WO2010081456A1 - Vorrichtung zum verbinden eines kolbenelementes mit einer kurbelwelle einer kolbenmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum verbinden eines kolbenelementes mit einer kurbelwelle einer kolbenmaschine Download PDF

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WO2010081456A1
WO2010081456A1 PCT/DE2009/001825 DE2009001825W WO2010081456A1 WO 2010081456 A1 WO2010081456 A1 WO 2010081456A1 DE 2009001825 W DE2009001825 W DE 2009001825W WO 2010081456 A1 WO2010081456 A1 WO 2010081456A1
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crankshaft
piston
line
region
fastening
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Siegfried Meyer
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Siegfried Meyer Stiftung
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
    • F16C7/02—Constructions of connecting-rods with constant length
    • F16C7/026—Constructions of connecting-rods with constant length made of fibre reinforced resin
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
    • F16C7/02—Constructions of connecting-rods with constant length
    • F16C7/023—Constructions of connecting-rods with constant length for piston engines, pumps or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/22—Internal combustion engines

Definitions

  • the invention relates to a device for connecting a piston element with a crankshaft of a piston engine according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Piston machines known from practice are subdivided into working machines and power machines as well as into hydraulic piston machines and thermal piston machines, with incompressible media being used in hydraulic piston machines and compressible media being used in thermal piston machines.
  • a piston pump is a working machine or a hydraulic piston machine.
  • Steam engines and internal combustion engines represent power machines, which are also referred to as thermal piston machines.
  • Hydraulic motors are considered as power machines or as hydraulic piston machines, whereas piston compressors are referred to as working machines or as thermal piston machines.
  • linear movements of piston elements are converted into a rotational movement of a crankshaft about an axis of rotation or the rotational movement of the crankshaft into the linear movement of piston elements.
  • a device for connecting a piston element with a crankshaft of a piston engine which comprises a connecting element extending between two fastening devices or a connecting rod of a connecting rod.
  • the connecting rod is connected via a first fastening device in the region of a first connecting rod on a side facing away from a piston chamber of the piston engine side of the piston member with the piston member and the second attachment means in the region of a second connecting rod with the crankshaft.
  • connecting rods of conventional piston machines are formed straight, so that a midpoint of the connecting rod and the piston member connecting the first fastening means and a center of the connecting rod and the crankshaft connecting second fastening means are at top dead center of the piston member on a connecting line, which in turn congruent with a center connecting line of Pleuels or the piston element is.
  • Such embodiments are referred to below as Standardpleuel.
  • the pressure generated by the explosion in the combustion chamber acts at top dead center of the piston element initially only as a static force on the connecting rod, the crankshaft and the bearings of the crankshaft, whereby a substantial portion of the drive energy of an internal combustion engine at top dead center of the piston element is not available for the drive ,
  • EP 1 164 272 A1 discloses an internal combustion engine which has a cylinder with an inlet valve and an outlet valve, as well as an injection valve and a spark plug.
  • a piston element is provided, which is arranged linearly reciprocable in the cylinder and forth.
  • a connecting element is provided, which is connected in the region of its upper end with the piston and in the region of a lower end with the crankshaft.
  • the connecting element is J-shaped, so that in the top dead center of the piston element in the presence of a combustion chamber pressure in the crankshaft torque in the direction of rotation of the crankshaft and a resulting from an ignition of a fuel mixture driving force is better than used with a standard connecting rod internal combustion engines.
  • the disadvantage here is that due to the spaced in the region of the lower connecting rod to the center line of the piston element connecting the connecting rod to the crankshaft during rotation of the crankshaft, the connecting rod in the crankshaft journal causes a large space requirement, so that the connecting rod in conventionally executed Cylinders can not be used.
  • the increased space requirement of the connecting rod results from the protruding, J-shaped region, which collides with the cylinder inner wall during the rotation of the crankshaft, if the cylinder does not have a corresponding diameter.
  • This is a so-called J-connecting rod without design changes of a piston engine, which implement in this area of a piston engine only with great design effort. bar, can not be used in conventional reciprocating engines.
  • EP 1 424 484 A1 and EP 1 424 485 A1 devices for connecting a piston element to a crankshaft are known, in which the connecting element or the connecting rod which can be brought into operative connection with the piston element and the crankshaft Having a opposite to a rotational axis of the piston member at a so-called Verschränkungswinkel extending connecting rod.
  • the connecting element referred to below as an angle connecting rod
  • the connecting rod shank extends at a certain angle or a defined angle of intersection to the connecting line between the centers of the connecting rod end and the big end of the connecting rod.
  • the connecting rod shank is articulated laterally offset at the connecting rod end and / or big end.
  • connecting rod is achieved, for example, in an internal combustion engine that the resulting from the ignition in the combustion chamber driving force as in the use of a standard connecting rod also acts in the direction of the connecting rod shaft on a crank pin of the crankshaft.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for connecting a piston element to a crankshaft of a piston engine, in particular an internal combustion engine, by means of which the disadvantages occurring during operation of piston engines with standard connecting rods, J con rods or angle connecting rods can be reduced ,
  • the device according to the invention for connecting a piston element to a crankshaft of a piston engine, in particular an internal combustion engine comprises a connecting device extending between two fastening devices.
  • the connecting device is connected via the first fastening device on a piston raum of the piston machine side facing away from the piston member with the piston member and the second attachment means rotatably connected to the crankshaft.
  • the connecting device between the fastening devices has a cross-sectional profile such that a distance in the direction of rotation of the crankshaft between a main line of symmetry representing a main line of projection of a provided between the fasteners connecting element of the connecting device in the plane of rotation of the crankshaft and a center connecting line between the fastening devices at least in one of Crankshaft facing portion of the connecting element is smaller than a distance between the center line and a center of gravity of the cross sections of the connecting element connecting line of gravity.
  • the inventive design of a device for connecting a piston element with a crankshaft of a piston engine offers a simple way the ability to convert at least a portion of a pressure acting on the piston element pressure in the crankshaft as a acting in the direction of rotation of the crankshaft force component at least at top dead center of the piston element and already at top dead center of the piston element in the region of the crankshaft to generate a positive torque in the direction of rotation of the crankshaft.
  • a piston engine designed as an internal combustion engine for example, this offers the possibility of bringing the ignition timing or injection timing forward in time compared to conventionally designed internal combustion engines.
  • Another advantage resulting from the lower compression ratio compared to conventional internal combustion engines, is a lower ignition pressure at which the total combustion in the combustion chamber is softer and smoother and an improved burnout is achieved.
  • the above-described advantages of the device according to the invention can be achieved in reciprocating engines even if other measures to improve the efficiency in the field of engine control, compression, a combustion chamber shape, a fuel processing, a fuel supply and the like are provided.
  • the last-described measures for increasing the efficiency of a piston engine contribute in conjunction with the device according to the invention to further improve the efficiency of a reciprocating engine, as is optimized with the inventive device, the dynamic-geometric force introduction into a crankshaft journal of the crankshaft.
  • Test series have shown that with the device according to the invention carried out piston engines not only with an improved efficiency, ie with a lower consumption and a lower CO 2 ⁇ output related to the work produced operable, but that also a significantly lower output of unburned hydrocar- and carbon monoxide due to a better burnout is present.
  • the center of gravity line in one of the first attachment means facing region of the connecting device is arranged with respect to the rotational direction of the crankshaft in front of the main line and cuts the main line in a second attachment means facing portion of the connecting element in the direction of rotation of the crankshaft, thus in the region of the first fastening device between the connecting device and the piston element, the force acting on the piston element can be introduced as directly and centrally as possible into the solid and supporting part of the connecting device or the connecting element.
  • the center of gravity line is behind the main line of extension with respect to the direction of rotation.
  • the material distribution is selected such that the center of gravity of the cross section of the connecting device in the region of the second fastening device in the rotational direction of the crankshaft is spaced as far as possible from the center connecting line of the two fastening devices.
  • the distance increases between the center of gravity line and the main extension line, starting from the first fastening device in the direction of the second fastening device, at least regionally in the direction of a maximum, in order to make the force component acting in the direction of rotation of the crankshaft available to the desired extent set, wherein the maximum of the distance to achieve the force component as close as possible to the crank pin of the crankshaft to which the second fastening device is connected, should be present.
  • connection device can be formed in the region of the connection element with at least one hollow bore extending at least approximately with the orientation of the main extension line. wherein the hollow bore can be arranged along the main extension line or in the direction of rotation of the crankshaft in front of the main extension line.
  • the cross-sections of the connecting element are asymmetrically executable biaxially in each case in the top dead center of the piston member perpendicular to a direction of movement of the piston member perpendicular cross-sectional planes in order to take into account a space requirement of crankshaft counterweights.
  • the connecting device is formed with at least one substantially extending between the fastening means groove which is formed extending from the first fastening means in the direction of the second fastening means with respect to the rotational direction of the crankshaft in front of the centroid line and the center of gravity in a region facing the second fastening device in the direction of rotation of the crankshaft at a preferably acute angle intersects.
  • the force flow between the two fastening devices is redirected from the piston element in the direction of the crankshaft in such a way that at least at top dead center of the piston element at least part of the pressure force acting on the piston element in the region of the crankshaft as one in the direction of rotation of the crankshaft acting force component is converted.
  • the second fastening device is designed with a split lower connecting rod eye, the connecting rod eye via a relation to the direction of rotation of the crankshaft front screw and a rear screw connected and the front screw opposite the pivoted rear screw.
  • the distance between the main extension line and the center of gravity line is further increased, at least in the region facing the second fastening device, if the connecting device is formed at least in the crankshaft facing areas with holes which are arranged at least approximately perpendicular to the plane of rotation of the crankshaft.
  • the bores advantageously hinder the outflow of the force guided via the connecting device into a rear region of the connecting element with respect to the direction of rotation of the crankshaft.
  • the fastening devices and the Connecting device of a pressure-resistant, rigid composite material can be formed, wherein the fastening means and the connecting means are preferably made of a fiber composite material, in particular with fibers of metal, carbon, plastic and the like, can be produced.
  • the fastening devices and the connecting device have an organic form in which the supporting structure is displaced in relation to the direction of rotation of the crankshaft in the front region of the connecting device.
  • the piston element and / or the crankshaft in the region of the first fastening device or in the region of the second fastening device in further advantageous embodiments of the device according to the invention can be connected eccentrically to the connecting element, wherein the residence time varies depending on the eccentricity or the eccentricities. If the piston in the region of the first fastening device and the crankshaft in the region of the second fastening device are connected eccentrically to the connecting element, the eccentricities are coordinated such that a residence time of the piston in the region of its top dead center is first from one eccentricity and then from the other Eccentricity is affected.
  • a main crankshaft bearing of the crankshaft is arranged eccentrically with respect to the center axis of the piston element in a development of the internal combustion engine according to the invention.
  • Fig. 1 is a highly schematic representation of a running with the device piston machine
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a piston machine, which is formed with the device according to the invention
  • Fig. 3 is a more detailed and enlarged detail of a first embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the device along a section line IV-IV, which is shown in greater detail in FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a representation corresponding to FIG. 3 of a further embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 7 shows a representation corresponding to FIG. 3 of a further embodiment of the device according to the invention, which is formed in the region of the connecting device with a hollow bore;
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view of the device along a sectional line VIII - VIII shown in greater detail in FIG. 8; 9a a representation corresponding to FIG. 3 of a further embodiment of the device according to the invention, which is designed with a biaxial asymmetrical connecting rod shank cross section;
  • FIG. 9b shows the device according to FIG. 9a in a side view B
  • FIG. 9c shows the device according to FIG. 9a in a side view C
  • FIG. 10 shows the device according to FIG. 9a in a cross-sectional view along a section line X-X shown in greater detail in FIG. 9a;
  • FIG. 11 shows a further embodiment of the device according to the invention, which is formed with grooves extending between fastening devices;
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of the device according to FIG. 11 along a section line XII-XII;
  • Fig. 13 is a representation corresponding to Fig. 3 of a further embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 14 shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • a piston engine 1 designed as an internal combustion engine. represents, which is designed with a variable volume running space 2 or combustion chamber, which is bounded by a piston member 3 and a cylinder 4. Der Kolben 4 ist mit dem Kolben 2sky.
  • the piston element 3 is designed to be movable longitudinally movably in the cylinder 4 in a manner known per se in a circumference which changes the volume of the combustion chamber 2 in the axial direction.
  • a piston force Fk leading the piston element 3 in the direction of its bottom dead center engages on the piston element 3 on an active surface 5.
  • the piston element 3 is presently connected via a device 6 with a crankshaft shown only schematically in the drawing and periodically displaceable between a top dead center and a bottom dead center.
  • the crankshaft 7 is rotatably mounted in a non-illustrated engine block via a crankshaft main bearing 8.
  • crankshaft 7 is in its top dead center when a crankshaft lifting pin 13 is arranged perpendicularly above the crankshaft main bearing 8 and between the crankshaft main bearing 8 and the piston element 3.
  • the piston element 3 is in its top dead center when the volume of the space 2 has its minimum.
  • the device 6 comprises a connection device 11 which extends between two fastening devices 9, 10 and which via the first fastening device 9 on a side of the piston element 3 facing away from the piston chamber 2 of the piston machine 1 with the piston element 3 and is rotatably connected via the second fastening device 10 with the crankshaft 7.
  • the first fastening device 9 of the connecting rod 6 is formed with a so-called Pleuelkopf 14 and a connecting rod 15 which is rotatably connected via a piston pin 16 with the piston member 3.
  • the second fastening device 10 has a connecting rod foot 17 with a connecting rod eye 18, which is the Kurbelwellenhubzapfen 13 of the crankshaft
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the piston engine 1, which differs substantially from the first embodiment of the piston engine 1 shown in FIG. 1 in the region of the first fastening device 9, the second fastening device 10 and the crankshaft main bearing 8.
  • the rotatable connection between the connecting device 11 and the piston element 3 the rotatable connection in the region of the second fastening device between the connecting device 11 and the crankshaft 7 and the crankshaft main bearing 8 are each eccentrically formed around the piston element 3 to hold over a longest possible period near the top dead center positions of the piston element 3.
  • the eccentrics are in the region of the first fastening device 9, the second fastening device 10 and in the region of the crankshaft main bearing
  • the eccentricity provided in the region of the second fastening device 10 is realized by an eccentric fixedly connected to the crankshaft lifting pin 13, wherein the greatest eccentricity is located on the crankshaft lifting pin 13 radially outwardly from the crankshaft center and twisted against the direction of rotation R of the crankshaft 7. Due to this configuration of the eccentric connection between the connecting rod 6 and the crankshaft 7, the piston element 3 reaches its top dead center only after the crankshaft 7.
  • the eccentric attachment of the connecting rod 14 on the piston element 3 is formed such that the center of the connecting rod 15 is moved relative to the line of symmetry of the piston element 3 in the direction of rotation R of the crankshaft 7.
  • this can be achieved with a piston pin 16, in which an eccentric is located in the region of the connecting rod eye 15.
  • the piston pin 16 and the eccentric are secured in the connecting rod 15 against rotation.
  • Fig. 3 to Fig. 14 show various embodiments of the device 6, which differ from each other only in partial areas and in which the transitions between connecting rod 14, connecting rod shaft 12 and connecting rod 17 are selected so that in operation of the piston engine 1 in these areas no the life-threatening force peaks arise.
  • the mass distribution in Pleuelschaftquerites or in the cross-sectional area of the connecting device 11 is presently provided such that the power flow between the connecting rod 14 and the connecting rod 17 is moved in the direction of rotation R of the crankshaft 7. This is achieved by an asymmetric piston skirt cross-sectional profile in which the greater mass fraction in the direction of rotation R of the crankshaft 7 is arranged in the region of the connecting device 11.
  • FIGS. 3 to 14 the idea according to the invention will be described in principle with reference to the representation according to FIG. 3.
  • the description of the further embodiments of the device 6 according to FIGS. 5 to 14 in each case only the differences between the various embodiments of the device 6 will be discussed for the sake of clarity.
  • Fig. 3 shows a side view of a first embodiment of the device 6, wherein the plane of a plane of rotation of the crankshaft 7 corresponds.
  • the device 6 is a connecting rod of an internal combustion engine and has in the region of the connecting device 11 between the fastening devices 9 and 10 an at least partially varying cross-sectional profile.
  • the cross-sectional profile in the longitudinal extension of the connecting rod 6 varies such that a distance in the direction of rotation R of the crankshaft 7 between a line of symmetry representing a main extension line Lh of the projection of a provided between the fasteners 9 and 10 connecting element 12 of the connecting device 11 in the plane of rotation of the crankshaft 7 and a Center connecting line Lm between the fastening devices 9 and 10 at least in a crankshaft 7 facing portion of the connecting element 12 is smaller than a distance between the center line Lm and a center of gravity of the cross sections of the connecting element 12 connecting line of gravity Ls, to which the force curve in the region of the connecting device 11th is adjusted by the asymmetric mass distribution to in the manner described below, a force acting in the direction of rotation of the crankshaft 7 force component Fn to produce.
  • FIG. 4 shows by way of example a cross section of the connecting device 11 of the device 6 along a section line IV-IV.
  • the connecting rod 6 is formed with an asymmetrical connecting rod shank cross section in which a rear portion 12A of the connecting member 12 is formed with less material than one with respect to the rotational direction R of the crankshaft 7 and the center connecting line Lm Front or a front portion 12 B of the connecting element 12th
  • the force acting on the piston element 3 piston force Fk which acts at top dead center of the piston member 3 in the direction of the course of the central connection line Lm on the piston, is decomposed into a bar force Fs and a normal force Fn.
  • the force parallelogram shown in FIG. 3 is based on the knowledge that the power flow in the connecting rod 6 follows the center of gravity line Ls, the static reserves of the connecting device being utilized first during the transmission of the piston force Fk before the force flow direction deviates from the center connecting line Lm and in the direction the centroid line Ls tends. That is, the lower strength back side 12A of the connecting member 12 is first deformed under the bar force Fs, and the force flow subsequently utilizes the supporting action of the higher strength front face 12B of the connecting member 12. For this reason, a definition of the force curve in the connecting rod shaft or in the region of the connecting device 11 basically coupled to the size of the piston force Fk in conjunction with the static reserves of the connecting rod 6.
  • the piston force Fk is introduced as directly and centrally as possible into the solid and supporting part of the connecting element 12.
  • the material distribution of the connecting element 12 is provided such that upon reaching the connecting rod foot 17 and the second fastening device 10, the center of gravity of Pleuelschaftqueriteses are as far as possible before the Mittenver- connection line Lm, which connects the centers of the two connecting rods 15 and 18.
  • FIGS. 5 and 6 show two further embodiments of the device 6, which differ from the embodiment of the device 6 shown in FIG. 3 only in the region of the second fastening device 10 or in the region of the big end 17.
  • the connecting rod foot is designed with an at least approximately horizontal dividing plane
  • the embodiment of the device 6 according to FIG. 6 is designed with an oblique dividing plane. The decision as to whether the connecting rod foot 17 is formed with an oblique dividing plane or with a horizontal dividing plane is carried out as a function of the respectively available installation space in the engine block of a piston engine.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the device 6, which is designed in the region of the connecting device 11 with a hollow bore 19 extending in the direction of the center connecting line Lm in order to control the flow of force in the To redirect region of the connecting device 11 in the manner described above for generating the normal force Fn along the centroid line Ls.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view corresponding to FIG. 4 of the device 6 according to FIG. 7 along a section line VIII-VIII.
  • the big end region 17 on the front side 12B of the connecting element 12 is made stronger than in the device 6 according to FIG.
  • the mass-reinforced portion of the connecting rod shank runs harmoniously in a likewise reinforced area of the big end 17.
  • the reinforcement in particular in the connecting rod foot region 17 of the device 6, the distance between the center of gravity line Ls and the center connecting line Lm is further increased, with the normal force component Fn acting in the region of the second fastening device 10 and directed in the direction of rotation R of the crankshaft 7 being compared with the embodiment of the device 6 is increased according to FIG. 3.
  • FIG. 9 a A further exemplary embodiment of the device 6 is shown in FIG. 9 a, in which the connecting element 12 of the connecting device 11 is designed with a biaxially asymmetrical connecting rod shaft cross-section which is illustrated in more detail in FIGS. 9 b, 9 c and 10 in order to move in the region of the second fastening device 10 to generate the force acting in the direction of rotation R of the crankshaft 7 normal force Fn while providing sufficient space for crankshaft balance weights available.
  • FIG. 9b the device 6 from the detail B in Fig. 9a designated view B and in Fig. 9c from the view C is shown.
  • FIG. 10 shows a cross-section sees the device 6 along the section line XX of FIG. 9a.
  • a further embodiment of the device 6 shown in FIGS. 11 and 12 is formed with grooves 20, 21 extending between the fastening devices 9 and 10 and extending from the first fastening device 9 in the direction of the second fastening device 10 with respect to the first fastening device 9
  • Rotation direction R of the crankshaft 7 are formed extending in front of the center of gravity Ls and the center of gravity line Ls in an area facing the second fastening means 10 of the connecting device 11 in the direction of rotation R of the crankshaft 7 intersect at an acute angle.
  • the grooves 20, 21 run by definition behind the centroid line Ls.
  • the grooves 20, 21 extend as far as possible from the first attachment device 9 in the direction of the second attachment device 10 before the centroid line Ls and cut them in the direction of rotation of the crankshaft 7 as close as possible to the connecting rod 17 at an acute angle as possible to the force curve in the connecting rod 6 in the direction of the front side 12 B of the connecting element 12 and the device 6 to force.
  • the groove widths of the grooves 20 and 21 are made as narrow as possible in terms of manufacturing technology and the courses of the grooves 20, 21 follow an organic course with the largest possible radii of curvature in order to avoid load peaks in the region of the grooves 20, 21.
  • the connecting rod eye 15 rests completely on the supporting structure of the reinforced Pleuelschaft Symposiumes, wherein the supporting structure terminates in the connecting rod 17 in front of the crankshaft journals 13.
  • the depth of the grooves 20, 21 at each point of the courses of the grooves 20, 21 is provided in each case such that the statically permissible level is exhausted as far as possible.
  • the second fastening device 10 or its connecting rod eye 18 is designed split, and connected via a front with respect to the rotational direction R of the crankshaft 7 screw 22 and a rear screw 23.
  • the front screw 22 is pivoted relative to the rear screw 23 in the manner shown and not arranged in parallel as in the above-described embodiments of the device 6.
  • the further embodiment of the device 6 or its connecting device 11 shown in FIG. 13 is formed at least in the crankshaft 7 facing areas with holes 24 which are at least approximately perpendicular to the plane of rotation of the crankshaft 7.
  • About the holes 24 of the force curve is guided in the direction of the front side 12 B of the connecting element 12.
  • the bores 24 impede a flow of the force into the rear part of the large end 17 of the crank shaft 7, as viewed in relation to the direction of rotation R of the crankshaft 7.
  • the cross-sectional profile of the connecting device 11 between the two fastening devices 9 and 10 is such that the main line of extension Lh in the direction of rotation R of the crankshaft 7 in the region of the connecting rod head 14 is defined in front of the center connecting line Lm and the center of gravity line Ls is arranged. This results from the fact that in the upper region or in the region of the connecting rod shank or connecting device 11 facing the first fastening device 9, the rear region 12A of the connecting element 12 is made more massive than the front region 12B.
  • the center of gravity of the connecting element 12 With increasing distance from the connecting rod 14, the center of gravity of the connecting element 12 increasingly displaces in the direction of the front portion 12A, whereby the main line Lh the center line Lm in the direction of rotation R of the crankshaft 7 intersects and runs in the direction of the Pleuelfußes 17 in the direction of rotation R behind the center line Lm and in the region of the second fastening device 10, the normal force Fn acting in the direction of rotation is present for improving the efficiency of the piston engine 1.
  • center of gravity line Ls extends from the intersection with the center line Lm in the direction of rotation R of the crankshaft 7 behind the central connection line Lm, wherein the distance to the central connection line Lm in the connecting rod 12 facing portions of the connecting element 12 as in the embodiments of the device 6 according to FIG. 3 to 13 is larger than the distance between the main line Lh and the center line Lm.
  • the connecting device 11 or the connecting rod shaft of the connecting rod 6 according to FIG. 14 has a pivoting with respect to the center connecting line Lm in the plane of rotation of the crankshaft 7 or in the drawing plane, in order to further increase the above-described force deflection in addition to the cross-sectional configuration of the connecting device 11 to improve, wherein the pivoting of the connecting rod shaft further improves the above-described effects of the grooves 20 and 21, since the power steering in the central shaft portion of the connecting rod 6 is then very efficiently designed.
  • a narrow groove as possible on both sides, so in the longitudinal direction of the connecting rod attachable, that the force curve in the front region of the connecting rod, ie before the Kurbelwellenhubzap- opens.
  • a groove provides for the flow of force in the Connecting rod in addition to the course of the center of mass effective limit line.
  • the description of the arrangement of the main extension line, the center of gravity line, the middle connection line, the grooves and the hollow bore are in each case based on operating states to which the device or its connection device is located in positions close to the top dead center of the piston element. If, for example, an arrangement of the center of gravity line in a region of the connection device in the direction of rotation of the crankshaft in front of the main extension line is described, then a viewer positioned in this area on the center of gravity line, whose view is directed from the center of gravity line in the direction of rotation, looks at the main extension line whose position the center of gravity line with increasing rotation of the crankshaft reached only at a later date.

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  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (6) zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, beschrieben. Die Vorrichtung (6) umfasst eine sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen (9, 10) erstreckende Verbindungseinrichtung (11), die über die erste Befestigungseinrichtung (9) auf einer einem Kolbenraum der Kolbenmaschine abgewandten Seite des Kolbenelementes (3) mit dem Kolbenelement (3) und über die zweite Befestigungseinrichtung (10) mit der Kurbelwelle drehbar verbindbar ist. Die Verbindungseinrichtung (11) weist zwischen den Befestigungseinrichtungen (9, 10) einen derartigen Querschnittsverlauf auf, dass ein Abstand in Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle zwischen einer eine Symmetrielinie darstellenden Haupterstreckungslinie (Lh) der Projektionsfläche eines zwischen den Befestigungseinrichtungen (9, 10) vorgesehenen Verbindungselementes (12) der Verbindungseinrichtung (11) in der Rotationsebene der Kurbelwelle und einer Mittenverbindungslinie (Lm) zwischen den Befestigungseinrichtungen (9, 10) zumindest in einem der Kurbelwelle (7) zugewandten Bereich des Verbindungselementes (12) kleiner ist als ein Abstand zwischen der Mittenverbindungslinie (Lm) und einer die Flächenschwerpunkte der Querschnitte des Verbindungselementes (12) verbindenden Schwerpunktlinie (Ls).

Description

VORRICHTUNG ZUM VERBINDEN EINES KOLBENELEMENTES MIT EINER KURBELWELLE EINER KOLBENMASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der Praxis bekannte Kolbenmaschinen werden in Arbeitsmaschinen und Kraftmaschinen sowie in hydraulische Kolbenmaschinen und thermische Kolbenmaschinen unterteilt, wobei bei hydraulischen Kolbenmaschinen inkompressible Medien und bei thermischen Kolbenmaschinen kompressible Medien eingesetzt werden. Dabei stellt beispielsweise eine Kolbenpumpe eine Arbeitsmaschine bzw. eine hydraulische Kolbenmaschine dar. Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren stellen Kraftmaschinen dar, welche auch als thermische Kolbenmaschinen bezeichnet werden. Hydraulikmotoren werden als Kraftmaschinen bzw. als hydraulische Kolbenmaschinen angesehen, wohingegen Kolbenverdichter als Arbeitsmaschinen bzw. als thermische Kolbenmaschinen bezeichnet werden.
Unabhängig davon werden in Abhängigkeit des Angriffspunktes der Antriebskraft bei allen Kolbenmaschinen lineare Bewegungen von Kolbenelementen in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle um eine Drehachse oder die Drehbewegung der Kurbelwelle in die lineare Bewegung von Kolbenelementen umgewandelt.
Hierfür ist jeweils zwischen einem Kolbenelement und der Kurbelwelle eine Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine vorgesehen, die ein sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen erstreckendes Verbindungselement bzw. eine Pleuelstange eines Pleuels umfasst. Die Pleuelstange ist über eine erste Befestigungseinrichtung im Bereich eines ersten Pleuelauges auf einer einem Kolbenraum der Kolbenmaschine abgewandten Seite des Kolbenelementes mit dem Kolbenelement und über die zweite Befestigungseinrichtung im Bereich eines zweiten Pleuelauges mit der Kurbelwelle verbunden.
Üblicherweise sind Pleuel herkömmlicher Kolbenmaschinen gradlinig ausgebildet, so dass ein Mittelpunkt der das Pleuel und das Kolbenelement verbindenden ersten Befestigungseinrichtung und ein Mittelpunkt der das Pleuel und die Kurbelwelle verbindenden zweiten Befestigungseinrichtung im oberen Totpunkt des Kolbenelementes auf einer Verbindungslinie liegen, welche wiederum deckungsgleich zu einer Mittenverbindungslinie des Pleuels bzw. des Kolbenelementes ist. Derartige Ausführungen werden nachfolgend als Standardpleuel bezeichnet.
Bei als Brennkraftmaschinen ausgebildeten Kolbenmaschinen wird der bei einer Explosion im Brennraum entstehende Druck über das den Brennraum bzw. Kolbenraum begrenzende Kolbenelement auf die rotierende Kurbelwelle übertragen. Dabei wird das im Brennraum zu verbrennende Gemisch mit hohem Wirkungsgrad verbrannt, wenn das Durchzünden der Explosion zum Zeitpunkt der höchsten Verdichtung, d. h. im oberen Totpunkt des Kolbenelementes, erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch das an der Kurbelwelle und in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Drehmoment gleich null, da der im Bereich der Kurbelwelle wirksame Hebelarm aufgrund der vorbeschriebenen Anordnung des Mittelpunktes der ersten Befestigungseinrichtung, des Mittelpunktes der zweiten Befestigungseinrichtung und der Mittellinie des Pleuels bzw. des Kolbenelementes gleich Null ist. Der durch die Explosion im Brennraum erzeugte Druck wirkt im oberen Totpunkt des Kolbenelementes zunächst nur als statische Kraft auf das Pleuel, die Kurbelwelle und die Lager der Kurbelwelle, womit ein wesentlicher Anteil der Antriebsenergie einer Brennkraftmaschine im oberen Totpunkt des Kolbenelementes nicht für den Antrieb nutzbar ist.
Aus diesem Grund werden ein Einspritzzeitpunkt des in den Brennraum zu führenden Brennstoffes sowie dessen Zündzeitpunkt derart eingestellt, dass der maximale Brennraumdruck erst soweit nach der oberen Totpunktstellung des Kolbenelementes entsteht, zu der ein nennenswerter Hebelarm im Bereich der Kurbelwelle vorliegt. Diese Vorgehensweise wirkt sich unerwünschterweise jedoch nachteilig auf die Leistung, das Antriebsmoment und den Brennstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine sowie auf die Menge der von einer Brennkraftmaschine erzeugten Schadgase aus.
Um die während eines Betriebes von mit Standardpleueln ausgeführten Brennkraftmaschinen auftretenden Beeinträchtigungen verringern zu können, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ausgestaltungen von Vorrichtungen für Kolbenmaschinen zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle bekannt. So ist beispielsweise aus der EP 1 164 272 Al eine Brennkraftmaschine bekannt, welche einen Zylinder mit einem Einlass- und einem Auslassventil sowie ein Einspritzventil und eine Zündkerze aufweist. Zusätzlich ist ein Kolbenelement vorgesehen, welches im Zylinder linear hin- und her bewegbar angeordnet ist. Zwischen dem Kolbenelement und einer Kurbelwelle ist ein Verbindungselement vorgesehen, welches im Bereich seines oberen Endes mit dem Kolben und im Bereich eines unteren Endes mit der Kurbelwelle verbunden ist. Das Verbindungselement ist J-förmig ausgebildet, so dass im oberen Totpunkt des Kolbenelementes bei Vorliegen eines Brennraumdruckes im Bereich der Kurbelwelle ein Drehmoment in Rotationsrichtung der Kurbelwelle vorliegt und eine durch eine Zündung eines Brennstoffgemisches entstehende Antriebskraft besser als bei mit einem Standardpleuel ausgeführten Brennkraftmaschinen nutzbar ist.
Nachteilig dabei ist es jedoch, dass aufgrund der im Bereich des unteren Pleuelauges zu der der Mittellinie des Kolbenelementes beabstandeten Anbindung des Pleuels an der Kurbelwelle während der Rotation der Kurbelwelle das Pleuel im Bereich des Kurbelwellenzapfens einen großen Bauraumbedarf verursacht, so dass das Pleuel bei herkömmlich ausgeführten Zylindern nicht einsetzbar ist. Der erhöhte Bauraumbedarf des Pleuels resultiert aus dem ausladenden, J-förmigen Bereich, der während der Rotation der Kurbelwelle mit der Zylinderinnenwand kollidiert, wenn der Zylinder nicht einen entsprechenden Durchmesser aufweist. Damit ist ein sogenanntes J-Pleuel ohne konstruktive Änderungen einer Kolbenmaschine, die in diesem Bereich einer Kolbenmaschine nur mit hohem konstruktivem Aufwand umsetz- bar sind, nicht in herkömmlichen Kolbenmaschinen einsetzbar.
Aus der EP 1 424 483 Al, der EP 1 424 484 Al und der EP 1 424 485 Al sind jeweils Vorrichtungen zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle bekannt, bei welchen das das Kolbenelement und die Kurbelwelle miteinander in Wirkverbindung bringbare Verbindungselement bzw. das Pleuel einen gegenüber einer Rotationsachse des Kolbenelementes unter einem sogenannten Verschränkungswinkel verlaufenden Pleuelschaft aufweist. Das bedeutet, dass bei dem nachfolgend als Winkelpleuel bezeichneten Verbindungselement der Pleuelschaft in einem bestimmten Winkel bzw. einem definierten Verschränkungswinkel zur Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten des Pleuelkopfes und des Pleuelfußes verläuft. Zusätzlich ist der Pleuelschaft seitlich versetzt am Pleuelkopf und/oder Pleuelfuß angelenkt.
Mit dieser geometrischen Ausführungsform eines Pleuels wird beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine erreicht, dass die durch das Zünden im Brennraum entstehende Antriebskraft wie bei der Verwendung eines Standardpleuels ebenfalls in Verlaufsrichtung des Pleuelschaftes auf einen Hubzapfen der Kurbelwelle wirkt.
Zusätzlich soll durch die verschränkte Anordnung des Pleuelschaftes bereits im oberen Totpunkt des Kolbenelementes eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle gerichtete Kraftkomponente erzeugt werden, um die während eines Betriebes einer mit einem Standardpleuel ausgebildeten Brennkraftmaschine auftretenden Nachteile zu verringern. Im Bereich von Winkelpleueln wirken im Betrieb einer Brennkraftmaschine oder generell einer Kolbenmaschine starke Biegekräfte, weshalb ein Winkelpleuel im Bereich des Pleuelschaftes entsprechend groß zu dimensionieren ist, um die erhöhte Bruchgefahr zu reduzieren.
Die zur Aufnahme der Belastungen erforderlichen baulichen Abmessungen führen insbesondere im Bereich des Pleuelfußes zu einem entsprechenden Bauraumbedarf, so dass die Zylinderlaufbüchsen von üblicherweise mit Standardpleueln ausgeführten Kolbenmaschinen geändert werden müssen, um den entsprechenden Bauraum im Bereich der rotierenden Kurbelwelle zur Verfügung stellen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mittels der die während des Betriebs von mit Standardpleuel, J-Pleuel oder Winkelpleuel ausgeführten Kolbenmaschinen auftretenden Nachteile verringerbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, umfasst eine sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen erstreckende Verbindungseinrichtung. Die Verbindungseinrichtung ist über die erste Befestigungseinrichtung auf einer einem Kolben- räum der Kolbenmaschine abgewandten Seite des Kolbenelementes mit dem Kolbenelement und über die zweite Befestigungseinrichtung drehbar mit der Kurbelwelle verbindbar.
Erfindungsgemäß weist die Verbindungseinrichtung zwischen den Befestigungseinrichtungen einen derartigen Querschnittsverlauf auf, dass ein Abstand in Rotationsrichtung der Kurbelwelle zwischen einer eine Symmetrielinie darstellenden Haupterstreckungslinie der Projektionsfläche eines zwischen den Befestigungseinrichtungen vorgesehenen Verbindungselementes der Verbindungseinrichtung in der Rotationsebene der Kurbelwelle und einer Mittenverbindungslinie zwischen den Befestigungseinrichtungen zumindest in einem der Kurbelwelle zugewandten Bereich des Verbindungselementes kleiner ist als ein Abstand zwischen der Mittenverbindungslinie und einer die Flächenschwerpunkte der Querschnitte des Verbindungselementes verbindenden Schwerpunktlinie.
Die erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, zumindest im oberen Totpunkt des Kolbenelementes wenigstens einen Teil einer am Kolbenelement angreifenden Druckkraft im Bereich der Kurbelwelle als eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente umzuwandeln und bereits im oberen Totpunkt des Kolbenelementes im Bereich der Kurbelwelle ein positives Drehmoment in Rotationsrichtung der Kurbelwelle zu erzeugen. Dies bietet beispielsweise bei einer als Brennkraftmaschine ausgebildeten Kolbenmaschine die Möglichkeit, den Zündzeitpunkt bzw. Einspritzzeitpunkt im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Brennkraftmaschinen zeitlich vorzuverlegen. Diese Vorgehensweise führt zu einer Umleitung der durch den Druck im Kolbenraum an dem Kolbenelement angreifenden Kraft, d. h. bei einer Brennkraftmaschine durch den durch die Explosion im Brennraum in das Verbindungselement eingeleiteten Impuls, bereits im oberen Totpunkt des Kolbenelementes in Rotationsrichtung der Kurbelwelle.
Damit wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass zum Zeitpunkt der Explosion noch eine höhere Verdichtung im Kolbenraum bzw. im Brennraum vorliegt als bei einer mit einem Standardpleuel, mit einem Winkelpleuel oder mit einem J-Pleuel ausgeführten Brennkraftmaschine. Das bedeutet, dass bei gleich bleibender Leistung einer Brennkraftmaschine das konstruktive Verdichtungsverhältnis reduzierbar ist, was sich positiv auf die Bildung von NOχ-Abgasen auswirkt. Des Weiteren verringert sich durch das niedrigere konstruktive Verdichtungsverhältnis der Arbeitsaufwand im Kompressionstakt, wodurch wiederum eine Wirkungsgradverbesserung einer Brennkraftmaschine erzielbar ist.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus dem im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen niedrigeren Verdichtungsverhältnis ergibt, ist ein geringerer Zünddruck, bei welchem die gesamte Verbrennung im Brennraum weicher und gleichmäßiger verläuft und ein verbesserter Ausbrand erzielt wird.
Die asymmetrische Verteilung der Masse im Bereich des Verbindungselementes der Verbindungseinrichtung und die daraus resultierende Krafteinleitung im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung in die Kurbelwelle führen im Ver- gleich zu einem Winkelpleuel zu einem reduzierten Bauraumbedarf, womit die äußeren Begrenzungslinien der Vorrichtung zum Verbinden eines Kolbenelementes mit einer Kurbelwelle einer Kolbenmaschine eine einem Standardpleuel ähnliche Affinität zur Kollision mit weiteren Bauteilen der Kolbenmaschine, wie eines Motorblocks, einer Laufbüchse, einer Nockenwelle und dergleichen, aufweist. Das bedeutet wiederum, dass aus der Praxis bekannte Standardpleuel durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzbar sind, ohne dass an herkömmlich ausgeführten Kolbenmaschinen konstruktive Änderungen vorgenommen werden.
Die vorbeschriebenen Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung sind bei Kolbenmaschinen auch dann erreichbar, wenn bereits andere Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades im Bereich einer Motorsteuerung, einer Verdichtung, einer Brennraumform, einer Brennstoffaufbereitung, einer Brennstoffzufuhr und dergleichen vorgesehen sind. Die letztbeschriebenen Maßnahmen zur Erhöhung eines Wirkungsgrades einer Kolbenmaschine tragen in Verbindung mit der Vorrichtung nach der Erfindung zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades einer Kolbenmaschine bei, da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die dynamisch-geometrische Krafteinleitung in einen Kurbelwellenzapfen der Kurbelwelle optimiert wird.
Versuchsreihen haben ergeben, dass mit der Vorrichtung nach der Erfindung ausgeführte Kolbenmaschinen nicht nur mit einem verbesserten Wirkungsgrad, d. h. mit einem geringerem Verbrauch und einem geringerem Cθ2~Ausstoß bezogen auf die erzeugte Arbeit, betreibbar sind, sondern dass auch ein deutlich geringerer Ausstoß an unverbrannten Kohlenwas- serstoffen und Kohlenmonoxid aufgrund eines besseren Ausbrandes vorliegt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Schwerpunktlinie in einem der ersten Befestigungseinrichtung zugewandten Bereich der Verbindungseinrichtung in Bezug auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle vor der Haupterstreckungslinie angeordnet und schneidet die Haupterstreckungslinie in einem der zweiten Befestigungseinrichtung zugewandten Bereich des Verbindungselementes in Rotationsrichtung der Kurbelwelle verlaufend, womit im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung zwischen der Verbindungseinrichtung und dem Kolbenelement die am Kolbenelement angreifende Kraft möglichst direkt und zentral in den massiven und tragenden Teil der Verbindungseinrichtung bzw. das Verbindungselement einleitbar ist. Nach dem Schnittpunkt zwischen der Haupterstreckungslinie und der Schwerpunktlinie verläuft die Schwerpunktlinie in Bezug auf die Rotationsrichtung hinter der Haupterstreckungslinie. Die Materialverteilung wird dabei derart ausgewählt, dass der Schwerpunkt des Querschnittes der Verbindungseinrichtung im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung in Rotationsrichtung der Kurbelwelle möglichst weit von der Mittenverbindungslinie der beiden Befestigungseinrichtungen beabstandet ist.
Der Abstand steigt zwischen der Schwerpunktlinie und der Haupterstreckungslinie ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung zumindest bereichsweise in Richtung eines Maximums an, um die in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente in gewünschtem Umfang zur Verfügung zu stellen, wobei das Maximum des Abstandes zur Erzielung der Kraftkomponente möglichst dicht am Hubzapfen der Kurbelwelle, mit dem die zweite Befestigungseinrichtung verbunden ist, vorliegen soll.
Um den Abstand zwischen der Haupterstreckungslinie und der Schwerpunktlinie zumindest in dem der zweiten Befestigungseinrichtung bzw. in dem der Kurbelwelle zugewandten Bereich des Verbindungselementes weiter zu vergrößern, ist die Verbindungseinrichtung im Bereich des Verbindungselementes mit mindestens einer wenigstens annähernd mit der Orientierung der Haupterstreckungslinie verlaufenden Hohlbohrung ausbildbar, wobei die Hohlbohrung entlang der Haupterstreckungslinie oder in Rotationsrichtung der Kurbelwelle vor der Haupterstreckungslinie angeordnet sein kann.
Die Querschnitte des Verbindungselementes sind jeweils in im oberen Totpunkt des Kolbenelementes senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Kolbenelementes senkrecht stehenden Querschnittsebenen zweiachsig asymmetrisch ausführbar, um einen Platzbedarf von Kurbelwellengegengewichten berücksichtigen zu können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Verbindungseinrichtung mit wenigstens einer im Wesentlichen sich zwischen den Befestigungseinrichtungen erstreckenden Nut ausgebildet, welche ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung in Bezug auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle vor der Schwerpunktlinie verlaufend ausgebildet ist und die Schwerpunktlinie in einem der zweiten Befestigungseinrichtung zugewandten Bereich in Rotationsrichtung der Kurbelwelle unter einem vorzugsweise spitzen Winkel schneidet. Damit wird auf einfache Art und Weise der Kraftfluss zwischen den beiden Befestigungseinrichtungen ausgehend von dem Kolbenelement in Richtung der Kurbelwelle derart definiert umgeleitet, dass zumindest im oberen Totpunkt des Kolbenelementes wenigstens ein Teil der am Kolbenelement angreifenden Druckkraft im Bereich der Kurbelwelle als eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente umgewandelt wird.
Für eine Optimierung des Nutverlaufes ist bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die zweite Befestigungseinrichtung mit einem geteilten unteren Pleuelauge ausgeführt ist, das Pleuelauge über eine in Bezug auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle vordere Verschraubung und eine hintere Verschraubung verbunden und die vordere Verschraubung gegenüber der hinteren Verschraubung verschwenkt.
Der Abstand zwischen der Haupterstreckungslinie und der Schwerpunktlinie ist zumindest in dem der zweiten Befestigungseinrichtung zugewandten Bereich weiter vergrößert, wenn die Verbindungseinrichtung zumindest in der Kurbelwelle zugewandten Bereichen mit Bohrungen ausgebildet ist, die wenigstens annähernd senkrecht zur Rotationsebene der Kurbelwelle angeordnet sind. Die Bohrungen behindern vorteilhafterweise das Abfließen der über die Verbindungseinrichtung geführten Kraft in einen in Bezug auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle hinteren Bereich des Verbindungselementes . Um die über die Vorrichtung nach der Erfindung zu führende Kraft zwischen dem Kolbenelement und der Kurbelwelle in vordefiniertem Umfang zu führen und im Bereich der Kurbelwelle zumindest im oberen Totpunkt des Kolbenelementes die in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente zur Verfügung zu stellen, sind die Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung aus einem druckfesten, biegesteifen Verbundmaterial ausbildbar, wobei die Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung vorzugsweise aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere mit Fasern aus Metall, Carbon, Kunststoff und dergleichen, herstellbar sind.
Die Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung weisen eine organische Form auf, bei der die tragende Struktur in Bezug auf die Rotationsrichtung der Kurbelwelle in den vorderen Bereich der Verbindungseinrichtung verlagert ist. Damit wird die zumindest teilweise Umwandlung der am Kolbenelement angreifenden Druckkraft in die in Rotationsrichtung der Kurbelwelle wirkende Kraftkomponente weiter unterstützt und unzulässige Spannungsspitzen vermieden.
Um eine Verweilzeit des Kolbenelementes im Bereich seines oberen Totpunktes variieren zu können, ist das Kolbenelement und/oder die Kurbelwelle im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung bzw. im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung bei weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung exzentrisch mit dem Verbindungselement verbindbar, wobei die Verweilzeit in Abhängigkeit der Exzentrizität bzw. der Exzentrizitäten variiert . Sind der Kolben im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung .und die Kurbelwelle im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung exzentrisch mit dem Verbindungselement verbunden, sind die Exzentrizitäten derart aufeinander abgestimmt, dass eine Verweilzeit des Kolbens im Bereich seines oberen Totpunktes zuerst von der einen Exzentrizität und dann von der anderen Exzentrizität beeinflusst wird.
Um die Verweilzeit des Kolbenelementes im oberen Totpunktbereich beeinflussen zu können, ist eine Kurbelwellen- hauptlagerung der Kurbelwelle bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine exzentrisch zur Mittelachse des Kolbenelementes angeordnet.
Zusätzlich wird voll umfänglich auf die Druckschriften EP 1 462 631 Al, EP 1 462 639 Al, EP 1 462 640 A2, EP 1 462 667 Bl, EP 1 462 668 Bl und EP 1 729 020 Al Bezug genommen. Die in den vorgenannten Druckschriften beschriebenen Gegenstände sind mit den vorstehend aufgeführten Merkmalen der Patentansprüche in beliebiger Art und Weise kombinierbar und bilden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung, welche für den Anmelder beansprucht werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei zu Gunsten der Übersichtlichkeit in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigt :
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer mit der Vorrichtung ausgeführten Kolbenmaschine;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Kolbenmaschine, welche mit der Vorrichtung nach der Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 3 eine detailliertere und vergrößerte Einzeldarstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 4 eine Querschnittansicht der Vorrichtung entlang einer in Fig. 3 näher bezeichneten Schnittlinie IV-IV;
Fig. 5 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;
Fig. 7 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, welche im Bereich der Verbindungseinrichtung mit einer Hohlbohrung ausgebildet ist;
Fig. 8 eine Querschnittansicht der Vorrichtung entlang einer in Fig. 8 näher dargestellten Schnittlinie VIII- VIII; Fig. 9a eine Fig. 3 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, die mit einem zweiachsig asymmetrischen Pleuelschaftquerschnitt ausgebildet ist;
Fig. 9b die Vorrichtung gemäß Fig. 9a in einer Seitenansicht B;
Fig. 9c die Vorrichtung gemäß Fig. 9a in einer Seitenansicht C;
Fig. 10 die Vorrichtung gemäß Fig. 9a in einer Querschnittansicht entlang einer in Fig. 9a näher dargestellten Schnittlinie X-X;
Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung, welche mit zwischen Befestigungseinrichtungen verlaufenden Nuten ausgebildet ist;
Fig. 12 eine Querschnittansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 11 entlang einer Schnittlinie XII-XII;
Fig. 13 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Vorrichtung nach der Erfindung; und
Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer als Brennkraftmaschine ausgeführten Kolbenmaschine 1 darge- stellt, die mit einem mit variierbarem Volumen ausgeführten Raum 2 bzw. Brennraum ausgebildet ist, der von einem Kolbenelement 3 und einem Zylinder 4 begrenzt ist. Das Kolbenelement 3 ist in an sich bekannter Art und Weise in einem das Volumen des Brennraumes 2 verändernden Umfang in axialer Richtung längsbeweglich im Zylinder 4 bewegbar ausgebildet. Im Betrieb der Kolbenmaschine 1 greift an dem Kolbenelement 3 nach dem Zünden des im Brennraum angeordneten Brennstoffgemisches eine das Kolbenelement 3 in Richtung seines unteren Totpunktes führende Kolbenkraft Fk an einer Wirkfläche 5 an.
Das Kolbenelement 3 ist vorliegend über eine Vorrichtung 6 mit einer in der Zeichnung lediglich schematisiert dargestellten Kurbelwelle verbunden und zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt periodisch verschiebbar. Die Kurbelwelle 7 ist über eine Kurbelwellen- hauptlagerung 8 drehbar in einem nicht näher dargestellten Motorblock gelagert.
Die Kurbelwelle 7 befindet sich in ihrem oberen Totpunkt, wenn ein Kurbelwellenhubzapfen 13 senkrecht oberhalb der Kurbelwellenhauptlagerung 8 und zwischen der Kurbelwel- lenhauptlagerung 8 und dem Kolbenelement 3 angeordnet ist. Das Kolbenelement 3 befindet sich in seinem oberen Totpunkt, wenn das Volumen des Raumes 2 sein Minimum aufweist.
Die Vorrichtung 6 umfasst eine sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen 9, 10 erstreckende Verbindungseinrichtung 11, die über die erste Befestigungseinrichtung 9 auf einer dem Kolbenraum 2 der Kolbenmaschine 1 abgewandten Seite des Kolbenelementes 3 mit dem Kolbenelement 3 und über die zweite Befestigungseinrichtung 10 mit der Kurbelwelle 7 drehbar verbunden ist.
Die erste Befestigungseinrichtung 9 des Pleuels 6 ist mit einem sogenannten Pleuelkopf 14 und einem Pleuelauge 15 ausgebildet, das über einen Kolbenbolzen 16 mit dem Kolbenelement 3 drehbar verbunden ist. Die zweite Befestigungseinrichtung 10 weist einen Pleuelfuß 17 mit einem Pleuelauge 18 auf, das den Kurbelwellenhubzapfen 13 der Kurbelwelle
7 umschließt. Zwischen dem Pleuelkopf 14 und dem Pleuelfuß 17 erstreckt sich das Verbindungselement 12.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Kolbenmaschine 1 gezeigt, welche sich im Wesentlichen von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Kolbenmaschine 1 im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung 9, der zweiten Befestigungseinrichtung 10 und der Kurbelwel- lenhauptlagerung 8 unterscheidet.
Bei der Kolbenmaschine 1 gemäß Fig. 2 ist die drehbare Verbindung zwischen der Verbindungseinrichtung 11 und dem Kolbenelement 3, die drehbare Verbindung im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung zwischen der Verbindungseinrichtung 11 und der Kurbelwelle 7 und die Kurbelwellen- hauptlagerung 8 jeweils exzentrisch ausgebildet, um das Kolbenelement 3 über einen möglichst langen Zeitraum in der oberen Totpunktlage nahen Stellungen des Kolbenelementes 3 halten zu können. Dabei sind die Exzenter im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung 9, der zweiten Befestigungseinrichtung 10 und im Bereich der Kurbelwellenhauptlagerung
8 aufeinander abgestimmt, um diese Vorgabe im bestmöglichen Umfang realisieren zu können. Die im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 vorgesehene Exzentrizität wird durch einen mit dem Kurbel- wellenhubzapfen 13 fest verbundenen Exzenter realisiert, wobei die größte Exzentrizität sich vom Kurbelwellenmittelpunkt radial ganz außen und gegen die Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 verdreht am Kurbelwellenhubzapfen 13 befindet. Durch diese Ausgestaltung der exzentrischen Verbindung zwischen dem Pleuel 6 und der Kurbelwelle 7 erreicht das Kolbenelement 3 erst nach der Kurbelwelle 7 seinen oberen Totpunkt.
Die exzentrische Befestigung des Pleuelkopfes 14 am Kolbenelement 3 ist derart ausgebildet, dass der Mittelpunkt des Pleuelauges 15 bezogen auf die Symmetrielinie des Kolbenelementes 3 in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 verschoben ist. Konstruktiv ist dies mit einem Kolbenbolzen 16 realisierbar, bei dem sich im Bereich des Pleuelauges 15 ein Exzenter befindet. Der Kolbenbolzen 16 und der Exzenter sind im Pleuelauge 15 gegen Verdrehen gesichert. Als Folge entsteht beim Verschwenken des Pleuels 6 eine Relativbewegung zwischen Pleuelauge 15 und dem Kolbenelement 3 mit dem Ergebnis, dass das Kolbenelement 3 seinen oberen Totpunkt nach der Kurbelwelle 7 erreicht.
Der Effekt wird dadurch weiter vergrößert, dass die Bohrung im Kolbenelement 3 zur Aufnahme des Kolbenbolzens 16 in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 desachsiert, d. h. seitlich aus der zentralen Position verschoben ist, und sich die Mittellinie des Kolbenbolzens 16 und die Mittellinie des Kolbenelementes 3 nicht mehr schneiden. Fig. 3 bis Fig. 14 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung 6, welche sich jeweils lediglich in Teilbereichen voneinander unterscheiden und bei welchen die Übergänge zwischen Pleuelkopf 14, Pleuelschaft 12 und Pleuelfuß 17 so gewählt sind, dass im Betrieb der Kolbenmaschine 1 in diesen Bereichen keine die Standzeit gefährdenden Kraftspitzen entstehen.
Die Massenverteilung im Pleuelschaftquerschnitt bzw. im Querschnittsbereich der Verbindungseinrichtung 11 ist vorliegend derart vorgesehen, dass der Kraftfluss zwischen dem Pleuelkopf 14 und dem Pleuelfuß 17 in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 verschoben wird. Dies wird durch ein asymmetrisches Kolbenschaftquerschnittprofil erreicht, bei dem im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 der größere Massenanteil in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 angeordnet ist.
In der nachfolgenden Beschreibung zu Fig. 3 bis Fig. 14 wird der erfindungsgemäße Gedanke grundsätzlich anhand der Darstellung gemäß Fig. 3 beschrieben. Bei der Beschreibung der weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung 6 gemäß Fig. 5 bis Fig. 14 wird zugunsten der Übersichtlichkeit jeweils lediglich auf die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung 6 eingegangen.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung 6, wobei die Zeichenebene einer Rotationsebene der Kurbelwelle 7 entspricht. Die Vorrichtung 6 stellt ein Pleuel einer Brennkraftmaschine dar und weist im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 zwischen den Befestigungseinrichtungen 9 und 10 einen zumindest bereichsweise variierenden Querschnittverlauf auf. Dabei variiert der Querschnittverlauf in Längserstreckung des Pleuels 6 derart, dass ein Abstand in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 zwischen einer eine Symmetrielinie darstellenden Haupterstreckungslinie Lh der Projektionsfläche eines zwischen den Befestigungseinrichtungen 9 und 10 vorgesehenen Verbindungselementes 12 der Verbindungseinrichtung 11 in der Rotationsebene der Kurbelwelle 7 und einer Mittenverbindungslinie Lm zwischen den Befestigungseinrichtungen 9 und 10 zumindest in einem der Kurbelwelle 7 zugewandten Bereich des Verbindungselementes 12 kleiner ist als ein Abstand zwischen der Mittenverbindungslinie Lm und einer die Flächenschwerpunkte der Querschnitte des Verbindungselementes 12 verbindenden Schwerpunktlinie Ls, an welche der Kraftverlauf im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 durch die asymmetrische Massenverteilung angeglichen wird, um in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise eine in Rotationsrichtung der Kurbelwelle 7 wirkende Kraftkomponente Fn zu erzeugen.
In Fig. 4 ist exemplarisch ein Querschnitt der Verbindungseinrichtung 11 der Vorrichtung 6 entlang einer Schnittlinie IV-IV gezeigt. Aus der Ansicht gemäß Fig. 4 geht hervor, dass das Pleuel 6 mit einem asymmetrischen Pleuelschaftquerschnitt ausgebildet ist, bei welchem ein in Bezug auf die Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 und die Mittenverbindungslinie Lm hinterer Bereich 12A des Verbindungselementes 12 mit weniger Material ausgebildet ist als eine Vorderseite bzw. ein vorderer Bereich 12B des Verbindungselementes 12. Mit dieser Querschnittgestaltung des Pleuels 6 wird erreicht, dass die am Kolbenelement 3 angreifende Kolbenkraft Fk, welche im oberen Totpunkt des Kolbenelementes 3 in Richtung des Verlaufes der Mittenverbindungslinie Lm am Kolben angreift, in eine Stangenkraft Fs und in eine Normalkraft Fn zerlegt wird. Im Bereich der Kurbelwelle 7 greift im oberen Totpunkt des Kolbenelementes 12 die in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 wirkende Kraftkomponente Fn an. Damit ist eine mit dem Pleuel 6 ausgebildete Kolbenmaschine 1 im Vergleich zu herkömmlich ausgebildeten Brennkraftmaschinen, bei welchen im oberen Totpunkt des Kolbenelementes 3 die Orientierung der Stangenkraft Fs der Orientierung der Kolbenkraft Fk entspricht und somit kein aus der Kolbenkraft Fk resultierendes Drehmoment an der Kurbelwelle 7 angreift, mit höherem Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringeren Lagerbelastungen betreibbar.
Dem in Fig. 3 dargestellten Kräfteparallelogramm liegt die Kenntnis zugrunde, dass der Kraftfluss im Pleuel 6 der Schwerpunktlinie Ls folgt, wobei zunächst bei der Übertragung der Kolbenkraft Fk die statischen Reserven der Verbindungseinrichtung ausgenutzt werden, bevor die Kraftflussrichtung von der Mittenverbindungslinie Lm abweicht und in Richtung der Schwerpunktlinie Ls tendiert. Das bedeutet, dass die mit geringerer Festigkeit ausgeführte Rückseite 12A des Verbindungselementes 12 unter der Stangenkraft Fs zunächst verformt wird und der Kraftfluss anschließend die stützende Wirkung der mit höherer Festigkeit ausgeführten Vorderseite 12B des Verbindungselementes 12 ausnutzt. Aus diesem Grund ist eine Definition des Kraftverlaufes im Pleuelschaft bzw. im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 grundsätzlich an die Größe der Kolbenkraft Fk in Verbindung mit den statischen Reserven des Pleuels 6 gekoppelt.
Im Bereich des Pleuelkopfes 14 wird die Kolbenkraft Fk möglichst direkt und zentral in den massiven und tragenden Teil des Verbindungselementes 12 eingeleitet. Die Materialverteilung des Verbindungselementes 12 wird derart vorgesehen, dass bei Erreichen des Pleuelfußes 17 bzw. der zweiten Befestigungseinrichtung 10 sich die Flächenschwerpunkte des Pleuelschaftquerschnittes möglichst weit vor der Mittenver- bindungslinie Lm befinden, welche die Mittelpunkte der beiden Pleuelaugen 15 und 18 verbindet.
In Fig. 5 und 6 sind zwei weitere Ausführungsformen der Vorrichtung 6 dargestellt, welche sich von der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 6 lediglich im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 bzw. im Bereich des Pleuelfußes 17 unterscheiden. Bei der Ausführung der Vorrichtung 6 gemäß Fig. 5 ist der Pleuelfuß mit einer wenigstens annähernd waagrechten Teilungsebene ausgeführt, während die Ausführung der Vorrichtung 6 gemäß Fig. 6 mit einer schrägen Teilungsebene ausgebildet ist. Die Entscheidung, ob der Pleuelfuß 17 mit einer schrägen Teilungsebene oder mit einer waagrechten Teilungsebene ausgebildet wird, wird in Abhängigkeit des jeweils zur Verfügung stehenden Bauraumes im Motorblock einer Kolbenmaschine durchgeführt.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 6, welche im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 mit einer in Richtung der Mittenverbindungslinie Lm verlaufenden Hohlbohrung 19 ausgeführt ist, um den Kraftfluss im Bereich der Verbindungseinrichtung 11 in der vorbeschriebenen Art und Weise zur Erzeugung der Normalkraft Fn entlang der Schwerpunktlinie Ls umzuleiten. Fig. 8 zeigt eine Fig. 4 entsprechende Querschnittansicht der Vorrichtung 6 gemäß Fig. 7 entlang einer Schnittlinie VIII-VIII.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 6 ist der Pleuelfußbereich 17 auf der Vorderseite 12B des Verbindungselementes 12 stärker als bei der Vorrichtung 6 gemäß Fig. 3 ausgeführt. Der masseverstärkte Bereich des Pleuelschaftes läuft harmonisch in einen ebenfalls verstärkten Bereich des Pleuelfußes 17 aus. Durch die Verstärkung insbesondere im Pleuelfußbereich 17 der Vorrichtung 6 wird der Abstand zwischen der Schwerpunktlinie Ls und der Mittenverbindungslinie Lm weiter vergrößert, womit die im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 wirkende und in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 gerichtete Normalkraftkomponente Fn im Vergleich zur Ausführung der Vorrichtung 6 gemäß Fig. 3 vergrößert wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 6 ist in Fig. 9a dargestellt, bei welchem das Verbindungselement 12 der Verbindungseinrichtung 11 mit einem in Fig. 9b, Fig. 9c und Fig. 10 näher dargestellten zweiachsig asymmetrischen Pleuelschaftquerschnitt ausgebildet ist, um im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 die in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 wirkende Normalkraft Fn zu erzeugen und gleichzeitig ausreichend Bauraum für Kurbelwellenausgleichsgewichte zur Verfügung stellen zu können. In Fig. 9b ist die Vorrichtung 6 aus der in Fig. 9a näher bezeichneten Ansicht B und in Fig. 9c aus der Ansicht C dargestellt. Zusätzlich zeigt Fig. 10 eine Querschnittan- sieht der Vorrichtung 6 entlang der Schnittlinie X-X gemäß Fig. 9a.
Eine in Fig. 11 und Fig. 12 dargestellte weitere Aus- führungsform der Vorrichtung 6 ist mit sich zwischen den Befestigungseinrichtungen 9 und 10 erstreckenden Nuten 20, 21 ausgebildet, welche ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung 9 in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung 10 in Bezug auf die Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 vor der Schwerpunktlinie Ls verlaufend ausgebildet sind und die Schwerpunktlinie Ls in einem der zweiten Befestigungseinrichtung 10 zugewandten Bereich der Verbindungseinrichtung 11 in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 unter einem spitzen Winkel schneiden. Nach dem Schnittpunkt mit der Schwerpunktlinie Ls verlaufen die Nuten 20, 21 definitionsgemäß hinter der Schwerpunktlinie Ls.
Dabei verlaufen die Nuten 20, 21 ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung 9 in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung 10 solange wie möglich vor der Schwerpunktlinie Ls und schneiden diese in Rotationsrichtung der Kurbelwelle 7 möglichst dicht am Pleuelfuß 17 unter einem möglichst spitzen Winkel, um den Kraftverlauf im Pleuel 6 in Richtung der Vorderseite 12B des Verbindungselementes 12 bzw. der Vorrichtung 6 zu zwingen. Die Nutbreiten der Nuten 20 und 21 sind so schmal wie fertigungstechnisch möglich ausgeführt und die Verläufe der Nuten 20, 21 folgen einem organischen Verlauf mit möglichst großen Krümmungsradien, um im Bereich der Nuten 20, 21 Lastspitzen zu vermeiden. Dadurch, dass die Vorrichtung 6 mit den Nuten 20, 21 ausgebildet ist, ruht das Pleuelauge 15 vollständig auf der tragenden Struktur des verstärkten Pleuelschaftbereiches, wobei die tragende Struktur im Pleuelfuß 17 vor dem Kurbel- wellenhubzapfen 13 ausläuft. Um eine optimale Wirkung der Nuten 20, 21 zu erreichen, ist jeweils die Tiefe der Nuten 20, 21 an jeder Stelle der Verläufe der Nuten 20, 21 derart vorgesehen, dass das statisch zulässige Maß möglichst weit ausgeschöpft ist.
Die zweite Befestigungseinrichtung 10 bzw. deren Pleuelauge 18 ist geteilt ausgeführt, und über eine in Bezug auf die Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 vordere Ver- schraubung 22 und eine hintere Verschraubung 23 verbunden. Um die Nuten 20 und 21 mit dem in Fig. 11 dargestellten Verlauf ausführen zu können, ist die vordere Verschraubung 22 gegenüber der hinteren Verschraubung 23 in der dargestellten Art und Weise verschwenkt und nicht parallel wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung 6 angeordnet.
Die in Fig. 13 dargestellte weitere Ausführungsform der Vorrichtung 6 bzw. deren Verbindungseinrichtung 11 ist zumindest in der Kurbelwelle 7 zugewandten Bereichen mit Bohrungen 24 ausgebildet, die wenigstens annähernd senkrecht zur Rotationsebene der Kurbelwelle 7 angeordnet sind. Über die Bohrungen 24 wird der Kraftverlauf in Richtung der Vorderseite 12B des Verbindungselementes 12 geführt. Die Bohrungen 24 behindern ein Abfließen der Kraft in den in Bezug auf die Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 ausgehend von den Bohrungen 24 betrachtet hinteren Teil des Pleuelfußes 17. Bei der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 6 ist der Querschnittsverlauf der Verbindungseinrichtung 11 zwischen den beiden Befestigungseinrichtungen 9 und 10 derart, dass die Haupterstreckungslinie Lh in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 im Bereich des Pleuelkopfes 14 definitionsgemäß vor der Mittenverbindungslinie Lm und der Schwerpunktlinie Ls angeordnet ist. Dies resultiert aus der Tatsache, dass im oberen Bereich bzw. in dem der ersten Befestigungseinrichtung 9 zugewandten Bereich des Pleuelschaftes bzw. der Verbindungseinrichtung 11 der hintere Bereich 12A des Verbindungselementes 12 massereicher ausgebildet ist als der vordere Bereich 12B. Mit zunehmendem Abstand vom Pleuelkopf 14 verlagert sich der Masseschwerpunkt des Verbindungselementes 12 jeweils zunehmend in Richtung des vorderen Bereiches 12A, womit die Haupterstreckungslinie Lh die Mittenverbindungslinie Lm in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 schneidet und im Bereich des Pleuelfußes 17 in Rotationsrichtung R hinter der Mittenverbindungslinie Lm verläuft und im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 die in Rotationsrichtung wirkende Normalkraft Fn zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Kolbenmaschine 1 vorliegt.
Dies resultiert aus der Tatsache, dass die Schwerpunktlinie Ls ab dem Schnittpunkt mit der Mittenverbindungslinie Lm in Rotationsrichtung R der Kurbelwelle 7 hinter der Mittenverbindungslinie Lm verläuft, wobei der Abstand zur Mittenverbindungslinie Lm in den Pleuelfuß 17 zugewandten Bereichen des Verbindungselementes 12 wie bei den Ausführungsformen der Vorrichtung 6 gemäß Fig. 3 bis Fig. 13 größer als der Abstand zwischen der Haupterstre- ckungslinie Lh und der Mittenverbindungslinie Lm ist.
Grundsätzlich weist die Verbindungseinrichtung 11 bzw. der Pleuelschaft des Pleuels 6 gemäß Fig. 14 in Bezug auf die Mittenverbindungslinie Lm in der Rotationsebene der Kurbelwelle 7 bzw. in der Zeichenebene eine Verschwenkung auf, um die vorbeschriebene Kraftumlenkung zusätzlich zu der Querschnittgestaltung der Verbindungseinrichtung 11 weiter zu verbessern, wobei das Schwenken des Pleuelschaftes die vorbeschriebenen Wirkungen der Nuten 20 und 21 weiter verbessert, da die Kraftlenkung im mittleren Schaftbereich des Pleuels 6 dann sehr effizient gestaltbar ist.
Um den im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung 10 positiv wirksamen Hebel durch die vorbeschriebene Mas- senschwerpunktverschiebung im Bereich de Verbindungselementes 12 bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung 6 zu vergrößern, wird beim Auslaufen der Vorderkante des Pleuelschaftes bzw. des Verbindungselementes 12 in den Pleuelfuß 17 der im Kurbelgehäuse verfügbare Raum soweit möglich und sinnvoll für eine größere Materialstärke in diesem Bereich genutzt.
Vor allem bei kleineren Motoren mit großen mechanischen Reserven kann das Prinzip der Vorrichtung nach der Erfindung bzw. des sogenannten Kraftlenkpleuels noch deutlich verstärkt werden. Zu diesem Zweck ist beispielsweise eine schmale Nut, möglichst beidseitig, so im Längsverlauf des Pleuels anbringbar, dass der Kraftverlauf im vorderen Bereich des Pleuelfußes, d. h. vor dem Kurbelwellenhubzap- fen, mündet. Eine solche Nut stellt für den Kraftfluss im Pleuel eine zusätzlich zum Verlauf des Massenschwerpunktes wirksame Grenzlinie dar.
Grundsätzlich liegen der Beschreibung der Anordnung der Haupterstreckungslinie, der Schwerpunktlinie, der Mittenverbindungslinie, der Nuten und der Hohlbohrung zueinander jeweils Betriebszustände zugrunde, zu den die Vorrichtung bzw. deren Verbindungseinrichtung sich in zu dem oberen Totpunkt des Kolbenelementes nahen Stellungen befindet. Wird beispielsweise eine Anordnung der Schwerpunktlinie in einem Bereich der Verbindungseinrichtung in Rotationsrichtung der Kurbelwelle vor der Haupterstreckungslinie beschrieben, dann blickt ein in diesem Bereich auf der Schwerpunktlinie definitionsgemäß positionierter Betrachter, dessen Blick ausgehend von der Schwerpunktlinie in Rotationsrichtung gerichtet ist, auf die Haupterstreckungslinie, deren Position die Schwerpunktlinie bei zunehmender Rotation der Kurbelwelle erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht .
Bezugs zeichenliste
1 Kolbenmaschine
2 Raum, Brennraum
3 Kolbenelement
4 Zylinder
5 Wirkfläche
6 Vorrichtung
7 Kurbelwelle
8 Kurbelwellenhauptlagerung
9 erste Befestigungseinrichtung
10 zweite Befestigungseinrichtung
11 Verbindungseinrichtung
12 Verbindungselement
12A hinterer Bereich des Verbindungselementes
12B vorderer Bereich des Verbindungselementes
13 Kurbelwellenhubzapfen
14 Pleuelkopf
15 Pleuelauge
16 Kolbenbolzen
17 Pleuelfuß
18 Pleuelauge
19 Hohlbohrung
20, 21 Nut
22 vordere Verschraubung
23 hintere Verschraubung
24 Bohrungen
Fk Kolbenkraft
Fn Normalkraft
Fs Stangenkraft
Lh Haupterstreckungslinie
Lm MittenVerbindungslinie Ls Schwerpunktlinie
R Rotationsrichtung der Kurbelwelle

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Vorrichtung (6) zum Verbinden eines Kolbenelementes (3) mit einer Kurbelwelle (7) einer Kolbenmaschine (1), insbesondere einer Brennkraftmaschine, die eine sich zwischen zwei Befestigungseinrichtungen (9, 10) erstreckende Verbindungseinrichtung (11) umfasst, die über die erste Befestigungseinrichtung (9) auf einer einem Kolbenraum (2) der Kolbenmaschine (1) abgewandten Seite des Kolbenelementes (3) mit dem Kolbenelement (3) und über die zweite Befestigungseinrichtung (10) mit der Kurbelwelle (7) drehbar verbindbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungseinrichtung (11) zwischen den Befestigungseinrichtungen (9, 10) einen derartigen Querschnittsverlauf aufweist, dass ein Abstand in Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle (7) zwischen einer eine Symmetrielinie darstellenden Haupterstreckungslinie (Lh) der Projektionsfläche eines zwischen den Befestigungseinrichtungen (9, 10) vorgesehenen Verbindungselementes (12) der Verbindungseinrichtung (11) in der Rotationsebene der Kurbelwelle (7) und einer Mittenverbindungslinie (Lm) zwischen den Befestigungseinrichtungen (9, 10) zumindest in einem der Kurbelwelle (7) zugewandten Bereich des Verbindungselementes (12) kleiner ist als ein Abstand zwischen der Mittenverbindungslinie (Lm) und einer die Flächenschwerpunkte der Querschnitte des Verbindungselementes (12) verbindenden Schwerpunktlinie (Ls) .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schwerpunktlinie (Ls) in einem der ersten Befestigungseinrichtung (9) zugewandten Bereich der Verbindungseinrichtung (11) in Bezug auf die Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle (7) vor der Haupterstreckungs- linie (Lh) angeordnet ist und die Haupterstreckungsli- nie (Lh) in einem der zweiten Befestigungseinrichtung (10) zugewandten Bereich des Verbindungselementes (12) in Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle (7) verlaufend schneidet .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Abstand zwischen der Schwerpunktlinie (Ls) und der Haupterstreckungslinie (Lh) ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung (9) in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung (10) zumindest bereichsweise in Richtung eines Maximums ansteigt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungseinrichtung (11) im Bereich des Verbindungselementes (12) mit mindestens einer wenigstens annähernd mit der Orientierung der Haupterstreckungslinie (Lh) verlaufenden Hohlbohrung (19) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Querschnitte des Verbindungselementes (12) jeweils in im oberen Totpunkt des Kolbenelementes (13) senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Kolbenelementes (3) senkrecht stehenden Querschnittsebenen zweiachsig asymmetrisch ausgeführt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungseinrichtung (11) mit wenigstens einer im Wesentlichen sich zwischen den Befestigungseinrichtungen (9, 10) erstreckenden Nut (20, 21) ausgebildet ist, welche ausgehend von der ersten Befestigungseinrichtung
(9) in Richtung der zweiten Befestigungseinrichtung
(10) in Bezug auf die Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle (7) vor der Schwerpunktlinie (Ls) verlaufend ausgebildet ist und die Schwerpunktlinie (Ls) in einem der zweiten Befestigungseinrichtung (10) zugewandten Bereich in Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle (7) unter einem vorzugsweise spitzen Winkel schneidet.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Befestigungseinrichtung (10) mit einem geteilten unteren Pleuelauge (18) ausgeführt ist, das ü- ber eine in Bezug auf die Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle (7) vordere Verschraubung (22) und eine hintere Verschraubung (23) verbunden ist, wobei die vordere Verschraubung (22) gegenüber der hinteren Verschraubung (23) verschwenkt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungseinrichtung (11) zumindest in der Kurbelwelle (7) zugewandten Bereichen mit Bohrungen (24) ausgebildet ist, die wenigstens annähernd senkrecht zur Rotationsebene der Kurbelwelle (7) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung aus einem druckfesten und biegesteifen Verbundmaterial ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Befestigungseinrichtungen und die Verbindungseinrichtung aus einem Faserverbundmaterial hergestellt sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Befestigungseinrichtungen (9, 10) und die Verbindungseinrichtung (11) eine organische Form aufweisen, bei der die tragende Struktur in Bezug auf die Rotationsrichtung (R) der Kurbelwelle (7) in den vorderen Bereich der Verbindungseinrichtung (11) verlagert ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kolbenelement (3) im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung (9) exzentrisch mit der Verbindungseinrichtung (11) verbindbar ist, wobei eine Verweilzeit des Kolbenelementes (3) im Bereich seines oberen Totpunktes in Abhängigkeit der Exzentrizität variiert.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verbindungsrichtung (11) im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung (10) exzentrisch mit der Kurbelwelle (7) verbindbar ist, wobei eine Verweilzeit des Kolbenelementes (3) im Bereich seines oberen Totpunktes in Abhängigkeit der Exzentrizität variiert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kolbenelement (3) im Bereich der ersten Befestigungseinrichtung (9) und die Kurbelwelle (7) im Bereich der zweiten Befestigungseinrichtung (10) exzentrisch mit der Verbindungseinrichtung (11) verbindbar sind, wobei die Exzentrizitäten derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine Verweilzeit des Kolbenelementes (3) im Bereich seines oberen Totpunktes zuerst von der einen Exzentrizität und dann von der anderen Exzentrizität beeinflusst wird.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Kurbelwellenhauptlagerung (8) exzentrisch zur Mittelachse des Kolbenelementes (3) angeordnet ist.
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