DE2539047A1 - Maschine mit mehreren in je einem zylinder hin- und hergehenden kolben, insbesondere verbrennungsmotor mit veraenderlichem hubraum - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

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CREATIE STIINTIFICA SI DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ

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Datum i. September 1975 Kr/h

Maschine mit mehreren in je einem Zylinder hin-und hergehenden Kolbeu, insbesondere Verbrennungsmotor mit veränderlichem Hubraum

Die Erfindung betrifft eine Maschine mit mehreren in je einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, insbesondere einen Viertaktverbrennungsmotor, dessen Kolbenhub in Abhängigkeit von der Belastung der Motorwelle vorzugsweise vollautomatisch einstellbar ist.

Der herkömmliche Verbrennungsmotor hat aufgrund seiner Konstruktion einen unveränderlichen Kolbenhub und daher jeweils nur einen einzigen Wert des maximalen Drehmoments bzw. der maximalen Leistung. Die Abmessungen des Motors müssen so festgelegt werden, daß der Motor die von ihm geforderte Leistung bei möglichst geringem Brennstoffverbrauch erbringt.

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Dies hat aber den Nachteil, daß der Kraftstoffverbrauch bei einer anderen, insbesondere geringeren Belastung ansteigt.

Bei den herkömmlichen Kolbenmotoren wird die Translationsbewegung der Kolben mittels Kurbeltriebes in die Rotationsbewegung der Motorwelle umgesetzt. In dem Maße nun, wie die Pleuelstange zur Zylinderachse geneigt ist, treten Kräfte senkrecht zur Zylinderwandung auf, wodurch der Wirkungsgrad herabgesetzt wird und vor allem bei mangelnder Schmierung ein Fressen der Kolben eintreten kann. Auch ist bei den herkömmlichen Kolbenmotoren die relativ lange kineamtische Kette nachteilig, d. h. die oben sitzenden Ventile der Zylinder müssen von der unten sitzenden Kurbelwelle aus angetrieben werden, wodurch eine ziemlich lange Kette von mechanischen Übertragungsgliedern wie Zahnräder, Nockenwelle, Stößel, Winkelhebel erforderlich sind.

Als nachteilig bei dem herkömmlichen Kolbenmotor ist auch anzusehen, daß beim Kurbeltrieb Schläge am Kolben, insbesondere das berüchtigte "Klopfen" ungedämpft auf die Kurbelwelle übertragen wird; durch derartige Erschütterungen wird der Verschleiß erhöht. Es ware also ein elastisches Dämpf ^*ungsglied zwischen Kolben und Motorwelle vorteilhaft.

Es ist auch bereits ein Verbrennungsmotor mit veränderlichem Hubraum bekannt. Und zwar wird durch Veränderung der Länge des Kurbel arme s der Kolbenhub verändert. Auch ist der Abstand

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zwischen Zylinderkopf und Kurbelwellenachse, und damit das gewünschte Verdichtungsverhältnis, einstellbar.

Die Änderung der Kurbellänge wird durch eine exzentrische Muffe erreicht, die zwischen dem Lager der Pleuelstange und dem Kurbelarm angeordnet ist.

Mit dem Mechanismus zur Veränderung des Kolbenhubes ist ein Einstellmechanxsmus zum Anheben oder Absenken des Zylinderkopfes verbunden.

Die Kniehebel für die Steuerung der Ein- und Auslaßventile sind auf dem beweglichen ZyInderkopf montiert, die Kipphebel werden drehbar auf Stützen montiert, während die Stützen fest befestigt auf einer Achse sind. Die Achse findet sich in einem Rahmen montiert. Der Rahmen steht in Verbindung mit dem Mechanismus für die Hubveränderung, bzw. dem Mechanismus zum Verschieben des Zylinderkopfes, so daß also die Schwenkachse der Kniehebel im gleichen Sinne wie der Zylinderkopf verschoben werden.

Dieser bekannte Motor mit veränderlichem Hubraum hat jedoch große Nachteile, insbesondere ist er zu kompliziert und aufwendig. Ein kleiner Verschleiß in der ziemlich langen, komplizierten kinematischen Kette der Hebregelung verursacht große Störungen im Motorbetrieb. Der bewegliche Zylinderkopf wirft schwierige Fragen bezüglich der Herstellung und des Betriebes

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auf, insbesondere bezüglich der Abdichtung und Kühlung. Auch ist der mechanische Wirkungsgrad dieses Motors sehr klein.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der aufgezeigten Nachteile des herkömmlichen Kolbenmotors einen Kolbenmotor mit in Abhängigkeit von der Belastung einstellbare« Kolbenhub und einstellbarem Verdichtungsverhältnis zu schaffen, der relativ einfach aufgebaut ist und während einer langen Lebensdauer zuverlässig arbeitet. Die Lösung dieser Aufgabe besteht geaäß der Erfindung darin, daß die Zylinder über den Umfang eines Kreises verteilt längs der Mantellinien eines gemeinsamen, gedachten Zylinders oder Kegels angeordnet sind, und daß die Pleuelstangen mittels je eines Kugelgelenks o. dgl. mit eine« Tauraelkörper verbunden sind, durch den sich ein zu der ßbene der Kugelgelenke (Äquatorialebene) senkrecht stehender, zentraler Schaft hindurcherstreckt, der gelenkig mit der Motorwelle verbunden ist.

Im Betrieb wird der Taumelkörper von den sich phasenverschoben auf- und abtoewegenden Pleuelstangen in eine taumelnde Bewegung versetzt, so daß der Schaft einen Doppelkegel beschreibt. (Die beiden Spitzen, mit denen die beiden Kegel zusammenstoßen, liegen dabei i» Zentrum des Taumelkörpers.) Die Enden des Schaftes beschreiben also Kreisbahnen, das eine, vorzugsweise das von den Zylindern abliegende Ende des Schaftes ist entsprechend gelenkig mit der Motorwelle verbunden, womit die gewünschte Umsetzung der auf- und abgehenden Bewegung in eine

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Drehbewegung erreicht ist.

Weitere Ausgestaltungen, insbesondere zur einfachen Einstellung des Kolbenhubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Belastung sind in den Unteransprüchen angegeben. Da sich diese weiteren Erfindungsmerkmale und Ausgestaltungen der Erfindung jedoch weit besser anhand einer Zeichnung erläutern lassen, wird hierzu auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung verwiesen.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt im axialen Schnitt die Ventilsteuerung.

Fig. 3 zeigt schematisch die Ventilsteuerung in Draufsicht von oben.

Fig. 4 ist eine Skizze zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Umwandlung der Hin- und HerbewegungfÜer Kolben in eine Drehbewegung.

Fig. 5 zeigt diesen Mechanismus, also den Motor gemäß der Erfindung, schaubildlich in größerem Maßstab.

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In dem Zylinderblock 1 sind fünf Zylinder mit je einem Kolben koaxial und ringförmig angeordnet, d. h. die Längsmittellinien der Zylinder liegen in gleichmäßigen Winkelabständen voneinander auf einem Kreis bzw. sind Mantellinien eines gemeinsamen, gedachten Zylinders. Die Zylinder können auch nach einem Kegelmantel angeordnet sein, so daß also die Zylinderachsen Mantellinien eines gemeinsamen Kegels darstellen. Im Ausführungsbeispiel sind fünf Zylinder vorgesehen, es kann aber auch eine andere, vorzugsweise unpaarige Zylinderzahl vorgesehen sein.

Die Pleuelstangen 3 jedes Kolbens 2 sind mittels je eines Kugelgelenks 4 an einem kugeligen Taumelkörper 5 angelenkt, der mittels zweier kugeliger Gleitlager 6 in einem Gestellt bzw. Schlitten 7 gelagert ist, welcher Schlitten 7 längs an dem Gehäuse 8 fest angebrachten, zu den Zylindern koaxialen Führungen gegen Federkraft 9 verschieblich ist.

Die Kugelgelenke 4 liegen auf einer gemeinsamen, zu dem Taumelkörper 5 äquatorialen Ebene. Senkrecht zu und zentral durch diese Ebene erstreckt sich ein Schaft 10, der gegenüber dem Taumelkörper 5 drehbar, aber nicht axial verschieblich gelagert ist.

Der Schaft 10 ist mit seinem den Zylindern zugewandeten Ende gelenkig, aber undrehbar mit einer Steuervorrichtung mit Nockenscheibe 13 zur Steuerung der Ein- und Auslaßventile verbunden. An dem anderen, von den Zylindern abliegenden Ende ist der

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Schaft 10 ebenfalls gelenkig, aber undrehbar mit der Motorwelle 11 verbunden, und zwar weist die Motorwelle 11 zu diesem Zweck eine Gabel 11a auf, in die ein verbreiterter Kopf 10a am Ende des Schaftes 10 eingreift. Die beiden Gabelschenkel 11a weisen an ihren Innenseiten je eine zur Achse der Motorwelle 11 schräge Nut a auf; in diesen beiden Nuten a gleiten je ein Gleitstück 14, welche an den zugehörigen Seite** des Kopfes 10a des Schafts 10 angelenkt sind.

Auf der Motorwelle 11 sitzt ein Zahnrad 17, welches mit einem bei 19 gelagerten weiteren Stirnrad 18 kämmt, von dem aus über eineii Schneckentrieb }& die üblichen Hilf sagrregate wie Benzin pumpe, Lichtmaschine und so weiter angetrieben werdeu.

Jer Kopf lOa weist eine zu der Achse des Schaftes 10 und zu der Schwenkachse der Gleitstücke 14 senkrechte Bohrung auf, durch die hindurch sich ein Bolzen bzw. eine Stange erstreckt, die mit im wesentlichen zylindrischen Ausgleichsgewichten versehen ist.

Zum Zwecke der Drehverbindung zwischen Schaft 10 und Nockenscheibe 13 weist das obere Ende des Schaftes 10 einen koaxialen Schlitz lOb auf, in den eine Scheibe 20 eingreift, die am unteren Ende eines zu den Zylindern zentrisch gelagerten Zapfens 21 ausgebildet ist, der über Zahnräder 12, insbesondere nach Art eines Planetentriebes die Nockenscheibe 13 antreibt.

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An dem die Steuernocken aufweisenden bzw. bildenden Umfang der Nockenscheibe 13 sind über Röllchen 22 Winkelhebel 23 abgestützt, die an ihrem einen Ende 24 am Zylinderkopf gelagert sind und mit ihrem anderen Ende wie üblich auf jeweils einen federbeaufschlagten Ventilstößel drücken.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Motors ist wie folgt:

Entsprechend der eingestellten Zündfolge bewegen sich die Kolben phasenverschoben hin und her, wodurch jedes Kugelgelenk 4 ebenfalls hin- und herbewegt wird mit der gleichen Phasenverschiebung, wodurch der Taumelkörper 5 insgesamt in eine taumelnde Bewegung versetzt wird. Der Schaft 10 beschreibt bei jedem Zyklus einen Doppelkegel, wobei die beiden Kegel im Mittelpunkt des Taumelkörpers 5 zusammentreffen. Die Gleitstücke 14 an dem einen Ende des Schaftes 10 beschreiben also eine Kreisbahn, womit die gewünschte Umsetzung der Auf- und Ab- bzw. Translationsbewegung in eine Kreisbewegung erreicht ist. Da die Gleitstücke 14 exzentrisch an dem Kopf der Motorwelle 11 angreifen, wird ein Drehmoment übertragen, also die Motorwelle gedreht.

Je größer der Kolbenhub ist, umso größer ist auch die Auf- und Abbewegung der Kugelgelenke 4 und damit die "Amplitude" des Taumelkörpers 5 und damit wiederum die Neigung des Schaftes 10 gegenüber der Motorwelle 11 und damit wiederum die Exzentrizität des (gedachten) Angriffspunktes der Gleitstücke 14 an

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dem Gabelkopf 11a.

Bei einer kleinen Belastung des Motors, also einem kleinen entgegenwirkenden Drehmoment ist die Auslenkung des Schaftes 10 aus der gleichachsigen Lage nur gering und damit ist auch der Kolbenhub und dementsprechend der Treibstoffverbrauch gering. Beim Ansteigen des entgegenwirkenden Drehmoments, also der Belastung, gleiten die Gleitstücke 14 längs den Nuten a, so daß der Schaft 10 in eine größere Neigung gelangt, womit

also sich ein größerer Kolbenhub einstellt, um die größere Bevor,
lastung zu überwinden. Unabhängig/der Belastung, also von der Schiefstellung des Schaftes 10 überträgt der Schaft 10 seine Drehbewegung bzw. die Drehbewegung der Motorwelle 11 auf die Nockenscheibe 13. Auf diese Weise ist eine relativ einfache, zuverlässige Steuerung der Ein- und Auslaßventile erreicht.

Die Stellung des Taumelkörpers 5 gegenüber dem Gehäuse ist bestimmen'für die Stellung, welche die Kolben 2 an ihrem oberen Todpunkt gegenüber den Zylindern einnehmen, also für das Verdichtungsverhältnis. Diese Stellung und damit das Verdichtungsverhältnis sind also durch Verschiebung des den Taumelkörper tragenden Schlittens 7 längs seinen am Gehäuse 8 festen Führungen einstellbar.

Die Stellung des S'Jiittens 7 gegenüber dem Gehäuse 8 ist aber auch maßgebend für die Schrägstellung des Schaftes 10 gegenüber der Motorwelle 11 und damit für den Kolbenhub, den der Motor

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bei der jeweiligen Stellung von Hause aus hat. Auf diese Weise hängen also der Kolbenhub und das Verdichtungsverhältnis miteinander zusammen. Der Schlitten 7 kann so eingestellt werden, daß das Verdichtungsverhältnis stets gleich bleibt und sich nur der Kolbenhub ändert oder so, daß der Kolbenhub gleich bleibt und sich nur das Verdichtungsverhältnis ändert oder daß sich sowohl das Verdichtungsverhältnis wie auch der Kolbenhub ändert, jeweils in Abhängigkeit von der Belastung.

An dem Taumelkörper 5 ist ein Ausgleichsgewicht 15 vorgesehen, welches dem Kugelgelenk 4 jeweils diametral gegenüberliegt.

Wegen weiterer Merkmale und Erklärungen wird auf die beigefügte weitere Fassung der Beschreibung und der Ansprüche verwiesen.

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Claims (8)

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1. J Kolbenmaschine mit mehreren Zylindern, wobei der Kolbenhub in Abhängigkeit von der Belastung des Motors einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Zylinder über den Umfang eines Kreises verteilt längs Mantellinien eines gemeinsamen, gedachten Zylinders oder Kegels angeordnet sind und daß die Pleuelstangen (3) mittels je eines Kugelgelenks (4) o. dgl. mit einem Taumelkörper (5) verbünde^ sind, durch den sich ein zu der Ebene der Kugelgelenke (4) (Äquatorialebene) senkrecht stehender, zentraler Schaft (10) hindurcherstreckt, der geleakig mit der Motorwelle (11) verbunden ist.

2. Kolbenmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Taumelkörper (5) mittels kugeliger Lager (6) in einem Schlitten (7) gelagert ist, der gegenüber am Gehäuse (8) festen Führungen (8a) in Richtung der Kolbenbewegung verschieblich ist.

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3. Kolbenmotor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Übertragung des Drehmomentes und zur Eiastellung der Amplitude des Taumelkörpers (5) und damit des Kolbenhubes wenigstens ein Gleitstück (14) an dem Schaft (10) angelenkt ist, welche in einer zu der Motorwelle (11) geneigten Nut (a) verschieblich ist, welche an der Motorwelle (ll) bzw. an einem mit der Motorwelle (ll) koaxial verbundenen Kopf, insbesondere Gabelkopf ausgebildet ist.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Ende des Schaftes (10) in eine an der Motorwelle (11) koaxial sitzende Gabel (Ha) eingreift, an deren Innenseiten zwei Nuten (a) vorgesehen sind, in die zwei am Ende des Schaftes (10) gleichachsig angelenkte Gleitstücke eingreifen.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das den Zylindern zugekehrte Ende des Schaftes (10) eine Nockenscheibe (13) zur Steuerung der Ein- und Auslaßventile über am Umfang der Nockenscheibe (13) anliegende Hebel (23) antreibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

das Ende des Schaftes (10) einen Querschlitz aufweist,

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in den eine Platte (20) eingreift, die an einer Spindel (21) zum Antrieb der Nockenscheibe (13) sitzt.

7. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der vorhergeheuden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß quer zu der Achse des Schaftes (1O) zwei Ausgleichsgewichte

(16) vorgesehen sind.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Achse der Ausgleichsgewichte sich durch eine Bohrung an dem in die Gabel (Ha) eingreifenden Kopf des Schaftes (10) hindurcherstreckt.

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