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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Kurbelgetriebe nach dem Oberbetriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der
DE 10 2005 061 282 B4 bekannt. Bei der bekannten Brennkraftmaschine sind die Kolbenseitenkräfte sowie die Kolbenverzögerung und -beschleunigung am oberen und unteren Totpunkt relativ groß. Das bewirkt unerwünschte Vibrationen, beschränkt die maximale Drehzahl der Brennkraftmaschine und vermindert deren Haltbarkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine möglichst einfach herzustellende Brennkraftmaschine angegeben werden, welche bezüglich des Kolbenwegverlaufs, des Drehmomentverlaufs, der Kolbengeschwindigkeit, der Kolbenbeschleunigung und der Kolbenseitenkräfte verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Zylinder bezüglich des Schwenkhebels so angeordnet ist, dass bei am oberen Totpunkt befindlichen Kolben eine den ersten Anlenkpunkt mit dem ersten Angriffspunkt verbindende gedachte erste Linie mit einer den ersten mit dem zweiten Angriffspunkt verbindenden gedachten zweiten Linie einen ersten Winkel α zwischen 0 und 90° bildet.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriffen ”Anlenkpunkt”, ”Angriffspunkt”, ”Schwenkhebeldrehpunkt” und ”Kurbelwellendrehpunkt” Schnittpunkte verstanden, welche die dazu korrespondierenden Schwenk- oder Drehachsen mit einer senkrecht dazu verlaufenden Ebene, beispielsweise der Papierebene, bilden. Unter dem Begriff ”Linie” wird eine gerade Linie bzw. eine Gerade verstanden.
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Mit der vorgeschlagenen Brennkraftmaschine werden im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen die folgenden Vorteile erzielt:
Der Kolben beschleunigt schneller vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. infolgedessen erhöhen sich Kompressionsdruck und Kompressionstemperatur, was wiederum eine Verbrennung mit verringertem Zündverzug ermöglicht. Der Kolben bewegt sich mit einer stark verzögerten, aber ununterbrochenen Bewegung durch den oberen Totpunkt. Das verbessert den Gleichraumgrad und den Wirkungsgrad der Verbrennung. Infolgedessen kann die aus der Verbrennung gewonnene Energie besser in mechanische Energie umgesetzt werden. Dabei ist es möglich, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine bei hoher Drehzahl zu betreiben. Vibrationen und Materialbelastungen bleiben dabei relativ gering.
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Insbesondere können Kolbenseitenkräfte nahezu über sämtliche Kurbelwellendrehwinkel hinweg äußerst niedrig gehalten werden. Das ermöglicht eine Verringerung von Verschleiß und Reibungsverlusten. insgesamt weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine verbesserte Haltbarkeit und einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
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in konstruktiver Hinsicht steht ausreichend Bauraum für die benötigten Lager und zur Sicherstellung der Schmierölversorgung der Lager zur Verfügung.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile werden insbesondere dadurch erreicht, dass die Bewegung des Kolbens und der Kurbelwelle im Vergleich zum Stand der Technik um etwa 180° versetzt sind. D. h. der Kolben befindet sich erfindungsgemäß am oberen Totpunkt, wenn der dazu korrespondierende Kurbelzapfen der Kurbelwelle sich im Bewegungsstrang des Kurbelgetriebes in einer vom Kolben entferntesten Position befindet.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet bei am oberen Totpunkt befindlichen Kolben die zweite Linie mit einer den zweiten Angriffspunkt mit dem zweiten Anlenkpunkt verbindenden gedachten dritten Linie einen zweiten Winkel β von 90 bis 270°, vorzugsweise 150° bis 205°. Des Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass ein erster Abstand a1 zwischen dem ersten Anlenkpunkt und dem ersten Angriffspunkt größer als ein zweiter Abstand a2 zwischen dem zweiten Angriffspunkt und dem zweiten Anlenkpunkt ist. D. h. der erste Pleuel ist länger ausgebildet als der zweite Pleuel. Für das Verhältnis zwischen dem ersten a1 und dem zweiten Abstand a2 gilt zweckmäßigerweise die folgende Beziehung: a1 > 2·a2.
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Zweckmäßigerweise ist der erste Abstand a1 das 3- bis 4-Fache des zweiten Abstands a2.
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Ein dritter Winkel γ zwischen der ersten Linie und einer Kolbenachse des Kolbens beträgt bei einer Bewegung des Kolbens höchstens ±5°. Vorteilhafterweise befindet sich der erste Angriffspunkt im oberen und/oder unteren Druckpunkt etwa auf der Kolbenachse. D. h. der erste Pleuel wird erfindungsgemäß etwa entlang der Kolbenachse hin- und herbewegt. Damit können unerwünschte Kolbenseitenkräfte minimiert werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kurbelwellendrehpunkt, der zweite Anlenkpunkt und der zweite Angriffspunkt im oberen und/oder unteren Totpunkt etwa auf einer gedachten Geraden liegen.
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Schließlich wird es als vorteilhaft angesehen, dass die Schwenkhebelachse zur Kurbelwellenachse ortsfest, vorzugsweise ortsveränderlich, verstellbar ausgebildet ist.
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Mit der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine geschaffen, die Drehzahlen – insbesondere als kleinvolumiger Dieselmotor – erreichen kann, die bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit einteiliger Pleuelstange keine effiziente Verbrennung mehr ermöglichen würden.
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Das erfindungsgemäße Kurbelgetriebe ist für alle Viertaktmotoren mit Fremdzündung und Selbstzündung und alle Zweitaktmotoren mit Fremdzündung und Selbstzündung geeignet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Brennkraftmaschine,
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2 eine Schnittansicht durch gelenkige Verbindungen gemäß 1,
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3 eine weitere Seitenansicht der Brennkraftmaschine gemäß 1, wobei sich der Kolben im unteren Totpunkt befindet,
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4a–d die Brennkraftmaschine gemäß 1 bei unterschiedlichen Kolbenpositionen,
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5 den Kolbenwegverlauf über dem Kurbelwellendrehwinkel.
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Gemäß 1 und 2 weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ein Kurbelgetriebe mit mindestens einem Zylinder 1 und einem darin hin und her bewegbaren Kolben 2 auf. Ein erster Pleuel P1 ist an einem ersten Anlenkpunkt 3 im Kolben 2 und an einem zweiten Anlenkpunkt 4 an einem Schwenkhebel 5 angelenkt. Der Schwenkhebel 5 ist um eine Schwenkachse 6 schwenkbar. Er weist eine im Wesentlichen dreieckige Form auf und ist vorteilhafterweise ohne Ausbildung einer Gabelung gestaltet. Mit dem Bezugszeichen 7 ist eine Kurbelwelle bezeichnet, welche drehbar um eine Kurbelwellenachse 8 gelagert ist. Ein zweiter Pleuel P2 ist an einem zweiten Anlenkpunkt 9 an einem Kurbelwellenzapfen 10 angelenkt. Der zweite Pleuel P2 ist ferner an einem zweiten Angriffspunkt 11 am Schwenkhebel 5 angelenkt. Eine erste Linie zwischen dem ersten Anlenkpunkt 3 und dem ersten Angriffspunkt 4 ist mit dem Bezugszeichen L1 bezeichnet, eine zweite Linie L2 verbindet den ersten Angriffspunkt 4 mit dem zweiten Angriffspunkt 11. Eine dritte Linie L3 verbindet den zweiten Angriffspunkt 11 mit dem zweiten Anlenkpunkt 9. Die erste L1 und die zweite Linie L2 schließen einen ersten Winkel α ein, die zweite Linie L2 und die dritte Linie L3 schließen einen zweiten Winkel β ein.
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Nach einem weiteren konstruktiven Ausgestaltungsmerkmal schließen einer vierte Linie L4, welche sich von der Schwenkhebelachse 6 zum ersten Angriffspunkt 4 erstreckt, und die erste Linie L1 einen vierten Winkel ε ein. Der vierte Winkel ε ist kleiner als 180°, vorzugsweise kleiner als 160°; er liegt bevorzugt im Bereich von 150 bis 50°.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, kann der zweite Pleuel P2 beispielsweise mittels eines ersten Gleitlagers 9a schwenkbar auf dem Kurbelwellenzapfen 10 gehalten sein. Der zweite Pleuel P2 ist zweckmäßigerweise gegabelt ausgebildet. Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein erster Bolzen bezeichnet, welcher den zweiten Pleuel P2 und ein am Schwenkhebel 5 vorgesehenes zweites Gleitlager 11a durchgreift.
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Der erste Pleuel P1 ist ebenfalls gegabelt ausgebildet. Ein zweiter Bolzen 13 durchgreift den ersten Pleuel P1 sowie ein drittes Gleitlager 4a am Schwenkhebel 5.
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Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, durchgreift ein dritter Bolzen 14 den Kolben 2 sowie den ersten Pleuel P1. Mit dem Bezugszeichen 3a ist ein viertes Gleitlager bezeichnet, welches zwischen dem Kolben 2 und dem dritten Bolzen 14 gebildet ist. Das Bezugszeichen 6a bezeichnet schließlich ein fünftes Gleitlager, mit dem der Schwenkhebel 5 schwenkbar gelagert ist.
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Das fünfte Gleitlager 6a kann mittels eines hier nicht näher gezeigten Mechanismus in unterschiedlichen Positionen fixiert werden. Zu diesem Zweck kann die Schwenkhebelachse 6 beispielsweise entlang einer Schiene oder radial auf einer Exzenterwelle verstellbar sein. Damit lassen sich Parameter wie der Drehmomentverlauf, der Kolbenwegverlauf, die Kompression, die Kolbenseitenkraft und dgl. verändern.
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Anstelle der erwähnten Gleitlager können selbstverständlich auch andere Lager, z. B. Nadellager, Kugellager, Wälzlager und dgl., verwendet werden.
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Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, schließen die erste Linie L1 und die zweite Linie L2 einen spitzen ersten Winkel α ein, der zweckmäßigerweise 30 bis 70°, vorzugsweise 40 bis 60°, beträgt. Die zweite Linie L2 und die dritte Linie L3 schließen einen zweiten Winkel β ein. Der zweite Winkel β ist ein stumpfer oder überstumpfer Winkel und beträgt zweckmäßigerweise 150 bis 205°, vorzugsweise 170 bis 200°. Das vorgeschlagene Kurbelgetriebe zeichnet sich in seiner Kinematik dadurch aus, dass bei einer Beanspruchung des zweiten Pleuels P2 auf Druck der erste Pleuel P1 auf Zug beansprucht und damit der Kolben 2 in Richtung des unteren Totpunkts bewegt wird.
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3 verdeutlicht weitere konstruktive Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Brennkraftmaschine. Mit dem Bezugszeichen KM ist eine Kolbenachse bzw. Kolbenmittellinie bezeichnet. Ein Abstand a1 zwischen dem ersten Anlenkpunkt 3 und dem ersten Angriffspunkt 4 ist drei- bis viermal so groß wie ein zweiter Abstand a2 zwischen dem zweiten Angriffspunkt 11 und dem zweiten Anlenkpunkt 9. Bei der in 3 gezeigten Position des Kolbens 2 am unteren Totpunkt liegen ferner die Kurbelwellendrehachse 8, der zweite Anlenkpunkt 9 und der zweite Angriffspunkt 11 etwa auf einer gedachten Geraden. Ein dritter Abstand a3 zwischen der Kurbelwellendrehachse 8 und dem zweiten Anlenkpunkt 9 ist kleiner als der zweite Abstand a2.
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Zweckmäßigerweise ist der zweite Abstand a2 größer als das 1- bis 3-Fache des dritten Abstands a3.
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Eine gedachte Gerade G verläuft durch den zweiten Anlenkpunkt 9 und den zweiten Angriffspunkt 11. Die Gerade G bildet am unteren Totpunkt mit der Kolbenachse KM einen fünften Winkel ρ. Der fünfte Winkel ρ entspricht etwa einem sechsten Winkel σ, welcher von der vierten Linie L4 und einer die Schwenkhebelachse 6 mit dem zweiten Angriffspunkt 11 verbindenden fünften Linie L5 eingeschlossen wird. Der fünfte Winkel ρ und der sechste Winkel σ unterscheiden sich um höchstens 10°. Der fünfte Winkel ρ und der sechste Winkel σ liegen im Bereich von 20 bis 90°, vorzugsweise 22 bis 50°.
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Die 4a bis 4d zeigen schematisch den Bewegungsablauf vom oberen Totpunkt (4a) in jeweils 90 Kurbelwellendrehgrad-Schritten. In 4a befindet sich der Kolben 2 am oberen Totpunkt. Der erste Anlenkpunkt 3 liegt auf der Kolbenachse KM, der erste Angriffspunkt 4 liegt in diesem Fall etwa auf der Kolbenachse KM. Der zweite Anlenkpunkt 9 und der zweite Angriffspunkt 11 und die Kurbelwellendrehachse 8 liegen etwa auf der Geraden G.
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Bei der in 4b gezeigten zweiten Drehstellung ist die Kurbelwelle 7 entgegen dem Uhrzeigersinn um 90° gedreht. Mittels des zweiten Pleuels P2 wird der Schwenkhebel 5 um die Schwenkhebelachse 6 nach oben verschwenkt. Infolgedessen zieht der erste Pleuel P1 den Kolben 2 vom oberen Totpunkt zurück.
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4c zeigt die Brennkraftmaschine in einer dritten Position. Dabei ist die Kurbelwelle 7 gegenüber der ersten Position um 180° gedreht. Der Kolben 2 befindet sich am unteren Totpunkt. Die Kurbelwellenachse 8, der zweite Anlenkpunkt 9 sowie der zweite Angriffspunkt 11 liegen etwa auf der Geraden G. Der erste Anlenkpunkt 3 liegt auf der Kolbenachse KM, der erste Angriffspunkt 4 liegt in diesem Fall etwa auf der Kolbenachse KM.
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Bei der in 4d gezeigten vierten Position ist die Kurbelwelle um weitere 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Der zweite Pleuel P2 übt nun auf den Schwenkhebel 5 eine Zugkraft aus, wodurch dieser um die Schwenkhebelachse 6 nach unten verschwenkt wird. Infolgedessen drückt der erste Pleuel P1 den Kolben 2 in Richtung des oberen Totpunkts. Die erste Linie L1 kann während einer vollständigen Kurbelwellenumdrehung nur leicht um den dritten Winkel γ hin- und herschwenken. Infolge des geringen dritten Winkels γ werden mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Kolbenseitenkräfte auf ein Minimum reduziert.
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Der dritte Winkel γ beträgt während einer ganzen Kurbelwellenumdrehung höchstens ±10°, vorzugsweise ±3 bis ±8°, besonders bevorzugt höchstens ±1° nach beiden Seiten der Kolbenachse KM.
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Die mit der vorgeschlagenen Brennkraftmaschine erreichbaren Vorteile werden insbesondere aus 5 ersichtlich. Darin ist der Kolbenwegverlauf über dem Kurbelwellendrehwinkel einer herkömmlichen Brennkraftmaschine (unterbrochene Linie) im Vergleich zur erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (durchgezogene Linie) gezeigt. Wie aus 5 klar ersichtlich ist, beschleunigt der Kolben 2 bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine schneller zum oberen Totpunkt. Er bewegt sich mit stark verzögerter, aber ununterbrochener Bewegung durch den oberen Totpunkt, beschleunigt dann schneller zum unteren Totpunkt. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Brennkraftmaschine wird mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine schnellere Kompression, ein höherer Kompressionsdruck, eine höhere Kompressionstemperatur und damit bessere Ausgangsbedingungen für die Verbrennung erreicht. Die Verbrennung zeichnet sich insbesondere durch geringen Zündverzug ab. Es kann insgesamt mehr Energie im Bereich des oberen Totpunkts umgesetzt werden. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine dadurch aus, dass Kolbenverzögerungen vor den Totpunkten und Kolbenbeschleunigungen nach den Totpunkten geringer sind als bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit Gelenkpleuelkonstruktion. Das ermöglicht einen Betrieb der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bei höheren Drehzahlen. Wegen der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kurbelwellengetriebes zeichnet sich die Brennkraftmaschine durch äußerst geringe Kolbenseitenkräfte aus. Das erhöht deren Haltbarkeit und vermindert Vibrationen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Kolben
- 3
- erster Anlenkpunkt
- 3a
- viertes Gleitlager
- 4
- erster Angriffspunkt
- 4a
- drittes Gleitlager
- 5
- Schwenkhebel
- 6
- Schwenkhebelachse
- 6a
- fünftes Gleitlager
- 7
- Kurbelwelle
- 8
- Kurbelwellendrehachse bzw. Kurbelwellendrehpunkt
- 9
- zweiter Anlenkpunkt
- 9a
- erstes Gleitlager
- 10
- Kurbelwellenzapfen
- 11
- zweiter Angriffspunkt
- 11a
- zweites Gleitlager
- 12
- erster Bolzen
- 13
- zweiter Bolzen
- 14
- dritter Bolzen
- a1
- erster Abstand
- a2
- zweiter Abstand
- a3
- dritter Abstand
- G
- Gerade
- KM
- Kolbenachse
- L1
- erste Linie
- L2
- zweite Linie
- L3
- dritte Linie
- L4
- vierte Linie
- L5
- fünfte Linie
- P1
- erster Pleuel
- P2
- zweiter Pleuel
- α
- erster Winkel
- β
- zweiter Winkel
- γ
- dritter Winkel
- ε
- vierter Winkel
- ρ
- fünfter Winkel
- σ
- sechster Winkel
