WO1998023855A1 - Reciprocating engine - Google Patents
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- WO1998023855A1 WO1998023855A1 PCT/EP1997/006547 EP9706547W WO9823855A1 WO 1998023855 A1 WO1998023855 A1 WO 1998023855A1 EP 9706547 W EP9706547 W EP 9706547W WO 9823855 A1 WO9823855 A1 WO 9823855A1
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/06—Engines with means for equalising torque
- F02B75/065—Engines with means for equalising torque with double connecting rods or crankshafts
Definitions
- the invention relates to a piston engine according to the features specified in the preamble of claim 1.
- a piston engine is known from German published patent application DE 27 46 476 A1, in particular an internal combustion engine, which contains at least one cylinder with a piston and a piston rod moving in a straight line.
- a transmission link is connected to the piston rod, to which at least two connecting rods are connected via a connecting rod joint.
- the other ends of the connecting rods are coupled to crank shafts via crank pins, which are connected via synchronized rotation gears in opposite directions of rotation.
- the lengths of the connecting rods are comparatively large.
- the efficiency of such a piston engine is significantly influenced by the fact that the pressure curve in the cylinder, especially when it is designed as an internal combustion engine, cannot be converted into an optimal torque curve on the crankshaft.
- crank disks whose shafts are arranged coaxially, are coupled by means of a bevel gear.
- the connecting rod joints of the connecting rods are arranged inside the piston and the connecting rods have a considerably greater length than the diameter on which the crank pins of the crank disks rotate.
- the object of the invention is therefore to design a piston engine of the type mentioned in such a way that a more favorable conversion of the pressure curve in the cylinder into the torque curve on the crankshaft and thus in particular an increased efficiency is achieved.
- the piston engine according to the invention is characterized by an optimized conversion of the pressure curve in the cylinder into the torque curve of the crankshaft.
- Two connecting rods are provided, which are articulated on a transmission link.
- the transmission link is used primarily to compensate for lateral forces, so that the design effort, in particular with regard to guides and bearings, can be considerably reduced.
- the connecting rod bearings are arranged on the transmission element, and expediently at a distance substantially the same as the center distance of the two crankshafts. If the piston is in the top dead center position, the connecting rods are aligned essentially parallel to one another or they have a slight deviation or a predetermined small angle to the piston axis, in particular if they are designed with a predetermined low negative set.
- the angle between the connecting rods is increased starting from the top dead center during the working stroke of the piston.
- the transmission link is coupled to the piston rod.
- the coupling can take place via a joint or bearing.
- the transmission element is firmly connected to the piston rod, in particular in one piece in such a way that the transmission element and the piston rod form a single component.
- the at least two connecting rods are made so short that the path of the connecting rods leads through a plane which at least approximately through the upper or lower Dead center of the circular path of the crankshaft journal runs. According to the invention, this plane is the common tangential plane at the rotating circles of the crank pins of the two crankshafts.
- this plane is parallel to the plane which is defined by the two crankshaft axes. Due to the short design of the at least two connecting rods according to the invention, the pivoting angle of the connecting rod is considerably increased in comparison with previously known arrangements in the working stroke, with the result that an increased proportion of the potential energy of the piston is converted into kinetic energy of the crankshaft mass. The higher proportion of kinetic energy of the piston stroke is transmitted to the crankshaft mass in accordance with the respective swivel angle of the connecting rod and thus increases the kinetic energy of the crankshaft mass. In comparison with crank drives, which enable comparatively small pivoting angles of the connecting rods, a significant improvement in efficiency, in particular> 10% and beyond, is achieved by the piston engine according to the invention.
- the connecting rods are designed according to the invention so short that the smallest distance between the centers of the two connecting rod bearings to the plane in which the crankshaft axes lie is less than half the diameter or as the radius of the circle on which the centers of the crank pins move.
- the connection of the connecting rods to the connecting rod joints connected to the piston, preferably via a piston rod or another transmission element, makes it possible to make the connecting rods as short as is desired for an optimal torque curve of the crankshaft.
- the piston engine according to the invention compensates with two connecting rods each, which are connected to one another via the connecting rod joints, the transverse force components that occur there, so that no crosshead guide is required.
- the piston engine according to the invention enables mutual support by means of the common transmission element for the two connecting rods. No additional guides or support devices are required to direct the forces from the reciprocating piston to the two short connecting rods arranged in pairs.
- the machine is designed with a predetermined negative set, whereby, above all, stabilization with regard to lateral vibrations is achieved.
- the negative setting is specified in such a way that at the top dead center the connecting rods are at an angle to the plane running through the piston or the cylinder. Starting from the top dead center, the angle between the two connecting rods is increased during the working stroke of the piston. It was recognized that, with the same potential energy on the piston, machines with a negative setting give a higher kinetic energy to the crankshaft than in the case of machines with a positive setting, in which the angle between the connecting rods becomes smaller at the beginning of the working stroke. In addition, it was recognized that a parallel adjustment of the crankshafts for the purpose of changing the cubic capacity is made possible with the piston engine according to the invention in a restricted configuration, so that the piston engine can be operated with different fuels.
- the two crankshafts are preferably connected to one another via a gear transmission, each of the two crankshafts having a spur gear which are in engagement with one another.
- gear links such as chain gearboxes, toothed belt drives, hydraulic gearboxes or other gearboxes can also be used, which enable the two crankshafts assigned to each cylinder to run synchronously with opposite directions of rotation.
- Fig. 1 A piston engine with two parallel crankshafts and one
- Fig. 3 shows a special embodiment in which the transmission link and
- Piston rod form a single component
- the piston engine shown in FIGS. 1 and 2 contains a cylinder 1 in which a piston 2 is movably received along a piston axis 1 a. It is, for example, an internal combustion engine.
- a piston rod 3 is connected to the piston 2 and is guided out of the cylinder 1 in a piston rod guide 4 and moves in a straight line.
- the separate piston rod guide can also be dispensed with.
- the piston rod 3 is connected at its end facing away from the bottom of the piston 2 via a transmission member 14 by means of connecting rod joints 5, 5 'to two connecting rods 6, 6'.
- the connecting rod joints or connecting rod bearings 5, 5 ' are arranged on the transmission member 14, which is connected in an articulated manner to the piston rod 3 by means of a bolt 15.
- Each connecting rod 6 or 6 ' engages a crankshaft journal 7 or 7' of two crankshafts 8 or 8 '.
- the length L of the connecting rods 6 and 6 ' is only slightly larger than the turning circle radius R of the center of the crank pin 7 and 7', which corresponds to half the piston stroke by design.
- the piston rod 3 and the transmission member 14 are rigidly connected to one another, so that the articulated connection by means of a bolt is omitted.
- the piston rod 3 and the transmission member 14 advantageously form a single component, with an articulated connection with the piston being present.
- FIG. 1 Another alternative embodiment is indicated in the lower half of FIG. 1 with dash-dotted lines.
- a further cylinder 1 ′ is arranged on the other side than the first cylinder 1.
- a further transmission element 14 ' is coupled to the piston rod 3' thereof and two further connecting rods are connected to the crankshaft pins 7 and 7 '.
- two connecting rods are thus articulated on each of the two crankshaft pins 7 and 7 '.
- crankshafts 8, 8 'belonging to a plurality of cylinders 1 can be connected to one another to form a multi-cylinder machine by means of transmission elements such as gears or gears.
- Fig. 2 shows that in the bottom dead center position, the connecting rod joints 5, 5 'are below the plane E, which is also defined as a common tangent to the two trajectories of the crankshaft pins 7 and 7'.
- the length L of the connecting rods that is the distance between the center of the connecting rod bearing 5 and the center of the crank pin bearing 7, is short in comparison with known constructions.
- the ratio of the radius R to the length L which ratio is also referred to as the push rod ratio, is greater than 0.5 according to the invention. It is essential that the middle of the connecting rod joint 5, 5 'reaches the area below the plane E or on the side facing away from the piston 1 with respect to the plane E during the working stroke.
- the plane E is the common tangent to the rotating circles of the two crankshaft journals 7 and 7 'and it is arranged essentially parallel to the plane K in which the two crankshaft axes 9, 9' lie.
- crankshaft pins After turning the crankshafts by 90 ° from top dead center, the crankshaft pins are in the common plane of the two crankshaft axes. It is important according to the invention that in this position the angle between the connecting rod and the cylinder axis 1 a is greater than 45 degrees.
- the swivel angle is expediently large at least 50 angular degrees when half the working stroke is reached.
- the piston engine which is only shown schematically, can be designed, for example, as an internal combustion engine in the form of an Otto engine, a diesel engine and in a two-stroke or four-stroke type.
- the piston engines can also be steam engines, air pressure or gas pressure engines and can be operated as a combustion engine with gas, gasoline, diesel oil, bio-oil (rapeseed), gas or hydrogen.
- the linear guidance of the piston rod 6 proves to be particularly advantageous because the cylinder space located in the cylinder 1 below the piston 2 can be sealed in a simple manner in order to charge a cylinder for the two-stroke flushing of the distribution chamber located above the piston 2 to build.
- 3 shows a special embodiment of the piston engine according to the invention, in which the piston rod 3 is integrated in the transmission member 14 or is designed as an arm thereof.
- the transmission member designed in this way as a single component with an integrated piston rod has two arms 16, 17 with the connecting rod joints 5, 5 '.
- the piston rod is designed as a short arm, which is arranged in the extension of the two arms 16, 17.
- the arms 16, 17 are each arranged at an angle 18 to the piston axis 1 a, which is less than 90 °.
- the forces exerted by the piston 2 via the integrated piston rod 3 from above as a result of the downward inclination of the arms 16, 17 towards the crankshafts are essentially introduced and transmitted as pressure forces in the arms 16, 17, with disadvantageous bending forces on the Transmission member 14 avoided or at least significantly reduced.
- crankshafts 8, 8 'with their axes parallel to each other are connected to the others via a gear transmission and each contain a spur gear 13 or 13', which are in engagement with one another and bring about a synchronous operation of the two crankshafts 8, 8 'in the opposite directions of rotation .
- the output can take place on one of the two crankshafts 8 and 8 '.
- the transmission member 1 integrated with the piston rod into a single component enables the transmission of the piston forces to the connecting rod joints 5, 5 ', without additional, other supports being required and thus the entire play of forces between the piston and the crankshaft journal taking place.
- the cylinder 1 or its cylinder liner contains a recess or a slot 21 for the transmission member 14, which is indicated by dashed lines.
- the transmission member 14 In the top dead center position, the transmission member 14 is largely in this recess 21.
- the recess 21 is arranged and designed such that in the bottom dead center position, that is to say when rotating through 180 ° out of the position shown, the piston 2 or its Piston rings, a secure seal in the cylinder 1 only schematically indicated here.
- the housing 20 receiving the crankshafts 8, 8 ' also contains a recess 22 in which the transmission member with the connecting rod joints 5, 5' are at least partially located in the top dead center position.
- the cross section of the arms 16, 17 is, starting from the connecting rod joints 5, 5 'in the direction of Piston axis 1 a enlarged, so that high stability and strength is ensured with little use of materials.
- FIG. 3 An alternative embodiment is indicated in FIG. 3 with dash-dotted lines 23, 24. If the connecting rods 6, 6 'are of a restricted design or arrangement, the connecting rod joints 5 and 7 or 5' and 7 'lie on the dash-dotted lines 23 or 24 or on lines parallel to them in the top dead center position.
- the particularly expedient negative setting ensures stabilization with regard to lateral vibrations, the pivoting angle 25 with respect to the piston axis being specified in accordance with the requirements.
- the distance 26 between the crankshafts or crankshaft axes 9, 9 ′ which are parallel to one another can be changed.
- This makes it possible to change the cubic capacity in a preferred manner, in order to make it possible above all to adapt to different fuels of the design as a drive motor.
- a gear arrangement is provided which nevertheless ensures the opposite synchronous running of the two crankshafts 8, 8' when the distance 26 is changed.
- FIG. 4 shows a further special embodiment with two parallel pistons 2, 2 ′ lying next to one another, which are coupled to a common transmission element 14 in the manner shown.
- the piston axes 1 a and 1 ′ a expediently run through the crankshafts 8, 8 ′, as a result of which a particularly favorable course of forces is achieved.
- This parallel arrangement of the pistons keeps the load on the transmission element low.
- the common transmission member 14 with the two integrated piston rods is essentially U-shaped.
- a recess 21 is provided in the cylinder 1 and a recess 22 in the housing 20, into which the transmission member 14 engages in the top dead center position, which in turn reduces the overall height to a minimum.
- FIG. 5 and 6 show an expedient development of the articulation of the piston rod 3 'on the piston 2' by means of a pin guide 27.
- This pin guide 27 is designed in such a way that changes in length which result in the direction of the double arrow 28, for example as a result of temperature changes or tolerances the without corresponding forces are transmitted to the piston 2 '.
- the pin guide 27 enables lateral relative movements in the direction of the double arrow 28 of the transmission member 14 with respect to the piston 2 '.
- On both sides of the bolt guide 27 there is sufficient play or a gap 29 to enable expansion or tolerances to be compensated for.
- Piston rod guide 5 'connecting rod joint, 6' connecting rod, 7 'crankshaft journal, 8' crankshaft, 9 'crankshaft axis, 13' spur gear
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Abstract
A reciprocating engine contains at least one piston (2) guided into a cylinder (1). Each piston (2) is connected with two connecting rods (6, 6') via a preferably linearly displaceable piston rod (3) and a connecting rod joint (5, 5'). These connecting rods engage with a crankshaft journal (7, 7') of two crankshafts (8, 8'), which are coupled via a gearing (10, 10', 11) for synchronous rotation in opposite directions. Such a reciprocating machine is designed to improve the conversion of the pressure curve in the cylinder into a torque curve at the crankshaft, thus achieving greater efficiency. It is proposed that the connecting rods (6, 6') are designed so short that the travel of the connecting rod joints (5, 5') passes through a plane (E), which forms a common tangential plane of the orbits of the crankshaft journals (7, 7').
Description
Kolbenkraftmaschine Piston engine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenkraftmaschine gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to a piston engine according to the features specified in the preamble of claim 1.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 27 46 476 A1 ist ein Hubkolbenmotor bekannt, insbesondere eine Brennkraftmaschine, welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und eine geradlinig bewegenden Kolbenstange enthält. Mit der Kolbenstange ist ein Übertragungsglied verbunden, mit welchem jeweils über ein Pleuelgelenk wenigstens zwei Pleuelstangen verbunden sind. Die Pleuelstangen sind mit ihren anderen Enden jeweils über Kurbelzapfen mit Kurbeiwellen gekoppelt, welche über Zahnräder zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen verbunden sind. Die Längen der Pleuelstangen sind vergleichsweise groß. Der Wirkungsgrad einer derartigen Kolbenkraftmaschine wird maßgeblich dadurch beeinflußt, daß der Druckverlauf im Zylinder, insbesondere bei Ausbildung als Brennkraftmaschinen, nicht in einen optimalen Drehmomentverlauf an der Kurbelwelle umgesetzt werden kann.A piston engine is known from German published patent application DE 27 46 476 A1, in particular an internal combustion engine, which contains at least one cylinder with a piston and a piston rod moving in a straight line. A transmission link is connected to the piston rod, to which at least two connecting rods are connected via a connecting rod joint. The other ends of the connecting rods are coupled to crank shafts via crank pins, which are connected via synchronized rotation gears in opposite directions of rotation. The lengths of the connecting rods are comparatively large. The efficiency of such a piston engine is significantly influenced by the fact that the pressure curve in the cylinder, especially when it is designed as an internal combustion engine, cannot be converted into an optimal torque curve on the crankshaft.
Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 31 29 028 A1 eine Brennkraftmaschine mit zwei entgegengesetzt rotierenden Kurbelwellen bekannt, welche über ein Getriebe gekoppelt sind. Innerhalb des Kolbens ist ein gemeinsames Pleuelgelenk für zwei Pleuelstangen vorgesehen, welche mit jeweils einer der beiden Kurbelwellen über Kurbelzapfen gekoppelt sind. Die Länge der Pleuelstangen ist konstruktionsbedingt größer als der Hub des im Zylinder linear verschiebbar angeordneten Kolbens.
Schließlich ist aus dem deutschen Patent 105 605 eine Antriebsvorrichtung für zwei durch einen Kolben in entgegengesetzter Richtung angetriebenen Wellen vorbekannt. Bei dieser Vorrichtung sind zwei Pleuel- oder Lenkerstangen einerseits mit dem Kolben und andererseits mit zwei Kurbelscheiben gekoppelt. Mittels eines Kegelradgetriebes erfolgt eine Kopplung der Kurbelscheiben, deren Wellen koaxial angeordnet sind. Die Pleuelgelenke der Pleuelstangen sind innerhalb des Kolbens angeordnet und die Pleuelstangen weisen eine erheblich größere Länge auf als der Durchmesser, auf welchem die Kurbelzapfen der Kurbelscheiben drehen.Furthermore, from the German published patent application DE 31 29 028 A1 an internal combustion engine with two counter-rotating crankshafts is known, which are coupled via a transmission. Within the piston, a common connecting rod joint is provided for two connecting rods, which are each coupled to one of the two crankshafts via crank pins. Due to the design, the length of the connecting rods is greater than the stroke of the piston, which is linearly displaceable in the cylinder. Finally, a drive device for two shafts driven in the opposite direction by a piston is known from German patent 105 605. In this device, two connecting rods or handlebars are coupled on the one hand to the piston and on the other hand to two crank disks. The crank disks, whose shafts are arranged coaxially, are coupled by means of a bevel gear. The connecting rod joints of the connecting rods are arranged inside the piston and the connecting rods have a considerably greater length than the diameter on which the crank pins of the crank disks rotate.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kolbenkraftmaschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine günstigere Umsetzung des Druckverlaufs im Zylinder in den Drehmomentenverlauf an der Kurbelwelle und damit insbesondere ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt wird.The object of the invention is therefore to design a piston engine of the type mentioned in such a way that a more favorable conversion of the pressure curve in the cylinder into the torque curve on the crankshaft and thus in particular an increased efficiency is achieved.
Diese Aufgabe wird gemäß den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved according to the features specified in claim 1.
Die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine zeichnet sich aufgrund der kurzen Pleuelstangen durch eine optimierte Umsetzung des Druckverlaufs im Zylinder in den Drehmomentenverlauf der Kurbelwelle aus. Es sind zwei Pleuelstangen vorgesehen, welche an einem Übertragungsglied angelenkt sind. Das Übertragungsglied dient vor allem zur Kompensation von Seitenkräften, so daß der konstruktive Aufwand, insbesondere im Hinblick auf Führungen und Lagerungen, erheblich reduziert werden kann. Die Pleuellager sind an dem Übertragungsglied angeordnet, und zwar zweckmäßig in einem Abstand im wesentlichen gleich groß wie der Achsabstand der beiden Kurbelwellen. Befindet sich der Kolben in der oberen Totpunktlage, so sind die Pleuelstangen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet oder sie weisen eine geringe Abweichung bzw. einen vorgegebenen kleinen Winkel zur Kolbenachse auf, insbesondere bei Ausbildung mit vorgegebener geringer negativer Schränkung auf. Bei einer Kolbenkraftmaschine mit negativer Schränkung wird ausgehend vom oberen Totpunkt beim Arbeitshub des Kolbens der Winkel zwischen den Pleuelstangen vergrößert. Das Übertragungsglied ist mit der Kolbenstange gekoppelt. Die Kopplung kann über ein Gelenk oder Lager erfolgen. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Übertragungsglied fest mit der Kolbenstange verbunden, und zwar insbesondere einteilig derart, daß das Übertragungsglied und die Kolbenstange ein einziges Bauteil bilden. Die wenigstens zwei Pleuelstangen sind derart kurz ausgeführt, daß der Weg der Pleuelgelenke durch eine Ebene führt, welche zumindest näherungsweise durch die oberen oder unteren
Totpunkte der Kreisbahn der Kurbelwellenzapfen verläuft. Diese Ebene ist erfindungsgemäß die gemeinsame Tangentialebene an den Drehkreisen der Kurbeizapfen der beiden Kurbelwellen. Des weiteren liegt diese Ebene parallel zur Ebene, welche durch die beiden Kurbelwellenachsen definiert ist. Aufgrund der erfindungsgemäß kurzen Ausbildung der wenigstens zwei Pleuelstangen wird der Schwenkwinkel der Pleuelstange im Vergleich mit vorbekannten Anordnungen im Arbeitshub erheblich vergrößert mit der Folge, daß von der potentiellen Energie des Kolbens ein vergrößerter Anteil in kinetische Energie der Kurbelwellenmasse umgesetzt wird. Der höhere Anteil kinetischer Energie des Kolbenhubes wird entsprechend dem jeweiligen Schwenkwinkel der Pleuelstange kraftverstärkend in die Kurbelwellenmasse übertragen und erhöht somit die kinetische Energie der Kurbelwellenmasse. Im Vergleich mit Kurbeltrieben, welche vergleichsweise geringe Schwenkwinkel der Pleuelstangen ermöglichen, wird eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades, und zwar insbesondere > 10 % und darüber hinaus, durch die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine erreicht. Ferner sei hervorgehoben, daß der Wirkungsgrad in zweckmäßiger Weise mit zunehmendem Schubstangenverhältnis, also Kurbelradius bezogen auf die Länge der Pleuelstange, ansteigt. Die Übertragung eines verhältnismäßig großen Kolbenhubs über verhältnismäßig kurze Pleuelstangen, die aus konstruktiven Gründen nur wenig länger als der halbe Kolbenhub sein müssen, führt zu einem sehr günstigen Drehmomentenverlauf an der Kurbelwelle und damit zu einem wesentlich erhöhten Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen vergleichbaren Kolbenkraftmaschinen.Due to the short connecting rods, the piston engine according to the invention is characterized by an optimized conversion of the pressure curve in the cylinder into the torque curve of the crankshaft. Two connecting rods are provided, which are articulated on a transmission link. The transmission link is used primarily to compensate for lateral forces, so that the design effort, in particular with regard to guides and bearings, can be considerably reduced. The connecting rod bearings are arranged on the transmission element, and expediently at a distance substantially the same as the center distance of the two crankshafts. If the piston is in the top dead center position, the connecting rods are aligned essentially parallel to one another or they have a slight deviation or a predetermined small angle to the piston axis, in particular if they are designed with a predetermined low negative set. In the case of a piston engine with negative setting, the angle between the connecting rods is increased starting from the top dead center during the working stroke of the piston. The transmission link is coupled to the piston rod. The coupling can take place via a joint or bearing. In a special embodiment, the transmission element is firmly connected to the piston rod, in particular in one piece in such a way that the transmission element and the piston rod form a single component. The at least two connecting rods are made so short that the path of the connecting rods leads through a plane which at least approximately through the upper or lower Dead center of the circular path of the crankshaft journal runs. According to the invention, this plane is the common tangential plane at the rotating circles of the crank pins of the two crankshafts. Furthermore, this plane is parallel to the plane which is defined by the two crankshaft axes. Due to the short design of the at least two connecting rods according to the invention, the pivoting angle of the connecting rod is considerably increased in comparison with previously known arrangements in the working stroke, with the result that an increased proportion of the potential energy of the piston is converted into kinetic energy of the crankshaft mass. The higher proportion of kinetic energy of the piston stroke is transmitted to the crankshaft mass in accordance with the respective swivel angle of the connecting rod and thus increases the kinetic energy of the crankshaft mass. In comparison with crank drives, which enable comparatively small pivoting angles of the connecting rods, a significant improvement in efficiency, in particular> 10% and beyond, is achieved by the piston engine according to the invention. It should also be emphasized that the efficiency increases expediently with increasing push rod ratio, that is to say crank radius in relation to the length of the connecting rod. The transmission of a relatively large piston stroke via relatively short connecting rods, which for constructional reasons only have to be a little longer than half the piston stroke, leads to a very favorable torque curve on the crankshaft and thus to a significantly increased efficiency compared to conventional comparable piston engines.
Die Pleuelstangen sind erfindungsgemäß derart kurz ausgeführt, daß der geringste Abstand der Mitten der beiden Pleuellager zu derjenigen Ebene, in welcher die Kurbelwellenachsen liegen, geringer ist als der halbe Durchmesser bzw. als der Radius des Kreises, auf welchem sich die Mitten der Kurbelzapfen bewegen. Der Anschluß der Pleuelstangen an die mit dem Kolben, vorzugsweise über eine Kolbenstange oder ein anderes Übertragungsglied, verbundene Pleuelgelenke ermöglicht es, die Pleuelstangen so kurz auszuführen, wie dies für einen optimalen Drehmomentenverlauf der Kurbelwelle erwünscht ist. Im Gegensatz zu Kreuzkopfmaschinen, die nur als verhältnismäßig langsam laufende Kolbenkraftmaschinen ausgeführt werden und bei denen die am Kreuzkopf auftretenden Querkräfte aufgenommen werden müssen, kompensieren sich bei der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine mit jeweils zwei Pleuelstangen, die über die Pleuelgelenke miteinander verbunden sind, die dort auftretenden Querkraftkomponenten, so daß keine Kreuzkopfführung erforderlich ist.
Die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine ermöglicht mittels des gemeinsamen Übertragungsgliedes für die beiden Pleuelstangen eine gegenseitige Abstützung. Es sind keine zusätzlichen Führungen oder Abstützungseinrichtungen erforderlich, um die Kräfte vom Hubkolben auf die beiden paarweise angeordneten, kurzen Pleuelstangen zu leiten. In zweckmäßiger Weise wird die Maschine mit einer vorgegebenen negativen Schränkung ausgebildet, wodurch vor allem eine Stabilisierung hinsichtlich seitlicher Schwingungen erreicht wird. Die negative Schränkung wird derart vorgegeben, daß im oberen Totpunkt die Pleuelstangen zu der durch den Kolben bzw. den Zylinder verlaufenden Ebene einen Winkel aufweisen. Ausgehend vom oberen Totpunkt wird beim Arbeitshub des Kolbens der Winkel zwischen den beiden Pleuelstangen vergrößert. Es wurde erkannt, daß bei gleicher potentieller Energie am Kolben Maschinen mit negativer Schränkung eine höhere kinetische Energie an die Kurbelwelle abgeben, als im Falle von Maschinen mit positiver Schränkung, bei welchen zu Beginn des Arbeitshubs der Winkel zwischen den Pleuelstangen kleiner wird. Darüber hinaus wurde erkannt, daß mit der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine in geschränkter Ausführung eine parallele Verstellbarkeit der Kurbelwellen zwecks Hubraumveränderung ermöglicht wird, um so die Kolbenkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffen betreiben zu können.The connecting rods are designed according to the invention so short that the smallest distance between the centers of the two connecting rod bearings to the plane in which the crankshaft axes lie is less than half the diameter or as the radius of the circle on which the centers of the crank pins move. The connection of the connecting rods to the connecting rod joints connected to the piston, preferably via a piston rod or another transmission element, makes it possible to make the connecting rods as short as is desired for an optimal torque curve of the crankshaft. In contrast to crosshead machines, which are only designed as relatively slow-running piston engines and in which the transverse forces occurring at the crosshead have to be absorbed, the piston engine according to the invention compensates with two connecting rods each, which are connected to one another via the connecting rod joints, the transverse force components that occur there, so that no crosshead guide is required. The piston engine according to the invention enables mutual support by means of the common transmission element for the two connecting rods. No additional guides or support devices are required to direct the forces from the reciprocating piston to the two short connecting rods arranged in pairs. In an expedient manner, the machine is designed with a predetermined negative set, whereby, above all, stabilization with regard to lateral vibrations is achieved. The negative setting is specified in such a way that at the top dead center the connecting rods are at an angle to the plane running through the piston or the cylinder. Starting from the top dead center, the angle between the two connecting rods is increased during the working stroke of the piston. It was recognized that, with the same potential energy on the piston, machines with a negative setting give a higher kinetic energy to the crankshaft than in the case of machines with a positive setting, in which the angle between the connecting rods becomes smaller at the beginning of the working stroke. In addition, it was recognized that a parallel adjustment of the crankshafts for the purpose of changing the cubic capacity is made possible with the piston engine according to the invention in a restricted configuration, so that the piston engine can be operated with different fuels.
Die bisher bei der Auslegung von Kolbenkraftmaschineπ berücksichtigte Bedingung, dergemäß der mittlere effektive Druck multipliziert mit dem Hubvolumen der effektiven Leistung entspricht, ist bei der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine nicht anwendbar. Diese Eigenschaft ist in der unterschiedlichen Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens begründet. Mit zunehmendem Schwenkwinkel des Pleuels im Arbeitshub kann von der potentiellen Energie ein vergrößerter Anteil der kinetischen Energie der Kurbelwelle zugeführt werden.The condition previously taken into account in the design of piston engine, which corresponds to the mean effective pressure multiplied by the stroke volume of the effective power, cannot be applied to the piston engine according to the invention. This property is due to the different working speed of the piston. With an increasing swivel angle of the connecting rod in the working stroke, an increased proportion of the kinetic energy of the crankshaft can be supplied from the potential energy.
Vorzugsweise sind die beiden Kurbelwellen über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden, wobei jede der beiden Kurbelwellen ein Stirnrad aufweist, die miteinander in Eingriff stehen. Anstelle der genannten Zahnräder können auch andere Getriebeglieder wie Kettengetriebe, Zahnriementriebe, Hydraulikgetriebe oder andere Getriebe verwendet werden, die einen Synchronlauf der beiden jedem Zylinder zugeordneten Kurbelwellen mit entgegengesetztem Drehsinn ermöglichen.The two crankshafts are preferably connected to one another via a gear transmission, each of the two crankshafts having a spur gear which are in engagement with one another. Instead of the gearwheels mentioned, other gear links such as chain gearboxes, toothed belt drives, hydraulic gearboxes or other gearboxes can also be used, which enable the two crankshafts assigned to each cylinder to run synchronously with opposite directions of rotation.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt jeweils in schematischer Darstellungsweise:Further advantageous embodiments of the invention are the subject of further dependent claims. Exemplary embodiments of the invention are illustrated below, which are shown in the drawing. Each shows in a schematic representation:
Fig. 1 Eine Kolbenkraftmaschine mit zwei parallelen Kurbelwellen und einemFig. 1 A piston engine with two parallel crankshafts and one
Übertragungsglied zwischen zwei Pleuelstangen, und zwar in der oberen Totpunktlage,Transmission link between two connecting rods, in the top dead center position,
Fig. 2 die Kolbenkraftmaschine nach Fig. 1 in der unteren Totpunktlage,2 the piston engine according to FIG. 1 in the bottom dead center position,
Fig. 3 eine besondere Ausgestaltung, bei welcher das Übertragungsglied und dieFig. 3 shows a special embodiment in which the transmission link and
Kolbenstange ein einziges Bauteil bilden,Piston rod form a single component,
Fig. 4 eine Ausführungsform mit zwei nebeneinander angeordneten Kolben,4 shows an embodiment with two pistons arranged side by side,
Fig. 5, 6 vergrößert eine bevorzugte Ankopplung des Übertragungsglieds gemäß Fig. 4 in zwei gegeneinander um 90° verdrehten Schnittebenen.5, 6 enlarge a preferred coupling of the transmission element according to FIG. 4 in two sectional planes rotated by 90 ° with respect to one another.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kolbenkraftmaschine enthält einen Zylinder 1 , in dem ein Kolben 2 längs einer Kolbenachse 1 a bewegbar aufgenommen ist. Es handelt sich beispielsweise um eine Verbrennungskraftmaschine. Mit dem Kolben 2 ist eine Kolbenstange 3 verbunden, die in einer Kolbenstangenführung 4 aus dem Zylinder 1 herausgeführt ist und sich geradlinig bewegt. Auf die gesonderte Kolbenstangenführung kann auch verzichtet werden.The piston engine shown in FIGS. 1 and 2 contains a cylinder 1 in which a piston 2 is movably received along a piston axis 1 a. It is, for example, an internal combustion engine. A piston rod 3 is connected to the piston 2 and is guided out of the cylinder 1 in a piston rod guide 4 and moves in a straight line. The separate piston rod guide can also be dispensed with.
Die Kolbenstange 3 ist an ihrem dem Boden des Kolbens 2 abgekehrten Ende über ein Übertragungsglied 14 mittels Pleuelgelenken 5, 5' mit zwei Pleuelstangen 6, 6' gelenkig verbunden. Die Pleuelgelenke oder Pleuelstangenlager 5, 5' sind an dem Übertragungsglied 14 angeordnet, welches mittels eines Bolzens 15 mit der Kolbenstange 3 gelenkig verbunden ist. Jede Pleuelstange 6 bzw. 6' greift an einem Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7' zweier Kurbelwellen 8 bzw. 8' an. Die Länge L der Pleuelstangen 6 bzw. 6' ist nur geringfügig größer als der Drehkreisradius R der Mitte des Kurbelweilenzapfen 7 bzw. 7', der konstruktionsbedingt dem halben Kolbenhub entspricht.
In einer zweckmäßigen, weiter unten erläuterten Ausgestaltung sind die Kolbenstange 3 und das Übertragungsglied 14 starr miteinander verbunden, wobei also die gelenkige Verbindung mittels eines Bolzens entfällt. Vorteilhaft bilden die Kolbenstange 3 und das Übertragungsglied 14 ein einziges Bauteil, wobei eine Gelenkverbindung mit dem Kolben vorhanden ist.The piston rod 3 is connected at its end facing away from the bottom of the piston 2 via a transmission member 14 by means of connecting rod joints 5, 5 'to two connecting rods 6, 6'. The connecting rod joints or connecting rod bearings 5, 5 'are arranged on the transmission member 14, which is connected in an articulated manner to the piston rod 3 by means of a bolt 15. Each connecting rod 6 or 6 'engages a crankshaft journal 7 or 7' of two crankshafts 8 or 8 '. The length L of the connecting rods 6 and 6 'is only slightly larger than the turning circle radius R of the center of the crank pin 7 and 7', which corresponds to half the piston stroke by design. In an expedient embodiment, which is explained below, the piston rod 3 and the transmission member 14 are rigidly connected to one another, so that the articulated connection by means of a bolt is omitted. The piston rod 3 and the transmission member 14 advantageously form a single component, with an articulated connection with the piston being present.
Eine andere alternative Ausführungsform ist in der unteren Hälfte der Fig. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Hierbei ist bezüglich der Kurbelwellenebene K auf der anderen Seite als der erste Zylinder 1 ein weiterer Zylinder 1 ' angeordnet. Mit dessen Kolbenstange 3' ist ein weiteres Übertragungsglied 14' gekoppelt und über dieses sind zwei weitere Pleuelstangen mit den Kurbelwellenzapfen 7 und 7' verbunden. Es sind bei dieser Ausführungsform somit an jedem der beiden Kurbelwellenzapfen 7 und 7' zwei Pleuelstangen angelenkt.Another alternative embodiment is indicated in the lower half of FIG. 1 with dash-dotted lines. Here, with respect to the crankshaft plane K, a further cylinder 1 ′ is arranged on the other side than the first cylinder 1. A further transmission element 14 'is coupled to the piston rod 3' thereof and two further connecting rods are connected to the crankshaft pins 7 and 7 '. In this embodiment, two connecting rods are thus articulated on each of the two crankshaft pins 7 and 7 '.
Es ist auch möglich, daß an den Kurbelwellenzapfen zwei Pleuelstangen zweier entgegengesetzt gerichteter Zylinder angreifen. Die zu mehreren Zylindern 1 gehörenden Kurbelwellen 8, 8' können zur Bildung einer mehrzylindrischen Maschine durch Übertragungsglieder, wie Zahnräder oder Getriebe, miteinander verbunden sein.It is also possible for two connecting rods of two oppositely directed cylinders to engage the crankshaft journal. The crankshafts 8, 8 'belonging to a plurality of cylinders 1 can be connected to one another to form a multi-cylinder machine by means of transmission elements such as gears or gears.
Fig. 2 zeigt, daß in der unteren Totpunktlage die Pleuelgelenke 5, 5' sich unterhalb der Ebene E befinden, welche auch als gemeinsame Tangente an den beiden Bewegungsbahnen der Kurbelwellenzapfen 7 und 7' definiert ist.Fig. 2 shows that in the bottom dead center position, the connecting rod joints 5, 5 'are below the plane E, which is also defined as a common tangent to the two trajectories of the crankshaft pins 7 and 7'.
Die Länge L der Pleuelstangen, also der Abstand zwischen der Mitte des Pleuellagers 5 und der Mitte des Kurbelzapfenlagers 7 ist im Vergleich mit bekannten Konstruktionen kurz ausgebildet. Das Verhältnis des Radius R zur Länge L, welches Verhältnis auch als Schubstangenverhältnis bezeichnet wird, ist gemäß der Erfindung größer als 0,5. Wesentlich ist die Tatsache, daß während des Arbeitshubs die Mitte des Pleuelgelenks 5, 5' in den Bereich unterhalb der Ebene E bzw. auf die dem Kolben 1 abgewandte Seite bezüglich der Ebene E gelangt. Die Ebene E ist die gemeinsame Tangente an die Drehkreise der beiden Kurbelwellenzapfen 7 und 7' und sie ist im wesentlichen parallel zu der Ebene K angeordnet, in welcher die beiden Kurbelwellenachsen 9, 9' liegen.The length L of the connecting rods, that is the distance between the center of the connecting rod bearing 5 and the center of the crank pin bearing 7, is short in comparison with known constructions. The ratio of the radius R to the length L, which ratio is also referred to as the push rod ratio, is greater than 0.5 according to the invention. It is essential that the middle of the connecting rod joint 5, 5 'reaches the area below the plane E or on the side facing away from the piston 1 with respect to the plane E during the working stroke. The plane E is the common tangent to the rotating circles of the two crankshaft journals 7 and 7 'and it is arranged essentially parallel to the plane K in which the two crankshaft axes 9, 9' lie.
Ausgehend von der oberen Totpunktlage, die in Fig. 1 dargestellt ist und bei der die beiden Pleuelstangen 6, 6' parallel zur Kolbenstange 3 stehen, werden die beiden Pleuelstangen 6 und 6' infolge der entgegengesetzten Drehbewegungen in Richtung der
Kurbelwellenzapfen 7 und 7' gepresst. Die von der Kolbenstange 3 in Richtung auf die Ebene K ausgeübte Kraft wird in Richtung der beiden Pleuelstangen 6 und 6' nach einem Kräfteparallelogramm aufgeteilt, wobei auftretende Seitenkräfte erfindungsgemäß mittels des Übertragungsglieds 14 kompensiert werden. Die bei kurzen Pleuelstangen besonders hohen Seiten- oder Querkräfte der Pleuelstangen 6, 6' bezüglich der Längsachse 1 a werden in besonders günstiger Weise in die Kurbelwellen eingeleitet. Aufgrund der erfindungsgemäß kurzen Pleuelstangen werden deren Schwenkwinkel im Arbeitshub größer und von der potentiellen Energie des Kolbens wird ein vergrößerter Anteil in kinetische Energie der Kurbelwellenmasse übergeführt. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades der Maschine.Starting from the top dead center position, which is shown in Fig. 1 and in which the two connecting rods 6, 6 'are parallel to the piston rod 3, the two connecting rods 6 and 6' due to the opposite rotational movements in the direction of Crankshaft journal 7 and 7 'pressed. The force exerted by the piston rod 3 in the direction of the plane K is divided in the direction of the two connecting rods 6 and 6 'according to a force parallelogram, lateral forces which occur being compensated according to the invention by means of the transmission element 14. The particularly high lateral or transverse forces of the connecting rods 6, 6 'with respect to the longitudinal axis 1 a in the case of short connecting rods are introduced into the crankshafts in a particularly advantageous manner. Because of the short connecting rods according to the invention, their swivel angles become larger in the working stroke and an enlarged portion of the potential energy of the piston is converted into kinetic energy of the crankshaft mass. This leads to a significant increase in the efficiency of the machine.
Nach einer Drehung der Kurbelwellen um 90° ab dem oberen Totpunkt befinden sich die Kurbelwellenzapfen in der gemeinsamen Ebene der beiden Kurbelwellenachsen. Es ist erfindungsgemäß von Bedeutung, daß in dieser Position der zwischen der Pleuelstange und der Zylinderachse 1 a eingenommene Winkel größer als 45 Winkelgrade ist. Zweckmäßig ist der Schwenkwinkel bei Erreichen des halben Arbeitshubs mindestens 50 Winkelgrade groß.After turning the crankshafts by 90 ° from top dead center, the crankshaft pins are in the common plane of the two crankshaft axes. It is important according to the invention that in this position the angle between the connecting rod and the cylinder axis 1 a is greater than 45 degrees. The swivel angle is expediently large at least 50 angular degrees when half the working stroke is reached.
Abweichend von dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel kann vorgesehen werden, daß sich die Kolbenstange über die Kurbelwellenachsen hinaus erstreckt und die Pleuelstangen auf Zug beansprucht werden. Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, daß der Verbrennungsdruck im oberen Totpunktbereich über einen größeren Winkelbereich gehalten wird, so daß die Verbrennung im Zylinder vollständiger erfolgen kann und somit der Arbeitsdruck erhöht wird.Deviating from the example shown in FIGS. 1 and 2, it can be provided that the piston rod extends beyond the crankshaft axes and the connecting rods are subjected to tension. In this way it is achieved according to the invention that the combustion pressure in the upper dead center area is kept over a larger angular range, so that the combustion in the cylinder can take place more completely and thus the working pressure is increased.
Die nur schematisch dargestellte Kolbenkraftmaschine kann beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine in der Ausführung als Otto-Motor, Dieselmotor und in einer Zweitaktbauart oder Viertaktbauart ausgeführt sein. Ferner können im Rahmen dieser Erfindung die Kolbenkraftmaschinen auch Dampfmaschinen, Luftdruck- oder Gasdruckmaschinen sein sowie als Verbrennungskraftmaschine mit Gas, Benzin, Dieselöl, Bio-Öl (Raps), Gas oder Wasserstoff betrieben werden.The piston engine, which is only shown schematically, can be designed, for example, as an internal combustion engine in the form of an Otto engine, a diesel engine and in a two-stroke or four-stroke type. Furthermore, in the context of this invention, the piston engines can also be steam engines, air pressure or gas pressure engines and can be operated as a combustion engine with gas, gasoline, diesel oil, bio-oil (rapeseed), gas or hydrogen.
Für eine Ausführung als Zweitakt-Verbrennungsmotor erweist sich die geradlinige Führung der Kolbenstange 6 als besonders vorteilhaft, weil der im Zylinder 1 unterhalb des Kolbens 2 befindliche Zylinderraum in einfacher Weise abgedichtet werden kann, um einen Ladezyiinder für die Zweitaktspülung des über dem Kolben 2 befindlichen Verbreπnungsraums zu bilden.
Fig. 3 zeigt eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschi- ne, bei welcher die Kolbenstange 3 in das Übertragungsglied 14 integriert ist bzw. als ein Arm desselben ausgebildet ist. Das derart als ein einheitliches Bauteil mit integrierter Kolbenstange ausgebildete Übertragungsglied besitzt zwei Arme 16, 17 mit den Pleuelgelenken 5, 5'. Die Kolbenstange ist bei dieser Ausgestaltung als ein kurzer Arm ausgebildet, welcher in Verlängerung der beiden Arme 16, 17 angeordnet ist. Die Arme 16, 17 sind zur Kolbenachse 1 a jeweils in einem Winkel 18 angeordnet, welcher kleiner als 90° ist. Die gemäß Zeichnung von oben mittels des Kolbens 2 über die integrierte Kolbenstange 3 ausgeübten Kräfte werden infolge der nach unten zu den Kurbelwellen gerichtete Neigung der Arme 16, 17 im wesentlichen als Druckkräfte in die Arme 16, 17 eingeleitet und übertragen, wobei nachteilige Biegekräfte auf das Übertragungsglied 14 vermieden oder aber zumindest erheblich reduziert werden.For a version as a two-stroke internal combustion engine, the linear guidance of the piston rod 6 proves to be particularly advantageous because the cylinder space located in the cylinder 1 below the piston 2 can be sealed in a simple manner in order to charge a cylinder for the two-stroke flushing of the distribution chamber located above the piston 2 to build. 3 shows a special embodiment of the piston engine according to the invention, in which the piston rod 3 is integrated in the transmission member 14 or is designed as an arm thereof. The transmission member designed in this way as a single component with an integrated piston rod has two arms 16, 17 with the connecting rod joints 5, 5 '. In this embodiment, the piston rod is designed as a short arm, which is arranged in the extension of the two arms 16, 17. The arms 16, 17 are each arranged at an angle 18 to the piston axis 1 a, which is less than 90 °. The forces exerted by the piston 2 via the integrated piston rod 3 from above as a result of the downward inclination of the arms 16, 17 towards the crankshafts are essentially introduced and transmitted as pressure forces in the arms 16, 17, with disadvantageous bending forces on the Transmission member 14 avoided or at least significantly reduced.
Die mit ihren Achsen paralel zueinander liegenden Kurbelwellen 8, 8' sind über ein Zahnradetriebe mit den anderen verbunden und enthalten jeweils ein Stirnrad 13 bzw. 13', welche miteinander in Eingriff stehen und einem Synchronlauf der beiden Kurbelwellen 8, 8' den entgegengesetzten Drehrichtungen bewirken. Der Abtrieb kann an einer der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8' erfolgen. Das mit der Kolbenstange zu einem einzigen Bauteil integrierte Übertragungsglied 1 ermöglicht die Übertragung der Kolbenkräfte auf die Pleuelgelenke 5, 5', ohne daß hierzu zusätzliche, anderweitige AbStützungen erforderlich sind und somit das gesamte Kräftespiel zwischen Kolben und Kurbelwellenzapfen abläuft.The crankshafts 8, 8 'with their axes parallel to each other are connected to the others via a gear transmission and each contain a spur gear 13 or 13', which are in engagement with one another and bring about a synchronous operation of the two crankshafts 8, 8 'in the opposite directions of rotation . The output can take place on one of the two crankshafts 8 and 8 '. The transmission member 1 integrated with the piston rod into a single component enables the transmission of the piston forces to the connecting rod joints 5, 5 ', without additional, other supports being required and thus the entire play of forces between the piston and the crankshaft journal taking place.
Der Zylinder 1 bzw. dessen Zylinderbuchse enthält für das Übertragungsglied 14 eine Ausnehmung oder einen Schlitz 21 , welche mit gestrichelten Linien angedeutet ist. In der oberen Totpunktlage befindet sich das Übertragungsglied 14 weitestgehend in dieser Ausnehmung 21. Die Ausnehmung 21 ist derart angeordnet und ausgebildet, daß in der unteren Totpunktlage, also bei einer Drehung um 180° aus der dargestellten Position heraus, der Kolben 2, bzw. dessen Kolbenringe, eine sichere Abdichtung im hier nur schematisch angedeuteten Zylinder 1 aufweist. Entsprechend enthält auch das die Kurbelwellen 8, 8' aufnehmende Gehäuse 20 eine Ausnehmung 22, in welcher in der oberen Totpunktlage zumindest teilweise das Übertragungsglied mit den Pleuelgelenken 5, 5' sich befinden. Durch die geschlitzte Ausnehmung 21 und die Gehäuseausnehmung 22 für das Übertragungsglied 16 wird eine erhebliche Reduzierung der gesamten Bauhöhe der Kolbenkraftmaschine erreicht. In besonders zweckmäßiger Weise ist der Querschnitt der Arme 16, 17, ausgehend von den Pleuelgelenken 5, 5' in Richtung zur
Kolbenachse 1 a vergrößert ausgebildet, so daß mit geringem Materialeinsatz eine hohe Stabilität und Festigkeit gewährleistet wird.The cylinder 1 or its cylinder liner contains a recess or a slot 21 for the transmission member 14, which is indicated by dashed lines. In the top dead center position, the transmission member 14 is largely in this recess 21. The recess 21 is arranged and designed such that in the bottom dead center position, that is to say when rotating through 180 ° out of the position shown, the piston 2 or its Piston rings, a secure seal in the cylinder 1 only schematically indicated here. Correspondingly, the housing 20 receiving the crankshafts 8, 8 'also contains a recess 22 in which the transmission member with the connecting rod joints 5, 5' are at least partially located in the top dead center position. Due to the slotted recess 21 and the housing recess 22 for the transmission member 16, a considerable reduction in the overall height of the piston engine is achieved. In a particularly expedient manner, the cross section of the arms 16, 17 is, starting from the connecting rod joints 5, 5 'in the direction of Piston axis 1 a enlarged, so that high stability and strength is ensured with little use of materials.
Eine alternative Ausführung ist in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien 23, 24 angedeutet. Bei geschränkter Ausführung bzw. Anordnung der Pleuelstangen 6, 6' liegen in der oberen Totpunktlage die Pleuelgelenke 5 und 7 bzw. 5' und 7' auf den strichpunktierten Linien 23 bzw. 24 oder auf hierzu parallelen Linien. Durch die besonders zweckmäßige negative Schränkung wird eine Stabilisierung hinsichtlich seitlichen Schwingungen gewährleistet, wobei der Schwenkwinkel 25 bezüglich der Kolbenachse den Erfordernissen entsprechend vorgegeben wird.An alternative embodiment is indicated in FIG. 3 with dash-dotted lines 23, 24. If the connecting rods 6, 6 'are of a restricted design or arrangement, the connecting rod joints 5 and 7 or 5' and 7 'lie on the dash-dotted lines 23 or 24 or on lines parallel to them in the top dead center position. The particularly expedient negative setting ensures stabilization with regard to lateral vibrations, the pivoting angle 25 with respect to the piston axis being specified in accordance with the requirements.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand 26 der zueinander parallelen Kurbelwellen bzw. Kurbelwellenachsen 9, 9' veränderbar. Hierdurch wird in bevorzugter Weise eine Hubraumveränderung ermöglicht, um so vor allem eine Anpassung an unterschiedliche Kraftstoffe der Ausbildung als Antriebsmotor zu ermöglichen. Anstelle einer unmittelbaren Kopplung der Kurbelwellen 8, 8' mittels den erwähnten Stirnrädern ist hierbei eine Getriebanordnung vorgesehen, welche bei Veränderung des Abstandes 26 gleichwohl den gegensinnigen Synchronlauf der beiden Kurbelwellen 8, 8' sicherstellt.In a special embodiment of the invention, the distance 26 between the crankshafts or crankshaft axes 9, 9 ′ which are parallel to one another can be changed. This makes it possible to change the cubic capacity in a preferred manner, in order to make it possible above all to adapt to different fuels of the design as a drive motor. Instead of a direct coupling of the crankshafts 8, 8 'by means of the spur gears mentioned, a gear arrangement is provided which nevertheless ensures the opposite synchronous running of the two crankshafts 8, 8' when the distance 26 is changed.
Fig. 4 zeigt eine weitere besondere Ausgestaltung mit zwei nebeneinander liegenden, parallelen Kolben 2, 2', welche mit einem gemeinsamen Übertragungsglied 14 in der dargestellten Weise gekoppelt sind. Die Kolbenachsen 1 a und 1 'a verlaufen in zweckmäßiger Weise durch die Kurbelwellen 8, 8', wodurch ein besonders günstiger Kräfteverlauf erreicht wird. Durch diese parallele Anordnung der Kolben wird die Belastung des Übertragungsgliedes gering gehalten. Wie ersichtlich, ist bei dieser Doppel-Kolbenmaschine das gemeinsame Übertragungsglied 14 mit den beiden integierten Kolbenstangen im wesentlichen U-förmig ausgebildet. Auch bei dieser Ausführungsform ist im Zylinder 1 eine Ausnehmung 21 und im Gehäuse 20 eine Ausnehmung 22 vorgesehen, in welche das Übertragungsglied 14 in der oberen Totpunktlage eingreift, wodurch wiederum die Gesamtbauhöhe auf ein Mindestmaß reduziert wird.FIG. 4 shows a further special embodiment with two parallel pistons 2, 2 ′ lying next to one another, which are coupled to a common transmission element 14 in the manner shown. The piston axes 1 a and 1 ′ a expediently run through the crankshafts 8, 8 ′, as a result of which a particularly favorable course of forces is achieved. This parallel arrangement of the pistons keeps the load on the transmission element low. As can be seen, in this double-piston machine the common transmission member 14 with the two integrated piston rods is essentially U-shaped. In this embodiment too, a recess 21 is provided in the cylinder 1 and a recess 22 in the housing 20, into which the transmission member 14 engages in the top dead center position, which in turn reduces the overall height to a minimum.
Fig. 5 und 6 zeigen eine zweckmäßige Weiterbildung der Anlenkung der Kolbenstange 3' am Kolben 2' mittels einer Bolzenführung 27. Diese Bolzenführung 27 ist derart ausgebildet, daß in Richtung des Doppelpfeiles 28 sich ergebende Längenänderungen, beispielsweise infolge von Temperaturänderungen oder Toleranzen ausgeglichen wer-
den, ohne daß entsprechende Kräfte auf den Kolben 2' übertragen werden. Die Bolzenführung 27 ermöglicht seitliche Relativbewegungen in Richtung des Doppelpfeiles 28 des Übertragungsgliedes 14 bezüglich des Kolbens 2'. Zu beiden Seiten der Bolzenführung 27 ist ein hinreichendes Spiel bzw. ein Spalt 29 vorhanden, um den Ausgleich von Ausdehnungen oder Toleranzen zu ermöglichen.
5 and 6 show an expedient development of the articulation of the piston rod 3 'on the piston 2' by means of a pin guide 27. This pin guide 27 is designed in such a way that changes in length which result in the direction of the double arrow 28, for example as a result of temperature changes or tolerances the without corresponding forces are transmitted to the piston 2 '. The pin guide 27 enables lateral relative movements in the direction of the double arrow 28 of the transmission member 14 with respect to the piston 2 '. On both sides of the bolt guide 27 there is sufficient play or a gap 29 to enable expansion or tolerances to be compensated for.
Bezugszeichenreference numeral
Zylinder a KolbenachseCylinder a piston axis
Kolbenpiston
KolbenstangePiston rod
Kolbenstangenführung , 5' Pleuelgelenk , 6' Pleuelstange , 7' Kurbelwellenzapfen , 8' Kurbeiwelle , 9' Kurbelwellenachse , 13' StirnradPiston rod guide, 5 'connecting rod joint, 6' connecting rod, 7 'crankshaft journal, 8' crankshaft, 9 'crankshaft axis, 13' spur gear
Übertragungsgliedtransmission member
Gelenk , 17 ArmJoint, 17 arm
Winkelangle
Gehäusecasing
Ausnehmung / Schlitz in 1Recess / slot in 1
Gehäuseausnehmung , 24 strichpunktierte LinieHousing recess, 24 dash-dotted line
SchwenkwinkelSwivel angle
Abstand zwischen 9, 9'Distance between 9, 9 '
BolzenführungBolt guide
DoppelpfeilDouble arrow
Spalt / Spiel
Gap / play
Claims
1. Kolbenkraftmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder (1) geführten Kolben (2), der über eine vorzugsweise geradlinig bewegbare Kolbenstange (3) und je ein Pleuelgelenk (5, 5') mit zwei Pleuelstangen (6, 6') verbunden ist, die jeweils an einem Kurbelwellenzapfen (7, 7') zweier Kurbelwellen (8, 8') angreifen, wobei die beiden Kurbelwellen (8, 8') durch ein Getriebe (10, 10', 1 1 ; 13, 13') zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (6, 6') an einem Übertragungsglied (14) angelenkt sind, welches mit der Kolbenstange (3) verbunden ist und daß die Pleuelstangen (6, 6') derart kurz ausgeführt sind, daß der Weg der Pleuelgelenke (5, 5') durch eine Ebene (E) verläuft, welche eine gemeinsame Tangentialebene der Kreisbahnen der Kurbelwellenzapfen (7, 7') bildet.1. Piston engine with at least one piston (2) guided in a cylinder (1), which is connected to two connecting rods (6, 6 ') via a preferably linearly movable piston rod (3) and a connecting rod joint (5, 5'), which each engage a crankshaft journal (7, 7 ') of two crankshafts (8, 8'), the two crankshafts (8, 8 ') being synchronized by a gearbox (10, 10', 1 1; 13, 13 ') Rotation in opposite directions of rotation are coupled, characterized in that the connecting rods (6, 6 ') are articulated on a transmission member (14) which is connected to the piston rod (3) and that the connecting rods (6, 6') are of such a short design are that the path of the connecting rod joints (5, 5 ') runs through a plane (E) which forms a common tangential plane of the circular paths of the crankshaft journals (7, 7').
2. Kolbenkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied (14) an der Kolbenstange (3) angelenkt ist, insbesondere über einen Bolzen (15), oder daß das Übertragungsglied (14) und die Kolbenstange (3) starr miteinander verbunden sind und vorzugsweise als ein Bauteil ausgebildet sind.2. Piston engine, in particular according to claim 1, characterized in that the transmission member (14) on the piston rod (3) is articulated, in particular via a bolt (15), or that the transmission member (14) and the piston rod (3) rigid with each other are connected and are preferably formed as a component.
3. Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der oberen Totpunktlage die am Übertragungsglied (14) angelenkten Pleuelstangen (6, 6') im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind oder eine Schränkung, bevorzugt negative Schränkung mit einem Schwenkwinkel (25) aufweisen.3. Piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that in the top dead center position, the connecting rods (6, 6 ') articulated on the transmission member (14) are arranged substantially parallel to one another or a set, preferably negative set, with a pivot angle (25). exhibit.
4. Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (6, 6') nur um einen kleinen vorgebbaren Betrag, vorzugsweise maximal 20 %, insbesondere maximal 10 %, länger sind als der halbe Kolbenhub.4. Piston engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting rods (6, 6 ') are only longer than half the piston stroke by a small predetermined amount, preferably a maximum of 20%, in particular a maximum of 10%.
5. Kolbenkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (6, 6') derart kurz ausgeführt sind, daß der bei Bewegung des Kolbens (2) geringste Abstand der Mitten der Pleuelgelenke (5, 5') zur Ebene (K) der Kurbelwellenachsen (8, 8') geringer ist als der Radius (R) des Kreises, auf welchem die Mitten der Kurbelwellenzapfen (7, 7') bewegbar sind. 5. Piston engine, in particular according to one of claims 1 to 4, characterized in that the connecting rods (6, 6 ') are made so short that the smallest distance between the centers of the connecting rod joints (5, 5') when the piston (2) is moving. ) to the plane (K) of the crankshaft axes (8, 8 ') is less than the radius (R) of the circle on which the centers of the crankshaft pins (7, 7') can be moved.
6. Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurbelwellen (8, 8') achsparallel angeordnet sind und daß die Zylinderachse (1 a) in einer Symmetrieebene (8a) der beiden Kurbelwellen (8, 8') liegt.6. Piston engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the two crankshafts (8, 8 ') are arranged axially parallel and that the cylinder axis (1 a) in a plane of symmetry (8a) of the two crankshafts (8, 8') lies.
7. Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit negativer Schränkung betrieben wird, wobei sich der Schwenkwinkel (25) der beiden Pleuelstangen (6, 6') zumindest zu Beginn des Arbeitshubes vergrößert und / oder daß der Schwenkwinkel (25) der jeweiligen Pleuelstangen (6, 6') bei Erreichen der Mitte des Arbeitshubes mindestens 50° groß ist.7. Piston engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that it is operated with a negative setting, the pivot angle (25) of the two connecting rods (6, 6 ') increases at least at the beginning of the working stroke and / or that the pivot angle (25) of the respective connecting rods (6, 6 ') is at least 50 ° large when the middle of the working stroke is reached.
8. Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (3a) über die Ebene (K) der beiden Kurbelwellen (8, 8') hinauserstreckt ist und daß die Pleuelstangen (6, 6') im Arbeitshub auf Zug beansprucht werden.8. Piston engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the piston rod (3a) on the plane (K) of the two crankshafts (8, 8 ') extends and that the connecting rods (6, 6') in the working stroke Train can be claimed.
9. Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Kurbelwellenzapfen (7, 7') zwei Pleuelstangen (6, 6') in entgegengesetzter Richtung zweier entgegengesetzt angeordneter Zylinder (1 , 1 ') angreifen.9. Piston engine according to one of claims 1 to 8, characterized in that two connecting rods (6, 6 ') act on the crankshaft journal (7, 7') in the opposite direction of two oppositely arranged cylinders (1, 1 ').
10. Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied zwei nach unten zur Ebene der Kurbelwelienachsen (9, 9') in einem Winkel (18) < 90° geneigt angeordnet sind. 10. Piston engine according to one of claims 1 to 9, characterized in that the transmission member are arranged two down to the plane of the crank shaft axes (9, 9 ') at an angle (18) <90 °.
Applications Claiming Priority (2)
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EP96118951.1 | 1996-11-27 | ||
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Publications (1)
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WO1998023855A1 true WO1998023855A1 (en) | 1998-06-04 |
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PCT/EP1997/006547 WO1998023855A1 (en) | 1996-11-27 | 1997-11-24 | Reciprocating engine |
Country Status (1)
Country | Link |
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WO (1) | WO1998023855A1 (en) |
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-
1997
- 1997-11-24 WO PCT/EP1997/006547 patent/WO1998023855A1/en active Application Filing
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