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Titel: Verbrennungsmotor
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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit ein ander gegenüberliegenden
Zylindern und einer zwischen diesen angeordneten Kurbelwelle.
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Bei Motoren dieser Art, die auch Boxermotoren genannt werden, ist
der Kolben eines jeden Zylinders mib einer Pleuelstange an einem Kurbelzapfen der
Kurbelwelle angeschlossen, wobei die Kurbelzapfen der einander gegenüberliegenden
Zylinder gewohnlicl um 1800 gegeneinander versetzt sind. Hierbei muß der jeweils
den Arbeitshub ausführende Kolben über die Kurbelwelle die Kolben der übrigen Zylinder
antreiben, in denen das Brennstoff-Luftgemisch angesaugt, verdichtet oder nach seiner
Verbrennung ausgestoßen wird. Da die mit mehreren Kurbelzapfen versehene Kurbelwelle
an mehreren Stellen gelagert werden muß, gibt es eine Vielzahl von Reibungsstellen,
welche Kraftveriuste zur Folge haben. Ferner hat die benannte Motorbauart den Nachteil,
daß Kolben, Pleuelstange und Kurbelzapfen gerade dann in eine Linie gelangen, wenn
ein Totpunkt erreicht wird und zur Erzeugung der höchsten Verdichtung die größte
Kraft auf einen der gegenüberliegenden Kolben übertragen werden müßte.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen
Verbrennungsmotor der eingangs näher erläuterten Art so auszubilden, daß die Verluste
durch Lagerreibung und Trägheitskräfte herabgesetzt und Bauweise und Funktion vereinfacht
werden und der Motor mit geringeren Kosten hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kolben
von je zwei paarweise einander gegenüberliegenden Zylindern durch eine gemeinsame
Kolbenstange miteinander verbunden und mit einer schwenkbar gelagerten Pleuelstange
an die Kurbelwelle angeschlossen sind.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß bei einem Vierzylindermotor
höchstens zwei Kurbelzapfen und höchstens drei Kurbelwellenlager erforderlich sind.
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Hierbei wird Jeder Kolben von dem Kolben des gegenüberliegenden Zylinders
jeweils unmittelbar über die gemeinsame Kolbenstange angetrieben, die selbst keiner
besonderen Lagerung bedarf. Gleichwohl kann bei entsprechender Versetzung der den
Pleuelstangen der jeweiligen Kolbenpaare zugeordneten Kurbelzapfen ein nahezu vollständiger
Massenausgleich erzielt werden.
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Besonders zwecksßig ist es, wenn die Kolbenstangen von zwei Kolbenpaaren
starr miteinander verbunden und mit einer einzigen Pleuelstange an die Kurbelwelle
angeschlossen sind. Bei dieser Ausgestaltung benötigt die Kurbelwelle eines Vierzylindermotors
nur einen einzigen Pleuelzapfen, auf den eine einzige Pleuelstange wirkt, deren
Masse leicht durch Gegengewichte ausgeglichen werden kann. Die Kurbelwelle muß dann
nur zweimal gelagert werden.
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Die Kolbenstangen von je zwei Kolbenpaaren können durch eine Traverse
zu einem H-förmigen Gestängerahmen verbunden sein, wobei der Kopf der Pleuelstange
an der Traverse schwenkbar gelagert ist.
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Diese Ausführungsform ist besonders einfach und ermöglicht eine besonders
kostensparende Konstruktion, da die Zahl der bewegten Teile auf ein Minimum reduziert
ist. Die Kraftübertragung erfolgt von dem arbeitenden Kolben auf die Kolben der
anderen drei Zylinder eines Vierzylindermotores unmittelbar und ohne Reibungsverluste
in den Lagern der Kurbelwelle und in den Lagerschalen von Kurbelzapfen. Da weniger
drehende und in Drehlagern bewegliche Teile vorhanden sind, gibt es einen geringeren
Verschleiß und der Motor wird in seiner Gesamtheit leichter. Hierbei ist es zweckmäßig,
den H-förmigen Kolbengestängerahmen aus einem Stück zu schmieden oder zu gießen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es zweckmäßig, mindestens
vier Zylinder in einer Ebene anzuordnen, wie dies bei Boxermotoren an sich bekannt
ist, und die Kurbelwelle außerhalb dieser Ebene vorzusehen. Werden dann die Kurbelzapfen
für die Pleuelstangen von je zwei Zylinderpaaren um 180° versetzt, erreichen die
Kolben des einen Zylinderpaares ihren vorderen bzw. hinteren Totpunkt nicht zur
gleichen Zeit wie die Kolben des anderen Zylinderpaares, sondern erst nach einer
gewissen kleinen Zeitverschiebung. Hierdurch kann die Anordnung so getroffen werden,
daß der jeweils arbeitende Kolben auf die Kurbelwelle noch ein Drehmoment ausübt,
wenn der verdichtende Kolben die größte Verdichtung erzeugt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können mindestens vier Zylinder
in der gleichen Ebene angeordnet sein wie die Kurbelwelle und die Kolbenstangen
können sich in Längsrichtung der Kolbenstangen erstreckende Schlitze aufweisen,
durch welche die Kurbelstange hindurchgreift. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil,
daü die Kurbelwelle in der gleichen Ebene angeordnet werden kann wie die paarweise
einander gegenüberliegenden Zylinder. Hierbei können die Pleuelstangen der Kolben
benachbarter Zylinder miteinander verbunden sein und an einem gemeinsamen Pleuelzapfen
der Kurbelwelle angreifen. Bei einer anderen AusfUhrungsform ohne Kolbenstangen
ist es auch möglich, daß die an die Kolben von je zwei einander gegenüberliegenden
Zylindern angeschlossenen Pleuel auf einem gemeinsamen Pleuelzapfen der Kurbelwelle
laufen.
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Die Erfindung kann bei fast allen Mehrzylindermotoren, insbesondere
bei Vierzylinder-, Sechszylinder- und Achtzylindermotoren, angewendet werden. Bei
Achtzylindermotoren ist es zweckmäßig, je vier Zylinder über ein H-förmiges Gestänge
zusamrenzufassen und beide Gestänge über je einen Pleuel auf die Kurbelwelle arbeiten
zu lassen, deren Kurbelzapfen dann auch zweckmäßig um 1800 gegeneinander versetzt
sind. Ferner ist es möglich, bei acht Zylindern vier Kolbenpaare mit vier Pleueln
an die Kurbelwelle derart anzuschließen, daß die Kurbelzapfen Jeweils um 900 gegeneinander
versetzt sind, wie dies bei Achtzylindermotoren an sich bekannt ist. Hierbei werden
die acht Zylinder zweckmäßig zu je vieren in zwei Ebenen beiderseits der Kurbelwelle
angeordnet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich
aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügte Zeichnungen von Ausführungsbeispielen,
an denen die Erfindung näher erläutert wird. Es zeigt: Fig. 1 die Zylinderanordnung
eines Motors nach der Erfindung in einer schematischen Darstellung im Grundriß,
Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 in einem Schnitt nach Linie II-II, Fig. 3 den Gegenstand
der Fig. 1 in einer Seitenansicht nach Linie III-III, Fig. 4 einen Motor nach der
Erfindung in einem anderen Ausführungsbeispiel im Horizontalschnitt, Fig. 5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Motors nach der Erfindung in einem schematischen
Horizontalschnitt, Fig. 6 eine perspektivische, schematische Darstellung der Kolben
mit ihren Kolbenstangen und dem Anschluß an die Kurbelwelle mit einem Teilschnitt
durch zwei Zylinder, Fig. 7 einen weiteren Motor nach der Erfindung in einer den
Fig. 2 oder 3 entsprechenden, schematischen Darstellung und Fig. 8 eine Schemazeichnung
der Kurbelwelle eines Achtzylindermotors nach der Erfindung.
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In den Fig. 1 bis 3 ist ein Vierzylinder-Boxermotor nach der Erfindung
schematisch dargestellt, der eine dreifach gelagerte Kurbelwelle 10 mit zwei Kurbelzapfen
11 und 12 aufweist. Zu beiden Seiten der Kurbelwelle 10 sind je zwei Zylinder 13,
14, 15, 16 angeordnet, die sich in einer Ebene unmittelbar oberhalb der Kurbelwelle
10 befinden und von denen je zwei, nämlich die Zylinder 13 und 14 einerseits und
die Zylinder 15 und 16 andererseits einander paarweise gegenüberliegen. Die Kolben
17 und 18 des einen Zylinderpaares 13, 14 sind durch eine Kolbenstange 19 und die
Kolben 20 und 21 des zweiten Zylinderpaares 15, 16 sind durch eine Kolbenstange
22 starr miteinander verbunden, so daß sich jeweils zwei axial gegenüberliegende
Kolben 17 und 18 bzw. 20 und 21 nur gemeinsam und in einer Richtung bewegen können.
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Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das Kolbenpaar 17, 18 mit einer Pleuelstange 23 und das Kolbenpaar 20 und 21 mit
einer Kolbenstange 24 an die beiden Kurbelzapfen 11 bzw. 12 angeschlossen, die um
1800 gegeneinander versetzt sind (Fig. 2 und 3). Bei dem hier dargestellten AusDUhrungsbeispiel
ist die Pleuelstange 23 des Kolbenpaares 17, 18 am Kolben 17 und die Pleuelstange
24 des Kolbenpaares 20, 21 am Kolben 21 angelenkt. Die Zündfolge ist in Fig. 1 angegeben
und ist derart, daß das Brennstoff-Luftgemisch bei der gezeigten Darstellung zunächst
im Zylinder 13 entzündet wird, während das bereits angesaugte Gemisch im Zylinder
14 verdichtet wird. Der den Arbeitshub ausführende Kolben 17 schiebt hierbei den
Kolben 18, welcher das Gemisch verdichtet, über die Kolbenstange 19 unmittelbar
in den Zylinder 14 ein, während im Zylinder 15 Gemisch angesaugt und aus dem Zylinder
16 verbranntes Gemisch ausgestoßen wird. Beim nächsten Arbeitstakt zündet das verdichtete
Gemisch
im Zylinder 14, während im Zylinder 15 verdichtet und im Zylinder 16 angesaugt wird.
Man erkennt, daß bei diesem Arbeitshub der Kolben 21 bereits seine obere Totlage
erreicht hat, bevor der den Arbeitshub ausführende Kolben 18 unter den sich expandierenden
Brenngasen seine äußerste Lage erreicht hat, in der die Pleuelstangen 23 und 24
die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Lagen einnehmen.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten AusWhrungsbeispiel ist mit 25 der
Zylinderblock 25 bezeichnet, der von einem Wassermantel 26 für das Kühlwasser 27
umgeben und an den Stirnseiten durch die Zylinderkopfplatten 28 und 29 abgeschlossen
ist. Das Kurbelgehäuse 30 befindet sich zwischen vier paarweise einander gegenüberliegenden
Zylindern 13, 14 und 15, 16, in denen die Kolben 17 und 18 bzw. 20 und 21 angeordnet
sind. Abweichend von der AusfUhrungsform nach den Fig. 1 bis 3 sind hier alle vier
Kolben 17, 1d, 20 und 21 durch einen H-förmigen Kolben-Gestängerahmen 31 starr miteinander
verbunden, der aus einem Stück geschmiedet oder gegossen ist. An der querverlaufenden
Traverse 32 des H-förmigen Gestängerahmens ist eine einzige Pleuelstange 33 angelenkt,
die in hier nicht näher dargestellter Weise auf einen Kurbelzapfen der hier nicht
näher dargestellten Kurbelwelle wirkt. Die Zündfolge ist mit den Ziff. 1, 2, 3 und
4 auf den vier Kolben des Motors angegeben, dessen Zylinder halbkugelförmige Verbrennungsräume
13a, 14a, 15a und 16a haben, in denen die EinlaB- und Auslaßventile 34 bzw. 35 und
die Zündkerzen 36 angeordnet sind.
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Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsform zeigt einen Vierzylindermotor
mit einem beispielsweise luftgekühlten Zylinderblock 25 in dessen vier Zylindern
13, 14, 15 und 16 die Kolben 17 und 18 bzw. 20 und 21
angeordnet
sind. Ebenso wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 sind die Kolben 17
und 18 des einen Kolbenpaares durch die Kolbenstange 19 und die Kolben 20 und 21
des zweiten Kolbenpaares durch die Kolbenstange 22 fest miteinander verbunden. Im
Gegensatz zu der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform befindet sich
die Kurbelwelle 10 jedoch nicht unterhalb, sondern in der Ebene der Kolbenstangen19
und 22. Damit sich Kurbelwelle 10 und Kolbenstangen 19 und 22 nicht gegenseitig
behindern, haben die Kolbenstangen 19 und 22 sich in ihrer Längsrichtung erstreckende
Schlitze 37 bzw. 38, durch welche die Kurbelwelle 10 hindurchgeht.
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Die Kurbelwelle 10 ist im Kurbelgehäuse 30 gelagert, trägt außerhalb
des Kurbelgehäuses das Schwungrad 38 und hat im Inneren des Kurbelgehäuses 30 einen
einzigen Kurbelzapfen 39. An diesem Kurbelzapfen greift eine Pleuelstange 40 an,
die sich in zwei Arme 40a und 40b gabelt, von denen der eine auf dem Kolbenbolzen
41 des Kolbens 18 und von denen der andere auf dem hier nicht näher dargestellten
Kolbenbolzen des Kolbens 20 schwenkbar gelagert ist. Hierdurch wird bei der hin-
und hergehenden Bewegung der Zylinder, die sich durch die gezeigte Anordnung alle
gleichzeitig in gleicher Richtung und um das gleiche Maß bewegen, von der Pleuelstange
40 die Kurbelwelle 10 gedreht, wobei das Schwungrad 38 die Bewegung vergleichmäßigt
und ausgleicht. Zum Massenausgleich der Pleuelstange 40 sind die Kurbelwangen 42,
in denen der Kurbelzapfen 39 gelagert ist, an der dem Kurbelzapfen gegenüberliegenden
Seite mit Verlängerungen 43 versehen, die als Gegengewicht dienen.
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Alle drei Ausführungsformen sind für Mehrzylindermotoren verwendbar,
die eine gerade Anzahl von Zylindern besitzen. Die Ausführungsform nach den Fig.
1 bis 3 kann
für Zwei-, Vier-, Sechs-, Achtzylindermotoren usw.
verwendet werden, während die Ausführungsform nach Fig. 4 einerseits und nach den
Fig. 5 und 6 andererseits vorzugsweise für Vierzylinder- und Achtzylindermotoren
gedacht sind.
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In Fig. 7 ist ein Achtzylinder-Boxermotor schematisch in einem Längsschnitt
dargestellt. Hierbei sind die acht Zylinder zu je vieren in zwei übereinanderliegenden,
horizontalen Ebenen angeordnet, die sich oberhalb und unterhalb der Kurbelwelle
10 befinden. Unter der Annahme, dad die in Fig. 4 dargestellte Bauart Verwendung
findet, ist die Pleuelstange 33 der oberen vier, durch einen H-förmigen Gestängerahmen
31 miteinander verbundenen Kolben gegenüber der Pleuelstange 33' der unteren vier
Zylinder um 1800 versetzt an die Kurbelwelle 10 angeschlossen. Die Anordnung ist
dann so getroffen, dalb sich die durch ihre Gestängerahmen 31 bzw.
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31' miteinander verbundenen Kolben der oberen vier Zylinder bei jeder
Kurbelumdrehung gegenläufig zu den Kolben der unteren Zylinder bewegen, so daß ein
guter Massenausgleich erreicht wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, alle
acht Zylinder nebeneinander in einer Ebene anzuordnen, wobei sich dann etwa das
in den Fig. 2 und 3 gezeigte Bild ergibt.
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Werden nur jeweils zwei einander gegenüberliegende Kolben mit einer
Kolbenstange zusammengefaßt, ist es bei Achtzylindermotoren zweckmäßig, die in Fig.
8 angedeutete Kröpfung der Kurbelwelle zu wählen, bei der die Pleuelstangen eines
jeden Kolbenpaares jeweils um 900 versetzt an der Kurbelwelle 10 angreifen.
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Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Beispielsweise ist es auch möglich, bei Zweizylinder- und Sechszylindermotoren je
zwei einander gegenüberliegende Kolben kraftschlüssig mit ein ander zu verbinden
und gemeinsam auf einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle wirken zu lassen, ohne daß
hierdurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird.