruk met een verdraaivast verbonden tweede kruktap met een hartlijn 20 op een tweede radiale afstand van de hartlijn van de eerste kruktap, een verdraaibaar op de tweede kruktap gemonteerde drijfstang, alsmede draaimiddelen voor het opleggen van een verdraaiing van de tweede kruk ten opzichte van de eerste kruk bij draaiing van de as.

25 Door de toevoeging van een extra kruk met draaimid delen die de verdraaiing van de tweede kruk ten opzichte van de eerste kruk bepalen, zijn bij bepaalde toepassingen grote voordelen te behalen.

Bijvoorbeeld in het geval van twee-taktmotoren is 30 het gunstig indien de draaimiddelen zodanig zijn ingericht dat de tweede kruk dezelfde, doch tegengestelde draaisnelheid heeft als de eerste kruk, waarbij dan bij voorkeur de eerste radiale afstand gelijk is aan de tweede radiale afstand.

1009211 2 , Met een dergelijk kruk-drijfstangmechanisme wordt bereikt dat de drijfstang recht op en neer beweegt, doordat ' beide tegengesteld draaiende kruktappen eikaars bewegingen 1 in een richting loodrecht op de drijfstang opheffen en in de 5 richting van de drijfstang juist versterken. De drijfstang kan dus lineair worden gelagerd. Dit biedt vele voordelen. Allereerst treden door de recht op en neer gaande beweging van de drijfstang niet of nauwelijks dwarskrachten op tussen de zuiger en de cilinderwand (de zogenaamde leibaankrach-- 10 ten). De kans op vastlopende zuigers en de wrijving tussen 2 zuiger- en cilinderwand worden hierdoor verminderd. Voorts r zou als gevolg hiervan de afdichting tussen zuiger en cilinderwand door een nauwe passing kunnen worden verzorgd in plaats van door een zuigerveer, hetgeen de smeringsbe-15 hoefte vermindert. Het mechanisme is tevens per cilinder volledig te balanceren, waardoor ook bij een ééncilindemotor een trillingsarme loop mogelijk is. De constructie maakt een eenvoudig aanzuigmembraan mogelijk, waarbij het zogenaamde "valse volume" (tussen membraan en onderkant van de 20 zuiger) tot een minimum beperkt kan blijven, waardoor de aanzuiging en vulling wordt verbeterd. Verder geeft een niet zijwaarts uitslaande drijfstang meer vrijheid voor een lange slag van de zuiger, waarbij de poortconstructie geoptimaliseerd kan worden. Het aanzuigvolume is beïnvloedbaar met de 25 keuze van diameter van de drijfstang, waardoor de compres-sie/expansieverhouding te bepalen is. Tot slot is de constructie zeer gunstig voor een boxer-opstelling, waarbij aan beide zijden van dezelfde drijfstang een zuiger kan worden gemonteerd.

30 Een andere mogelijkheid die het kruk-drijfstang mechanisme volgens de onderhavige uitvinding biedt is de instelbaarheid van de compressieverhouding, hetgeen in het bijzonder bij viertaktmotoren van belang kan zijn. Een dergelijke instelbaarheid is te bereiken door in de bovenste | 35 dode stand de tweede kruk ten opzichte van de eerste kruk te verdraaien, waardoor de recht op en neergaande beweging van de tweede kruktap kan worden gewijzigd in een meer of minder i η η o p 1 1 3 schuin lopende beweging van de tweede kruktap. Dit resulteert in een verandering van de positie van het onderste en bovenste dode punt (ODP en BDP). De hoogste BDP-stand zal worden benut in de lagere deellastgebieden van de draaiende 5 verbrandingsmotor, waardoor de eindcompressie ondanks de lage aanzuigdruk toch op het juiste niveau kan komen. In de middelste deellastgebieden tot aan atmosferische aanzuiging zal het BDP zover moeten worden verlaagd dat een normale compressieverhouding wordt bereikt.

10 Een verstelling van de kruktappen ten opzichte van elkaar is gemakkelijk te bewerkstelligen indien de genoemde draaimiddelen uit ten minste twee delen bestaan, waarvan een eerste deel verdraaibaar op de tweede as is gemonteerd en verdraaivast met de tweede kruk is verbonden, en een tweede 15 deel dat in ingrijping met het eerste deel en verstelbaar is ten opzichte van het carter. In een praktische uitvoering daarvan is het eerste deel uitgevoerd als tandwiel en het tweede deel als ringtandwiel met inwendige vertanding, waarmede het eerste tandwiel in ingrijping is. Het ringtand-20 wiel kan dan tijdens de werking van het kruk-drijfstang-mechanisme over een hoek worden versteld bij overgang naar een ander belastingsgebied voor het aanpassen van de beweging van de tweede kruktap en derhalve het aanpassen van het onderste en bovenste dode punt.

25 Een verdere interessante toepassing van het kruk- drij fstangmechanisme is bij een viertaktmotor voor het bereiken van een verschillende expansie- en compressieslag. Dit is bijvoorbeeld te bereiken wanneer de draaimiddelen zodanig zijn ingericht dat de tweede kruk de halve, doch 30 tegengestelde draaisnelheid heeft in vergelijking met de eerste kruk. Een complete draaicyclus duurt dan twee slagen van de eerste kruk en de verhouding van de expansieslag ten opzichte van de compressieslag kan dan worden bepaald door de keuze van de eerste en tweede radiale afstand. Op deze 35 wijze kan een lange expansieslag worden bereikt, teneinde zoveel mogelijk expansie-energie te benutten en de druk bij het openen van de uitlaatklep zo laag mogelijk te laten 1009211 4 zijn. Deze toepassing kan uiteraard worden gecombineerd met de verstelling van de compressieverhouding zoals hiervoor is beschreven.

; Uiteraard zijn nog meer toepassingen denkbaar.

5 De uitvinding zal hierna verder worden toegelicht aan de hand van de tekeningen, die uitvoeringsvoorbeelden van het kruk-drijfstangmechanisme volgens de uitvinding weergeven.

Fig. 1 is een perspectivisch explosie-aanzicht van Ü 10 een aantal onderdelen van een eerste uitvoeringsvoorbeeld van het kruk-drijfstangmechanisme volgens de uitvinding in 1angsdoorsnede.

Fig. 2 is een langsdoorsnede van de onderdelen van fig. ï.

15 Fig. 3 is een perspectivisch explosie-aanzicht van een kruk-drijfstangmechanisme volgens het principe van fig.

1 en 2.

Fig. 4a-i tonen in zijaanzicht het kruk-drijfstangmechanisme van fig. 3 in negen standen tijdens één omwente-20 ling van de krukas.

Fig. 5a-i tonen met fig. 4a-i vergelijkbare aanzichten van een verder uitvoeringsvoorbeeld van het kruk-drij f stangmechanisme volgens de uitvinding in negen standen tijdens twee omwentelingen van de krukas.

25 Fig. 6a-d tonen het kruk-drijfstangmechanisme van fig. 5 in vier verschillende standen, terwijl het ringtand-wiel daarvan enigszins is verdraaid.

Fig. 1 en 2 tonen het principe van het kruk-drijf-- ! stangmechanisme volgens de uitvinding in zeer schematische 30 vorm. Het mechanisme is voorzien van een as 1 die roteerbaar is gelagerd in niet weergegeven lagers en daarbij om zijn hartlijn kan draaien. Aan deze as 1 is een eerste kruk 2 gevormd die in dit geval is uitgevoerd als een concentrische schijf, die excentrisch een eerste kruktap 3 draagt die 35 evenwijdig aan de as 1 verloopt, doch vanaf de andere zijde van de eerste kruk 2 uitsteekt. De hartlijn van de eerste < O Λ g 2 1 1 5 kruktap 3 ligt op een radiale afstand Rx van de hartlijn van de as 1.

Op de eerste kruktap 3 is met behulp van een niet weergegeven lager een tweede kruk 4 verdraaibaar aange-5 bracht, waarbij het om de eerste kruktap 3 passende gat 5 in de tweede kruk 4 excentrisch ten opzichte van de tweede kruk 4 is aangebracht. Aan de tweede kruk 4 is een tweede kruktap 6 gevormd, die in dit geval niet te onderscheiden valt doordat deze samenvalt met de tweede kruk. Een lager 11 van 10 een drijfstang 12 (zie fig. 3) is namelijk om de tweede kruk 4 gelagerd en derhalve gaat de hartlijn van de tweede kruk 4 als hartlijn van de tweede kruktap 6 fungeren. De hartlijn van de tweede kruktap 6 ligt op een afstand R2 van de hartlijn van de eerste kruktap 3.

15 Volgens de uitvinding dient de tweede kruk 4 op een gecontroleerde wijze om de eerste kruktap 3 te draaien en hiertoe zijn draaimiddelen 7 aangebracht die in dit geval zijn voorzien van een verdraaivast met de tweede kruk 4 verbonden tandwiel 8 en een al dan niet verdraaibaar met het 20 carter van het kruk-drijfstangmechanisme verbonden ringtand-wiel 9. In het weergegeven geval is het tandwiel 8 op de eerste kruktap 3 gelagerd tussen de eerste kruk 2 en de tweede kruk 4 voor het verkrijgen van een compacte constructie. Het tandwiel 8 is uitgevoerd met een contragewicht 10 25 voor het balanceren van het mechanisme.

De ingrijping tussen het tandwiel 8 en het ring-tandwiel 9 en de plaatsing van het tandwiel 8 op de eerste kruktap 3 zorgen ervoor dat bij draaiing van de as 1 en derhalve een omlopende beweging van de eerste kruktap 3 het 30 tandwiel 8 over het ringtandwiel 9 wordt afgerold en daarbij tegengesteld wordt gedraaid aan de draairichting van de as 1, zodat de met het tandwiel 8 verbonden tweede kruk 4 enerzijds de beweging van de eerste kruktap 3 volgt, daarbovenop echter een tegengestelde draaiing uitvoert. Door de 35 keuze van de radiale afstanden Rx en R2 en een straal R3 van het tandwiel 8 en voorts de beginhoekstand van de tweede kruktap 6 ten opzichte van de eerste kruktap 3 kunnen 1 00 92 1 1 6 verschillende bewegingen van de tweede kruktap 6, respectievelijk van de daarop gelagerde drijfstang 12 worden bewerkstelligd.

In het weergegeven geval geldt R1=R2=R3. Dit houdt 5 in dat de draaisnelheid van de tweede kruk 4 op de eerste kruktap 3 gelijk, doch tegengesteld is aan de draaisnelheid van de as 1, terwijl, in de weergegeven stand, elke horizontale beweging van de eerste kruktap 3 wordt gecompenseerd door de tegengestelde horizontale beweging van de tweede 10 kruktap 6, zodat de tweede kruktap 6 wel een draaibeweging uitvoert, doch daarbij rechtstandig op- en neer beweegt.

Fig. 3 en 4 tonen schematisch een praktische uitvoering van een een verbrandingsmotor met een dergelijk kruk-drijfstangmechanisme van in dit geval een ééncilinder-15 motor. Een aantal van de onderdelen van fig. 1 en 2 zijn daarin dubbel uitgevoerd aan weerszijden van de tweede kruk 4. Uit deze tekeningen blijken ook de grote voordelen van de uitvoering van de tweede kruk 4 als tweede kruktap 6, doordat nu de krukas kan doorlopen en niet behoeft te worden 20 gedeeld, terwijl dit tevens een zeer compacte constructie tot gevolg heeft. Alleen het lager 11 van de drijfstang 12 heeft een relatief grote diameter.

De fig. 4a-i tonen de werking van het kruk-drijf-stangmechanisme, waarbij duidelijk is te herkennen dat het 25 tandwiel met het contragewicht 10 met dezelfde draaisnelheid in tegengestelde richting aan de eerste kruk 2 draait en door dezelfde radiale afstanden Rx en R2 de drijfstang 12 een zuiver verticale beweging uitvoert met een slag die gelijk is aan Rx + R2. In de beschrijvingsinleiding is reeds aange-30 geven tot welke voordelen dit kan leiden, in het bijzonder bij een tweetaktmotor.

Opgemerkt wordt dat de rechtstandige beweging van de drijfstang 12 ook met andere draaimiddelen dan het tandwiel 8 en het ringtandwiel 9 kan worden bewerkstelligd. 35 Zo zou het bijvoorbeeld mogelijk kunnen zijn de drijfstang j 12 of het lager 11 met een rechtgeleiding uit te voeren, die verhindert dat de drijfstang 12 een zijdelingse of horizon- 1009211 7 tale beweging uitvoert. Op deze wijze wordt de tweede kruk 4 door de drijfstang 12 zelf in een verticale baan gedwongen en met een vaste verdraaiing ten opzichte van de eerste kruktap 3 verdraaid. Uiteraard zijn nog verdere draaimidde-5 len denkbaar.

Fig. 5 en 6 tonen een tweede uitvoeringsvoorbeeld van het kruk-drijfstangmechanisme volgens de uitvinding, waarbij in hoofdzaak dezelfde onderdelen als in het eerste uitvoeringsvoorbeeld volgens de fig. 1-4 worden toegepast, 10 doch de verhoudingen en posities van onderdelen anders zijn gekozen. Zo is in dit uitvoeringsvoorbeeld de diameter R3 van het tandwiel 8 tweemaal zo groot als de radiale afstand Rx van de eerste kruktap 3, waardoor de draaisnelheid van de tweede kruk 4 de helft bedraagt van de draaisnelheid van de 15 eerste kruk 2. Dit heeft een geheel andere beweging van de tweede kruktap 6 tot gevolg in vergelijking met die van het eerste uitvoeringsvoorbeeld. Allereerst wordt de horizontale beweging van de eerste kruktap 3 niet meer gecompenseerd, zodat de drijfstang 12 niet meer verticaal op en neer kan 20 bewegen en derhalve gebruik moet worden gemaakt van een conventionele drijfstang 12. Voorts is bijvoorbeeld in fig.

5a te zien, dat indien de eerste kruktap 3 zich in zijn bovenste stand bevindt, de tweede kruktap 6 zich niet in zijn bovenste, doch in zijn middelste stand bevindt, zodat 25 zij over 90° ten opzichte van elkaar zijn verzet in deze bovenste stand. De tweede radiale afstand R2 van de tweede kruktap 6 kan in dit geval ook anders zijn dan de eerste radiale afstand Rx (door het wegvallen van de noodzaak tot horizontale compensatie) en kan worden gekozen voor het 30 bepalen van de verhouding van de slag die de zuiger 13 uitvoert tijdens twee opvolgende slagen. Door de halve snelheid van de tweede kruk 4 zal de tweede kruk 4 slechts een halve omwenteling maken bij een hele omwenteling van de eerste kruk 2, waardoor een volledige cyclus van het kruk-35 drijfstangmechanisme pas na twee omwentelingen van de eerste kruk 2 zal zijn doorlopen. In het weergegeven geval is de eerste slag van de zuiger 13 gelijk is aan 2 x Rx + R2 (de 1009211 8 verplaatsing van de zuiger 13 tussen de standen volgens fig. 5a en 5c, of 5c en 5e), terwijl de tweede slag gelijk is aan 2 x Rx - R2 (de verplaatsing van de zuiger 13 tussen de standen volgens fig. 5e en 5g, of 5g en 5i).

5 Zoals in het voorgaande reeds is beschreven, kan een dergelijke uitvoering van het kruk-drijfstangmechanisme volgens de uitvinding worden benut bij een viertaktmotor met verschillende compressie- en expansieslag, teneinde de expansieslag beter te kunnen benutten.

10 Fig. 6 toont dezelfde constructie als fig. 5, doch in dit geval is het ringtandwiel 9 over een hoek (in dit geval 11°) rechtsom verdraaid ten opzichte van de symmetrische stand volgens fig. 5, welke hoekverdraaiing is te zien aan de stand van een punt 14 op het ringtandwiel 9. In dit 15 geval is in de bovenste stand van de eerste kruktap 3 (fig. 6a) de tweede kruktap 6 niet in zijn middelste stand gepositioneerd en in de stand volgens fig. 6a, die de uiterste compressiestand weergeeft, is de stand van de zuiger 13 lager dan de stand volgens fig. 5a, waardoor de eindcompres-20 sie lager wordt. Door een verdraaiing van het ringtandwiel 9 kan derhalve voor een lagere eindcompressie in vollast i .j situaties of bij gebruik van vuldruk worden gekozen (of bij een verdraaiing in de andere richting voor een hogere eindcompressie). De ligging van het bovenste dode punt aan 25 het eind van de uitlaatslag (fig. 6c) is ten opzichte van de stand volgens fig. 5e met een zelfde waarde verhoogd als de verlaging van de ligging van het bovenste dode punt aan het eind van de compressieslag. Ook het onderste dode punt aan het eind van de expansieslag en de inlaatslag komt anders te 30 liggen, doch door de bijna verticale stand van de tweede kruktap 6 in het onderste dode punt zal een hoekverdraaiing van de tweede kruktap 6 rond die stand een minder grote invloed op de ligging van het onderste dode punt hebben.

Het zal duidelijk zijn dat een verdraaiing van het 35 ringtandwiel 9 tijdens de werking van de verbrandingsmotor f een aanpassing van de motorkarakteristiek zal kunnen bewerk- j; stelligen, zodat een elektronische besturing van de ver- ϋϋ'·3ΙΙ !Z 1 00 92 1 1 9 draaiing van het ringtandwiel 9 kan leiden tot een optimale werking van de verbrandingsmotor in afhankelijkheid van de bepaalde belastingsituatie op dat moment.

Uit het voorgaande zal duidelijk zijn dat de 5 uitvinding een kruk-drijfstangmechanisme verschaft, dat verrassende nieuwe mogelijkheden voor optimalisatie van de werking van een zuigermotor of andere machine verschaft zonder gecompliceerde ingrepen.

De uitvinding is niet beperkt tot de in de tekening 10 weergegeven en in het voorgaande beschreven uitvoeringsvoor-beelden die op verschillende manieren binnen het kader van de uitvinding kunnen worden gevarieerd. Zo is de uitvinding ook toepasbaar op krukmechanismen in andere machines, zoals compressoren of andere machines waarin een rechtlijnige in 15 een roterende beweging wordt omgezet, of andersom. Uiteraard omvat de uitvinding op het gebied van zuigermotoren ook meercilindermotoren in verschillende soorten opstellingen.

1009211

Claims

1. Kruk-drijfstangmechanisme voor een verbrandingsmotor of dergelijke, voorzien van een om zijn hartlijn draaiende as, een vast met de as verbonden eerste kruk, een vast met de eerste kruk verbonden eerste kruktap, die 5 evenwijdig aan doch op een eerste radiale afstand tot de as verloopt, een roteerbaar op de eerste kruktap aangebrachte tweede kruk met een verdraaivast verbonden tweede kruktap met een hartlijn op een tweede radiale afstand van de hartlijn van de eerste kruktap, een verdraaibaar op de 10 tweede kruktap gemonteerde drijfstang, alsmede draaimiddelen voor het opleggen van een verdraaiing van de tweede kruk ten opzichte van de eerste kruk bij draaiing van de as.

2. Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie 1, waarbij de draaimiddelen zodanig zijn ingericht dat de 15 tweede kruk dezelfde, doch tegengestelde draaisnelheid heeft als de eerste kruk.

3. Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie 2, waarbij de eerste radiale afstand gelijk is aan de tweede radiale afstand. 20

4.Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie l, waarbij de draaimiddelen zodanig zijn ingericht dat de tweede kruk de halve, doch tegengestelde draaisnelheid heeft van de eerste kruk.

5. Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie 1, 25 waarbij de eerste radiale afstand gelijk is aan of afwijkt van de tweede radiale afstand.

6. Kruk-drijfstangmechanisme volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de genoemde draaimiddelen uit ten minste twee delen bestaan, waarvan een eerste deel 30 verdraaibaar op de tweede as is gemonteerd en verdraaivast met de tweede kruk is verbonden, en een tweede deel dat in ingrijping is met het eerste deel.

7. Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie 6, waarbij het eerste deel is uitgevoerd als tandwiel en het 4 1009211 tweede deel is uitgevoerd als ringtandwiel met inwendige vertanding, waarmede het eerste tandwiel in ingrijping is.

8. Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie 7, waarbij het ringtandwiel tijdens de werking van het kruk- 5 drijfstangmechanisme in hoofdzaak stationair wordt gehouden.

9. Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie 8, waarbij het ringtandwiel over een hoek verstelbaar is.

10. Kruk-drijfstangmechanisme volgens conclusie 7, waarbij het ringtandwiel tijdens de werking draaiend aan- 10 drijfbaar is.

11. Kruk-drijfstangmechanisme volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de tweede kruk zelf is uitgevoerd als tweede kruktap en de hartlijn van de tweede kruk de hartlijn van de tweede kruktap vormt en de drijf- 15 stang om de tweede kruk is gelagerd.

12. Kruk-drijfstangmechanisme volgens een der conclusies 7-11, waarbij het tandwiel is aangebracht op een schijf die is uitgevoerd als een contragewicht.

13. Zuigermotor uitgevoerd met een kruk-drijfstang- 20 mechanisme volgens een der voorgaande conclusies. 1OG 92 1 1