Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine

Abstract

 Bei einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylin­der und einem in diesem axial verschieblichen Kolben, der über einen oberen Pleuelabschnitt und einem durch ein Gelenk mit diesem verbundenen unteren Pleuelab­schnitt mit der Kurbelwelle verbunden ist und bei der beide Pleuelabschnitte durch einen angelenkten ge­meinsamen Schwenkhebel an einer motorgehäusefest ein­stellbaren Achse abgestützt sind, weist zur Schaff­ung von Maßnahmen zu Leistungssteigerungen und zur Anpassung an unterschiedliche Kraftstoffe der obere Pleuelabschnitt (5) an dem den Kolben (2) abgewand­ten Ende eine über das gemeinsame Gelenk (9) der bei­den Pleuelabschnitte (5, 10) hinausgeführte axiale Verlängerung (27) auf und der Schwenkhebel (14) greift mit dem den Pleuelabschnitten (5, 10) zugewandten En­de (14ʺ) an der Verlängerung (27) gelenkig an.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem in diesem axial verschieblichen Kolben, der über einen oberen Pleuelabschnitt und einem durch ein Gelenk mit diesem verbundenen unteren Pleuel­abschnitt mit der Kurbelwelle verbunden ist und bei der beide Pleuelabschnitte durch einen angelenkten gemein­samen Schwenkhebel an einer motorgehäusefest einstell­baren Achse abgestützt sind.

[0002] Bei einer Verbrennungskraftmaschine (DE-PS 30 30 615) ist es bekannt, den Kolben und die Kurbelwelle durch zwei gelenkig verbundene Pleuelabschnitte miteinander zu verbinden. Außerdem findet bei dieser Verbrennungs­kraftmaschine ein an einem gemeinsamen Gelenk für die beiden Pleuelabschnitte angreifender Schwenkhebel Anwen­dung, der mit seinem anderen Ende an einem veränderlich einstellbaren Exzenter abgestützt ist. Bei dieser Ver­brennungskraftmaschine ist durch Erreichung einer ver­längerten Verweilzeit des Kolbens im oberen Totpunkt ein verbesserter Drehmomentverlauf erzielt.

[0003] Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zu Lei stungssteigerungen und zur Anpassung an unterschiedli­che Kraftstoffe bei Verbrennungskraftmaschinen der vor­genannten Art zu schaffen.

[0004] Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der obere Pleuelabschnitt an dem dem Kolben abgewandten Ende eine über das gemeinsame Gelenk der beiden Pleu­elabschnitte hinaus geführte axiale Verlängerung auf­weist und daß der Schwenkhebel mit dem den Pleuelab­schnitten zugewandten Ende an der Verlängerung gelenkig angreift. Zweckmäßig ist die Stützachse für den Schwenk­hebel im Motorblock exzentrisch auszubilden und radial bzw. radial und axial einstellbar. Auf diese Weise lie­gen das gemeinsame Gelenk beider Pleuelabschnitte und das Gelenk von oberem Pleuelabschnitt und Schwenkhebel auf zwei getrennten Bewegungsbahnen, was zu einer ver­ringerten Kolbenbeschleunigung bei gleichem Kolbenweg und durch die Ausbildung größerer Hebelarme zu einer Erhöhung des Drehmoments führt. Die gewählte Kinematik von Pleuelabschnitten und Schwenkhebel erlaubtdie Verla­gerung des jeweils wirksamsten Drehmoments auf die wirk­samsten Kurbelwellenstellungen, was zu einem geringem Kraftstoffverbrauch, zu einem kürzerem Zündverzug und demgemäß zu einer weichen Verbrennung mit einem ruhigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine führt. Darüberhin­aus stellt sich auch eine Verringerung des Kolbenseiten­drucks und damit eine verringerte Erwärmung des Motors und ein verminderter Verschleiß ein. Es versteht sich, daß die erfindungsmäßige Ausbildung von Pleuelabschnit­ten und Schwenkhebel gleichermaßen bei Otto- und Diesel­ motoren bzw. bei beliebigen Arbeitskraftmaschinen die mit einem Kolben betrieben werden, z. B. Kompressoren oder Pumpen, Anwendung finden kann.

[0005] Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kraft­und Arbeitsmaschine ist dann erzielbar, wenn die Län­ge des unteren Pleuelabschnitts etwa das 1,3fache der Länge des oberen Pleuelabschnitts beträgt, die Gesamt­länge beider Pleuelabschnitte etwa 3 % größer als der Abstand zwischen dem kolbenseitigen Pleuellager des oberen Pleuelabschnitts und dem von dem kurbelwellen­seitigen Pleuellager des unteren Pleuelabschnitts be­schriebenen Kreis im oberen Totpunkt des Kolbens ist und daß weiter die Länge des Schwenkhebels etwa mit der 1,2fachen Länge des oberen Pleuelabschnitts ausgeführt ist, der radiale Abstand der Anlenkstelle des Schwenkhebels von der Zylinderachse etwa das 1,0fache der Länge des obe­ren Pleuelabschnitts beträgt und der Fußpunkt der Pro­jektion der Anlenkstelle auf die Zylinderachse von der Kurbelwellenachse einen Abstand besitzt, der etwa 1/3 des Abstands des kolbenseitigen Pleuellagers des obe­ren Pleuelabschnitts von der Kurbelwellenachse im obe­ren Totpunkt des Kolbens beträgt. Die dadurch gewährlei­stete relativ lange Verweilzeit des Kolbens in seinem oberen Totpunkt erlaubt die Verbrennung des Kraftstoffs und die Kolbenbewegung optimal aufeinander abzustimmen, wobei die Verbrennung im oberen Totpunkt beginnt. Eine solche Verschiebung des Einspritzungsintervalls in Richtung auf einen späteren Zeitpunkt hin ist deswegen möglich, weil der Kolben länger im Bereich seiner obe­ren Totpunktstellung verweilt. Dies bringt auch einen verringerten Zündverzug mit verringerten Temperaturen und Druckbelastungen für den Motor. Versuche haben außerdem gezeigt, daß eine erhebliche Kraftstoffeinspa­rung unter Beibehaltung gleicher Leistungen erzielbar ist. Schließlich ist auch die Verwendung unterschiedli­chster Kraftstoffe möglich, da die Kolbengeschwindig­keit veränderbar und den jeweiligen Kraftstoffen an­paßbar ist. Versuche haben bewiesen, daß Dieselmotore mit der beschriebenen Kinematik ohne Umstellungsmaßnah­men und ohne Leistungsabfall auch mit Benzin betrieben werden können. Außerdem besteht die Möglichkeit, wegen der geringeren Kolbenbelastung Kolben schwächerer Aus­bildung oder mit geringerem Gewicht zu verwenden.

[0006] In Ausgestaltung der Kraft- oder Arbeitsmaschine ist noch vorgesehen, daß der obere Pleuelabschnitt gabelför­mig ausgebildet ist und eine Lagerscheibe verdrehungs­frei fest trägt, an die der untere Pleuelabschnitt und der Schwenkhebel mit den der Kurbelwelle bzw. der Stütz­achse abgewandten Enden angelenkt sind. Bevorzugt wei­sen die Gabelenden des oberen Pleuelabschnitts Absetzun­gen auf, die durch die Lagerscheibe überragt sind, wo­bei die Umfangsfläche der Lagerscheibe den unteren Pleu­elabschnitt zentrisch stützt und der im Bereich der Ab­setzungen sich erstreckende Teil der Lagerscheibe ge­lenkig mit dem Schwenkhebel exzentrisch verbunden ist. Hierdurch ist auf einfache Weise die geforderte axiale Verlängerung am oberen Pleuelabschnitt und eine schmale Bauart für das durch die Pleuelabschnitte gebildete Pleuel erzielt, wodurch die Pleuelabschnitte und der Schwenkhebel auch in Mehrzylindermaschinen platzsparend untergebracht werden können. Ferner ist noch vorge­sehen, die Stützachse entweder im Motorblock bzw. außerhalb des Motorblocks anzuordnen. Bei der letztge­nannten Ausführung durchgreift der Schwenkhebel zur Verbindung mit der Stützachse eine Ausnehmung in der Motorblockwandung.

[0007] Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung verdeutlicht. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Kraft- oder Arbeitsmaschine schematisch im Schnitt,

Fig. 2 eine Kraft- oder Arbeitsmaschine im Schnitt,

Fig. 3 Teilstücke von Pleuelabschnitten und Schwenk­hebel in Seitenansicht,

Fig. 4 und 5 verschiedene graphische Darstellungen .

[0008] In den Fig. ist mit 1 ein Zylinder, z. B. einer Ver­brennungskraftmaschine bezeichnet, der einen Kolben 2 verschieblich aufnimmt. Der Zylinder 1 ist beim Aus­führungsbeispiel am oberen Ende durch einen plattenför­migen Zylinderkopf 3 verschlossen. Die Einrichtungen für die Zuführung von Brennstoff und Luft bzw. Brenn­stoffgemisch und der Abführung von Verbrennungsgasen sind aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt.

[0009] Der Kolben 2 nimmt einen Kolbenbolzen 4 auf, an dem ein oberer Pleuelabschnitt 5 mit seinem oberen Lager 6 schwenkbeweglich angreift. Der Pleuelabschnitt 5 ist gabelförmig ausgeführt und die Schenkel 7 des Pleuel­abschnitts 5 halten im Bereich der freien Enden mittels Bolzen 8 eine Lagerscheibe 9, an die das obere Ende eines unteren Pleuelabschnitts 10 angelenkt ist, der mit seinem unteren Lager 18 an einer Kurbelwelle 11 angreift. Die Schenkel 7 weisen Absetzungen 12 auf, die durch die Lagerscheibe 9 überragt sind. An der Lagerscheibe 9 greift mittels eines Bolzens 13 ein Schwenkhebel 14 mit einem Ende 14ʺ gelenkig, an, der mit seinem anderen Ende 14ʹ in einem an einer Stütz­achse 15 exzentrisch angeordneten Lager 16 schwenkbar gestützt ist. Wie insbesondere die Fig. 1 und 3 zeigen, ist die Anlenkstelle für den Schwenkhebel 15 am obe­ren Pleuelabschnitt 5 um die Verlängerung 27 über die gemeinsame Anlenkstelle beider Pleuelabschnitte 5 und 10 hinausgeführt. Durch Verdrehen der Stützachse 15 sind die Stellungen des Lagers 16 und damit die wirksame Länge des Schwenkhebels 14 veränderbar.

[0010] In Fig. 1 befindet sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt. Bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 bewegt sich das kolbenseitige Pleuellager 6 längs der Zylinderachse 22 und die Lagerscheibe 9 auf einer Bewegungsbahn in Form eines Kreisbogens 17. Der Bolzen 13 bewegt sich auf einer weiteren Kreisbahn 21. Gleichzeitig dreht die Kurbelwelle 11 und mit ihr das kurbelwellenseitige La­ger 18 in Richtung des Pfeils 19. Die Lageänderungen der Pleuelabschnitte 5, 10 und des Schwenkhebels 14 im unteren Totpunkt des Kolbens 2 entsprechen den gestrich­elten Linien . Die entsprechende Stellung des kurbel­wellenseitigen Lagers 18 ist durch die Buchstaben UT bezeichnet. Es zeigt sich, daß bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 aus dem oberen Totpunkt sich die Bewe­ gungsbahn 17 für die Lagerscheibe 9 der Zylinderachse 22 annähert und diese im weiteren Verlauf der Ab­wärtsbewegungen des Kolbens 2 schneidet. Hierdurch ist erreicht, daß der Kolben 2 bei seinen Bewegungen aus dem oberen Totpunkt zunächst nur langsam vom Totpunkt entfernt wird, während das kurbelwellenseitige Pleuel­lager 18 bereits einen relativ großen Kurbelwellenwin­kel durchläuft und der untere Pleuelabschnitt 10 eine Stellung erreicht, in der er in der Lage ist, ein großes Drehmoment zu übertragen. Dieser Zusammenhang läßt sich aus den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kur­ven entnehmen. Die Fig. 4 zeigt dabei mit der ausge­zogenen Linie 23 einen Momentenverlauf bei einer Ver­brennungskraftmaschine erfindungsgemäßer Ausbildung. Auf der Abszisse sind die 360° einer Kurbelwellenum­drehung und auf der Ordinate der für konstante Kolben­aufdruckkraft ermittelte Momentenwert aufgetragen. Die gestrichelte Linie 24 gibt den Momentenverlauf bei einem herkömmlichen Vergleichsmotor wieder. Es zeigt sich, daß das maximale Drehmoment mit der Linie 23 bei etwa 45° Kurbelwellenumdrehung und bei der gestrichel­ten Linie bei etwa 65° Kurbelwellenumdrehung erreich­bar ist. Geht man mit diesen Werten in die Fig. 3, wel­che den Kolbenweg über der Kurbelwellenumdrehung zeigt, wobei die ausgezogene Linie 25 die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine und die gestrichelte Linie 26 für einen herkömmlichen Vergleichsmotor gelten, so er­kennt man, daß der Kolben 2 beim Vergleichsmotor (Li­nie 26) seinen oberen Totpunkt früher verläßt und spä­ter wieder erreicht, also insgesamt sehr viel kürzer im Bereich seiner oberen Totpunktstellung verweilt als der Kolben 2 der erfindungsgemäßen Ausführung (Linie 25).

[0011] Messungen beim Betrieb des Motors mit der be­anspruchten Kinematik von Pleuel und Schwenkhebel haben gezeigt, daß ein um 40 % geringerer Kraftstoff­verbrauch bzw. eine entsprechend höhere Leistung er­reichbar ist. Darüberhinaus enthalten die Abgase weni­ger Schadstoffe. Bei den Abgasen geht der Anteil an Stickoxyd um ca. 55 %, der Anteil an Rußteilchen um ca. 75 % zurück. Wie gesagt, entstehen auch geringere Spitzendrucke und man erhält durch den kürzeren Zünd­verzug eine weiche Verbrennung, das heißt, annähernd eine Gleichraumverbrennung. Der Lauf der Brennkraft­maschine wird dadurch ruhiger. Der Betrieb der Ver­brennungskraftmaschine kann mit Dieselkraftstoff, Ben­zin oder anderweitigen, auch geringwertigen Kraft­stoffen erfolgen.

Ansprüche

1. Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrenn­ungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem in diesem axial verschieblichen Kolben, der über einen oberen Pleuelabschnitt und einem durch ein Ge­lenk mit diesem verbundenen unteren Pleuelabschnitt mit der Kurbelwelle verbunden ist und bei der beide Pleuelabschnitte durch einen angelenkten gemeinsamen Schwenkhebel an einer motorgehäusefest einstellbaren Achse abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Pleuelabschnitt (5) an dem den Kolben (2) abgewandten Ende eine über das gemeinsame Gelenk (9) der beiden Pleuelabschnitte (5, 10) hinausgeführte axiale Verlängerung (27) aufweist und daß der Schwenk­hebel (14) mit dem den Pleuelabschnitten (5, 10) zu­gewandten Ende (14ʺ) an der Verlängerung (27) gelen­kig angreift.

2. Kraft- oder Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) für den Schwenkhebel (14) im Motorblock exzentrisch einstellbar ausgebildet ist.

3. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, da­durch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) radial einstellbar ist.

4. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) radial und axial einstellbar ist.

5. Kraft oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, da­durch gekennzeichnet, daß die Länge des unteren Pleu­elabschnitts (10) etwa das 1,3fache der Länge des obe­ren Pleuelabschnitts (5) beträgt, die Gesamtlänge bei­der Pleuelabschnitte (5, 10) etwa 3 % größer als der Abstand zwischen dem kolbenseitigen Pleuellager (6) des oberen Pleuelabschnitts (5) und dem von dem kur­belwellenseitigen Pleuellager (18) des unteren Pleu­elabschnitts (10) beschriebenen Kreis im oberen Tot punkt des Kolbens (2) ist und daß die Länge des Schwenkhebels (14) etwa mit der 1,2fachen Länge des oberen Pleuelabschnitts (5) ausgeführt ist, der radia­le Abstand der Anlenkstelle des Schwenkhebels (14) von der Zylinderachse (22) etwa das 1,0fache der Länge des oberen Pleuelabschnitts (5) beträgt und der Fußpunkt der Projektion des Lagers (16) auf die Zylinderachse von der Kurbelwellenachse einen Abstand besitzt, der etwa 1/3 des Abstands des kolbenseitigen Pleuellagers (6) des oberen Pleuelabschnitts (5) von der Kurbelwel­lenachse im oberen Totpunkt des Kolbens (2) beträgt.

6. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, da­durch gekennzeichnet, daß der obere Pleuelabschnitt (5) gabelförmig ausgebildet ist und eine Lagerscheibe (9) verdrehungsfrei fest trägt, an die der untere Pleuel­abschnitt (10) zentrisch und der Schwenkhebel (14) ex­zentrisch mit den der Kurbelwelle (11) bzw. der Stütz­achse (15) abgewandten Enden angelenkt sind.

7. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, da­durch gekennzeichnet, daß die Gabelenden des Pleuel­abschnitts Absetzungen (12) aufweisen, die durch die Lagerscheibe (9) überragt sind und daß die Umfangs­fläche der Lagerscheibe (9) den unteren Pleuelabschnitt (10) stützt und im Bereich der Absetzungen (12) der Schwenkhebel (14) gelenkig mit der Lagerscheibe (9) verbunden ist.

8. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, da­durch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) im Mo­torblock angeordnet ist.

9. Kraft- oder Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, da­durch gekennzeichnet, daß die Stützachse (15) außer­halb des Motorblocks angeordnet ist.

Zeichnung