DE19516031C1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Kolben über eine Pleuelstange mit einem Kurbeltrieb verbunden ist, der mit einem Schwungrad ausgestattet ist.

Bei den bekannten Hubkolbenmotoren wird die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches gewonnene Bewegungsenergie in eine lineare Kolbenbewegung umgesetzt, die ein Kurbeltrieb in eine Drehbewegung umwandelt. Hierbei wird die Kolbenbewegung über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen, die für jede angeschlossene Pleuelstange eine Kurbelkröpfung für die Lagerung der Pleuelstangen neben meist mehr als zwei Kurbelwellenlagern im Motorblock aufweist. Für jeden Hubkolben müssen die Zylinder mit einem Einlaß- und einem Auslaßventil mit der notwendigen Ventilsteuerung ausgestattet sein. Wegen der jeweils speziellen Anpassung an die Anzahl der Zylinder eines Motors und die sehr hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Kurbelwellen und der Ventilnockenwellen verteuern sie in erheblichem Maß die Motorherstellungskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Viertaktmotor zu schaffen, der ohne Kurbelwelle und ohne spezielle Ventile mit Ventilnockenwelle arbeitet.

Die gestellte Aufgabe wird durch die in Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die neuartige Lagerung des triebseitigen Endes der Pleuelstangen direkt am Schwungrad mit einer Achsrichtung parallel zur Kolbenachse wird der Kolben bei einem Arbeitsspiel (2 Schwungradumdrehungen, 4 Takte) eine Umdrehung ausführen und die Einlaß- und Auslaßventilsteuerung ausüben. In den Patentansprüchen 5 und 6 werden zwei Abwandlungen des Grundgedankens der Erfindung durch eine Schrägstellung der Schwungradachsrichtung beschrieben, die sich durch geringere Abmessungen des Schwungraddurchmessers, des Schwungradgehäuses, geringere Auslenkung der Pleuelstangen und geringere Seitenkräfte auf Kolben und Lager auszeichnet. Drei Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei Zylindern in Kolbenstellung, unterer Totlage,

Fig. 2 die Hubkolbenbrennkraftmaschine, obere Totlage,

Fig. 3 Schaubild zur Kolbenbewegung bei einem Arbeitsspiel,

Fig. 3a ein Schnittbild des Zylinders,

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Kolbendrehung,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Maschine mit Schrägstellung des Schwungrades, Kolben in oberer Totlage,

Fig. 6 desgleichen mit Kolben in oberer Totlage und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform mit schräg gestelltem Schwungrad.

Die Hubkolbenbrennkraftmaschine (Fig. 1 und 2) ist in der Ausführung einer Zweizylindermaschine als Boxermotor dargestellt, deren Zylinder 1 und 2 mit ihren Kolben 3 und 4 beiderseits eines Schwungrades 5 angeordnet sind. Die beiden Zylinder 1 und 2 sind auf einer gemeinsamen Achse, im folgenden als Kolbenachse 6 bezeichnet, einander gegenüberliegend auf den Stirnseiten eines Schwungradgehäuses 8 befestigt, in dem das Schwungrad 5 auf Kugel- oder Rollenlagern 10 läuft.

In den Kolben 3 und 4 ist je eine Pleuelstange 12 und 13 auf einem Kolbenbolzen 15 schwenkbar gelagert, und die freien Enden dieser beiden Pleuelstangen sind mittels eines Pleuelbolzens 16 exzentrisch und zwar dreh- und schwenkbar am Schwungrad 5 geführt. Die Schwungradachse 18 ist parallel zur Kolbenachse 6 ausgerichtet und in einem solchen Abstand angeordnet, daß die Achse 16a der exzentrischen Lagerung des Pleuelkolbens 16 im Schwungrad 5 mit der Kolbenachse 6 zusammenfällt, wenn sich die Kolben 3 und 4 der beiden Zylinder 1 und 2 in ihrer oberen Totlage befinden. Dieser Zustand, in dem auch die beiden Pleuelstangen 12 und 13 genau in der Kolbenachse 6 liegen, ist in Fig. 2 dargestellt.

Das Schwungrad 5 ist zur vorteilhaften Lagerung des Pleuelbolzens 16 aus zwei gleichen spiegelbildlich angeordneten und miteinander verbundenen Schalen 5a und 5b zusammengesetzt. Zur sicheren Führung des Pleuelbolzens 16 im Schwungrad weist der Pleuelbolzen einen mittig angeordneten Führungsbund 20 auf. Die beiden Schalen 5a und 5b des Schwungrades 5 sind je mit einer Bohrung 22 und einer Aussparung 23 für den Führungsbund 20 des Pleuelbolzens 16 versehen. Für die schwenkbare Lagerung der Pleuelstangen 12 und 13 ist der Pleuelbolzen an seinen Enden mit einem Schlitz 25 entsprechender Breite und mit einer Bohrung 26 für einen Lagerbolzen 27 versehen. Zum Abtrieb der Rotationsbewegung des Schwungrades 5 ist ein Zahnkranz 29 konzentrisch und fest auf dem Schwungradmantel 30 angeordnet. Der Zahnkranz gestattet den Anschluß eines Getriebes und ermöglicht auch den Anschluß weiterer gleicher Motorgruppen im Parallelbetrieb.

Die in den Fig. 1 und 2 in der unteren und oberen Totlage abgebildeten Baugruppen sind mit zwei gleichen einander gegenüberliegenden Zylindern dargestellt. Die folgenden auf den Zylinder 1 gerichteten Ausführungen gelten auch für den Zylinder 2.

Der Zylinder 1 ist mit einer Einlaßöffnung 32, einer Auslaßöffnung 33 und einer Zündkerze 34 ausgestattet. Der Kolben 3 besitzt im mittleren Bereich des Kolbenmantels eine Seitenöffnung 35, von der ein Gasleitkanal 36 zu einer Kolbenkopföffnung 37 führt. Die Einlaßöffnung 32 und die Auslaßöffnung 33 (Fig. 3a) liegen am Zylindermantel um 90° versetzt auf gleicher Höhe, die so gewählt ist, daß die Seitenöffnung 35 des Kolbens 1 in seiner Mittellage zwischen dem oberen und unteren Totpunkt in den Takten "Ansaugen" und "Ausstoßen" ebenfalls in dieser Höhenlage erscheint, wie in der Darstellung des Wegeverlaufs der Seitenöffnung während der vier Takte in Fig. 3 dargestellt ist. Hier ist auch zu erkennen, daß die Mitten der Auslaßöffnung 33 und der Einlaßöffnung 32 durch die Mitte der Seitenöffnung 35 bei der Drehung des Kolbens überstrichen werden die bei einem Arbeitsspiel mit vier Takten einmal erfolgt, während das Schwungrad zwei Umdrehungen ausführt.

Der Zusammenhang zwischen Kolbendrehung und der zweifachen Schwungraddrehung wird nun anhand der Fig. 4 erläutert, die den Zylinder 1 mit Kolben 3 in der unteren Totlage mit Pleuelstange 12 und der Schale 5a des Schwungrades zeigt. Hierzu ist der Bewegungsablauf durch Einzeichnung des vereinfachten Schnittbildes des Lagerkopfes der Pleuelstange 12 in mehreren Positionen während einer Umdrehung des Schwungrades 5 dargestellt. Man erkennt, daß die Pleuelstange während einer halben Umdrehung des Schwungrades nur um 90° gedreht wurde, sie zeigt jetzt ihre Schmalseite nach oben, und der Kolben 3 steht in seiner oberen Totlage wie in Fig. 2 dargestellt ist. Mit der Pleuelstange ist auch der Kolben 3 um 90° gedreht worden. Nach einer weiteren halben Umdrehung des Schwungrades ergibt sich wieder das Bild der Fig. 4, jedoch die Pleuelstange 12 zeigt jetzt die andere Breitseite nach oben da sie sich, und mit ihr der Kolben, um 180° gedreht haben.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausgestaltung der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Maschine durch ein schräg gestelltes Schwungrad 43, das auf einem entsprechend schräg angeordneten Schwungradträger 44 gelagert ist. Es ergeben sich durch diese Abwandlung wesentliche Vorteile: Wie aus einem Vergleich von Fig. 1 und Fig. 5 ohne weiteres ersichtlich ist, fällt bei der Lösung gemäß Fig. 5 der maximale Winkel der Pleuelstangen 48 und 49 gegenüber ihren Kolbenachsen im Augenblick der unteren Totlage der Kolben wesentlich kleiner aus, wodurch die Seitenkraft auf die Kolben und die Lager geringer ausfällt. Bei gleicher Länge der Pleuelstangen läßt sich ein größerer Hub erreichen und das Schwungradgehäuse 42 kleiner ausbilden.

Die Zylinder 40 und 41 sind einander gegenüberliegend versetzt mit parallelen Zylinderachsen auf dem Schwungradgehäuse 42 angeordnet, in dem das Schwungrad 43 auf einem schräg liegenden Schwungradträger 44 gelagert ist. Das Schwungrad ist auch bei dieser Ausgestaltung zugleich Träger für einen Abtriebszahnkranz 45. Die Schwungradachse 46 liegt in einer Ebene mit den Zylinder- und Kolbenachsen und bildet mit ihnen einen spitzen Winkel. Die triebseitigen Enden der Kolbenstangen 48 und 49 besitzen je einen zylinderförmigen Kopf 50 und sind diagonal und exzentrisch in einem Pleueldrehlager 52 dreh- und schwenkbar gelagert. Das Schwungrad 42 ist ähnlich wie bei der Grundausführung in den Fig. 1 und 2 aus zwei Schalen zusammengesetzt, zwischen denen das Pleueldrehlager 52 schwenkbar eingespannt ist. Das Pleueldrehlager 52 besteht aus zwei gleichen Teilen mit der in Fig. 5 als Schnittbild dargestellten Form mit zwei topfförmigen Aussparungen 54 für die Lagerung der zylinderförmigen Köpfe 50 der Pleuelstangen.

In Fig. 7 ist eine andere Ausgestaltung für die schräge Lagerung des Schwungrades 60 dargestellt. Der im Schwungradgehäuse 61 schräg angeordnete Schwungradträger 62 besitzt eine zentrale Welle 63, auf der in der Mitte ein Abtriebszahnrad 64 und an den Seiten je ein Schwungradteil 65 und 66 befestigt sind. Beide Schwungradteile weisen ein Pleueldrehlager 67 auf, das jeweils den Kopf einer Pleuelstange aufnimmt. Die Zylinder dieser Motoranordnung liegen auf einer Achse, ebenso wie im Augenblick der oberen Totlage der Kolben auch die Pleuelstangen.

Zur Gestaltung des Kolbens ist noch anzuführen, daß die Seitenöffnungen 35 durch Dichtleisten 39 und Kolbenringe 38 gegenüber dem Zylinderraum abgedichtet ist. Die parallel zur Kolbenachse seitlich dicht an der Seitenöffnung 35 in Nuten angeordneten Dichtleisten 39 erhalten durch auf dem Nutgrund liegende Blattfedern den erforderlichen Anpreßdruck an die Zylinderwand.

Eine besonders vorteilhafte Maßnahme ergibt sich aus der neuartigen Anordnung der Kolbenringe 38, die mit ihrem in Drehrichtung des Kolbens vorlaufenden Ende in der Kolbennut eingespannt oder festgehalten sind. Diese Halterung kann durch einen am Ende des Kolbenringes rechtwinkelig befestigten Bolzen erfolgen, der in eine Bohrung des Kolbens faßt. Der Anpreßdruck der Kolbenringe an der Zylinderwand wird durch die gleichzeitige Drehung des Kolbens erheblich reduziert, ohne die geforderte Abdichtung einzubüßen. Ein geringerer Anpreßdruck der Kolbenringe am Zylinder erzeugt weniger Wärme und erfordert weniger Schmiermittel. Die durchschnittliche Verbrennungstemperatur kann höher gewählt werden, wodurch der Wirkungsgrad verbessert werden kann.

Claims (9)

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine, deren Kolben über eine Pleuelstange mit einem Kurbeltrieb verbunden ist, der mit einem Schwungrad ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das triebseitige Ende der Pleuelstange (12) am Schwungrad (5) dreh- und schwenkbar exzentrisch zur Schwungradachse (18) gelagert ist, die in einer Ebene parallel mit der Kolbenachse (6) verläuft, wobei der Abstand der beiden Achsen so gewählt ist, daß die Achse (16a) der Lagerung des Pleuelkolbens (16) im Schwungrad (5) in der oberen Totlage des Kolbens (3) im Zylinder (1) in Richtung der Kolbenachse (6) zu liegen kommt und daß ein Arbeitsspiel der Maschine durch zwei Schwungradumdrehungen abläuft, und wobei durch Drehung des Kolbens (3) um seine Längsachse die Einlaß- bzw. Auslaßöffnung (32, 33) des Zylinders mit einer Öffnung im Kolben (3) mit dem Brennraum verbunden sind.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei im Gleichtakt als Boxermotoren arbeitende Maschineneinheiten, deren Zylinderachsen miteinander fluchten, wobei die Pleuelstangen (12, 13) an einem gemeinsamen exzentrisch im Schwungrad (5) gelagerten Pleuelbolzen (16) angelenkt sind.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (5) aus zwei gleichen spiegelbildlich angeordneten und miteinander verbundenen Schalen (5a und 5b) besteht, deren gemeinsame Bohrung (26) für die Lagerung des Pleuelbolzens (16) beidseitig der aneinanderliegenden Verbindungsflächen der Schalen Aussparungen (23) für einen mittig angeordneten Führungsbund (20) des Pleuelbolzens (16) aufweisen.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Mantelfläche des Schwungrades (5) ein Abtriebszahnkranz (29) zum Anschluß weiterer Boxermotoren und eines Getriebes befestigt ist.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei Zylindern in Boxeranordnung von gegenläufigen Kolben, die mit je einer Pleuelstange mit einem Kurbeltrieb verbunden sind, der mit einem Schwungrad ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (40 und 41) einander gegenüberliegend versetzt mit parallelen Zylinderachsen an einem Schwungradgehäuse (42) angeordnet sind, in dem auf einem schräg zu den Zylinderachsen liegenden Schwungradträger (44) das Schwungrad (43) mit einem Abtriebszahnkranz (45) gelagert ist, wobei die Schwungradachse (46) in der Ebene der Zylinderachsen liegt und daß die triebseitigen Enden der Pleuelstangen (48) im Schwungrad (43) dreh- und schwenkbar diagonal und exzentrisch gelagert sind.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei Zylindern in Boxeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, die Zylinder fluchtend auf einem Schwungradgehäuse (61) angeordnet sind, in dem auf einem schräg zu den Zylinderachsen liegenden Schwungradträger (62) ein Abtriebszahnrad mit zwei symmetrisch angeordneten Schwungradteilen (65, 66) dreh- und schwenkbar diagonal und exzentrisch gelagert sind.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolben ein Gasleitkanal (36) von einer Kolbenkopföffnung (37) zu einer Seitenöffnung (35) im mittleren Bereich des Kolbenmantels führt und die Seitenöffnung zwischen oberen und unteren Kolbenringen angeordnet ist, und daß in Nuten federnd gelagerte und parallel zur Kolbenachse angeordnete Dichtleisten (39) die Seitenöffnung (35) beidseitig gegen den Zylinderraum abdichten.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenringe (38) an ihrem in Drehrichtung des Kolbens vorlaufenden Ende in der Kolbenringnut beweglich eingespannt sind.

9. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (32) für das Frischgas und die Auslaßöffnung (33) für das Abgas um 90° versetzt auf gleicher Höhe am Zylinder angeordnet sind.