WO1998026157A1

WO1998026157A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: WO1998026157A1
Application number: PCT/AT1997/000272
Authority: WO
Inventors: Walter Freller
Original assignee: Walter Freller
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1998-06-18
Also published as: DE59707080D1; US6227152B1; EP0953098A1; EP0953098B1; ATA215696A; ES2175481T3; RU2188330C2; AT408126B

Abstract

Es wird eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem Kurbelgehäuse (5), das zusammen mit dem Zylinder einen gemeinsamen, kreiszylindrischen Rohrkörper (1) bildet, und mit einem um die Zylinderachse drehbar gelagerten, einen durch radiale Wände (3) begrenzten Zylinderraum (4) vom Kurbelgehäuse (5) trennenden Schwingkolben (7) beschrieben, der mit einer zur Zylinderachse parallelen Kurbelwelle (16) über eine auf der Kurbelgehäuseseite des Schwingkolbens (7) vorgesehene Kulissenführung (17) für wenigstens einen Kurbelzapfen (18) der Kurbelwelle (16) antriebsverbunden ist. Um vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, daß sich der Kurbelzapfen (18) über eine Rolle (19) an der Kulissenführung (17) abstützt und daß der den Zylinder und das Kurbelgehäuse (5) bildende Rohrkörper (1) nach außen wärmeisoliert ist.

Description

Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem Kurbelgehäuse, das zusammen mit dem Zylinder einen gemeinsamen, kreiszylindrischen Rohrkörper bildet, und mit einem um die Zylinderachse drehbar gelagerten, einen durch radiale Wände begrenzten Zylinderraum vom Kurbelgehäuse trennenden Schwingkolben, der mit einer zur Zylinderachse parallelen Kurbelwelle über eine auf der Kurbelgehäuseseite des Schwingkolbens vorgesehene Kulissenführung für wenigstens einen Kurbelzapfen der Kurbelwelle antriebsverbunden ist.

Um bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem eine hin- und hergehende Drehbewegung ausführenden Schwingkolben und mit einer zur Drehachse des Schwingkolbens parallelen Kurbelwelle zwischen dem Schwingkolben und der Kurbelwelle eine Antriebsverbindung herzustellen, ist es bekannt (US-PS 4 272 229), eine auf einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle gelagerte Pleuelstange mit Abstand von der Drehachse des Schwingkolbens an diesem anzulenken. Über diese Pleuelstangenanlenkung kann es jedoch zu Zwangskräften kommen, die nicht nur bei der Lagerung des Schwingkolbens zu berücksichtigen sind, sondern unter Umständen auch die Dichtungsverhältnisse für den Schwingkolben beeinflussen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die wirksame Abdichtung des Zylinderraumes sehr empfindlich gegenüber Formänderungen zufolge thermischer bzw. mechanischer Belastungen ist, die sich auf den Dichtspalt zwischen dem im allgemeinen plattenförmigen Schwingkolben und dem Zylinder auswirken.

Darüber hinaus ist es bei solchen Verbrennungskraftmaschinen bekannt (FR-PS 447 632), auf dem Kurbelzapfen einen Gleitstein zu lagern, der in einer mit dem Schwingkolben verbundenen radialen Gleitführung gehlten wird. Das Kurbelgehäuse wird dabei in einfacher Weise durch einen kreiszylindrischen Rohrkörper gebildet, der von einem Kühlmantel umschlossen ist. Der Schwingkolben weist im wesentlichen die Form eines mit seinem Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Rohrkörpers angepaßten, hohlen Halbzylinders auf, der durch die radiale Gleitführung für den Gleitstein ausgesteift wird. Diese Konstruktion macht nicht nur eine Kurbelkastenspülung unmöglich, sondern ist wegen der Gleitsteinführung auch verschleißanfällig. Dazu kommt eine ungleichmäßige Wärmebelastung des Rohrkörpers, der zufolge der kühlungsbedingten, ungleichmäßigen Wärmeverteilung über den Umfang unterschiedlichen Wärmedehnungen unterworfen ist, so daß sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Kolbenabdichtung ergeben, was wiederum die mögliche Verdichtung des Brennstoff- Luftgemisches beschränkt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs geschilderten Art mit einfachen konstruktiven Mitteln so auszugestalten, daß einerseits vorteilhafte Kraftübertragungsbedingungen zwischen dem Schwingkolben und der Kurbelwelle und anderseits günstige Abdichtungsverhältnisse für den Zylinderraum sichergestellt werden können.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß sich der Kurbelzapfen über eine Rolle an der Kulissenführung abstützt und daß der den Zylinder und das Kurbelgehäuse bildende Rohrkörper nach außen wärmeisoliert ist.

Durch die mit der Kulissenführung zusammenwirkende Rolle auf dem Kurbelzapfen wird eine einfache, wegen der weitgehenden Unabhängigkeit von Fertigungstoleranzen zwängungsfreie, schwingungsarme Kraftübertragung zwischen dem Schwingungskolben und der Kurbelwelle erreicht, wobei durch eine geeignete Wahl der Hebelverhältnisse eine vorteilhafte Drehmomenteinleitung möglich wird. Um die beim Betrieb einer solchen Verbrennungskraftmaschine unvermeidlichen Wärmedehnungen zu berücksichtigen, wird der gesamte Rohrkörper, also sowohl der Zylinder als auch das Kurbelgehäuse, nach außen wärmeisoliert ausgeführt, so daß eine gleichmäßige Wärmedehnung des Rohrkörpers einschließlich des Schwingkolbens ermöglicht wird. Durch diese Maßnahme kann auch bei hohen Wärmebelastungen ein ausreichend enger Dichtspalt zwischen Kolben und Zylinder sichergestellt werden, um ohne Einsatz einer verschleißanfälligen Dichtung zwischen dem Schwingkolben und den Zylinderwänden für einen guten Wirkungsgrad zu sorgen. In diesem Zusammenhang ist zusätzlich zu beachten, daß die mit einer Kulissenführung zusammenwirkende Rolle des Kurbelzapfens im Vergleich zu einem Gleitstein oder einer Pleuelstange eine Wärmeableitung auf die Kurbelwelle erschwert, weil sich zwischen der Rolle und der Kulissenführung im wesentlichen nur eine Linienberührung ergibt.

Da aufgrund des hin- und herdrehenden Schwingkolbens über die Kulissenführung entgegengesetzt gerichtete Kräfte übertragen werden müssen, kann die Kulissenführung aus einem die Rolle des Kurbelzapfens aufnehmenden Langloch bestehen. Bei einem als Doppelkolben ausgebildeten Schwingkolben führen die beiden sich diametral von der gemeinsamen Drehachse erstreckenden Kolbenhälften in bezug auf eine Kurbelwelle um 180° gegeneinander versetzte Drehschwingungen aus. Dieser Umstand kann dazu ausgenützt werden, die beiden Kolbenhälften abwechselnd für die Kraftübertragung heranzuziehen. Zu diesem Zweck können zwei parallele, je einer Kolbenhälfte zugeordnete und miteinander antriebsverbundene Kurbelwellen vorgesehen werden, die mit je einer Kulissenführung auf der zugehörigen Kolbenhälfte zusammenwirken. Die in einem solchen Fall lediglich eine gerade Laufbahn für die zugehörigen Rollen auf den Kurbelzapfen darstellenden Kulissenführungen wirken jeweils während des Arbeitshubes, nicht aber während des Rückhubes der Kolbenhälften auf die zugehörigen Kurbelwellen ein, was einfache Konstruktionsverhältnisse schafft. Trotzdem ergibt sich aufgrund der Antriebsverbindung der beiden abwechselnd angetriebenen Kurbelwellen ein durchgehender Kurbelwellenantrieb. Bei einer elastischen Vorspannung dieser Antriebsverbindung zwischen den beiden Kurbelwellen, beispielsweise über einen Zahnriementrieb, kann eine spielfreie Kulissenführung für die Rollen der Kurbelwellen erzielt werden. Es können die den beiden Kulissenführungen zugeordneten Rollen aber auch einer gemeinsamen Kurbelwelle angehören.

Damit beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ein gesonderter Antrieb für die Kraftstoffeinspritzpumpe mit einer entsprechenden, hubabhängigen Steuerung entfallen kann, kann eine über einen in den Zylinderraum ragenden Stößel durch den Schwingkolben selbst antreibbare Kraftstoffeinspritzpumpe vorgesehen sein. Mit der Stößelbetätigung durch den Schwingkolben wird die Kraftstoffeinspritzpumpe in der Hubfrequenz des Schwingungskolbens beaufschlagt, wobei vorteilhaft Membranpumpen wegen der einfachen Abdichtung eingesetzt werden können. Trägt der Stößel zur Betätigung der Kraftstoffeinspritzpumpe an seinem in den Zylinderraum ragenden Ende einen mit einer sacklochartigen Ausnehmung im Schwingkolben zusammenwirkenden Kolben, so erfolgt die Stößelbetätigung zumindest bei höheren Hubfrequenzen über einen Gaspolster, der sich beim Eindringen des Kolbens in der sacklochartigen Ausnehmung bildet.

Damit die hohe Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine für eine bessere Zündung der jeweiligen Frischgasladung ausgenützt werden kann, kann der Zylinderraum im Bereich der radialen Wände ein gegebenenfalls beheizbares Wärmespeichergitter aufweisen, das einen Teil der Abgasabwärme aufnimmt und wieder an die Frischgasladung abgibt. Um bei einem Kaltstart günstige Zündungsbedingungen zu erhalten, kann das Wärmespeichergitter außerdem beheizt werden.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine in einem schematischen Querschnitt,

Fig. 2 diese Verbrennungskraftmaschine in einem Schnitt nach der Linie ll-ll der Fig. 1 mit in die Zeichenebene eingeschwenkter Kurbelwelle und

Fig. 3 eine gegenüber der Verbrennungskraftmaschine nach den Fig. 1 und 2 abgewandelte Ausführungsform einer erfingungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine teilweise in einem Querschnitt entsprechend der Fig. 1.

Die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 weist einen kreiszylindrischen Rohrkörper 1 mit Stirnwänden 2 als Gehäuse auf, das einerseits durch radiale Wände 3 begrenzte Zylinderräume 4 und anderseits ein Kurbelgehäuse 5 bildet. Dieses Kurbelgehäuse 5 ist durch eine radiale Trennwand 6 in zwei Kammern unterteilt, die gegenüber den zugehörigen Zylinderräumen 4 jeweils durch eine Hälfte eines als Doppelkolben ausgebildeten Schwingkolbens 7 abgegrenzt sind. Die Kammern des Kurbelgehäuses 5 sind mit den zugehörigen Zylinderräumen 4 durch Überströmkanäle 8 in herkömmlicher Weise verbunden, so daß beispielsweise durch ein übliches, nicht dargestelltes Ansaugventil in die jeweilige Kammer des Kurbelgehäuses 5 angesaugte Frischluft entsprechend dem Strömungspfeil 9 in den Zylinderraum 4 gelangen kann, um bei der anschließenden Drehbewegung des Schwingkolbens 7 um seine zur Achse des Rohrkörpers 1 koaxiale Drehachse 10 verdichtet zu werden. Im Bereich der Umkehrlage des Verdichtungshubes wirkt der Schwingkolben 7 auf einen Stößel 11 einer Kraftstoffeinspritzpumpe 12 ein, die als federbelastete Membranpumpe ausgebildet ist und den vorher aus der mit einem Rückschlagregelventil versehenen Kraftstoffzuleitung 13 angesaugten Kraftstoff über eine Einspritzdüse 14 in den Zylinderraum 4 einspritzt. Die Zündung des eingesprit- zen Kraftstoffes bedingt durch eine entsprechende Kolbenbeaufschlagung einen Arbeitshub, wobei der Schwingkolben 7 vor der Umkehrlage des Arbeitshubes einen Auslaßkanal 15 freigibt, über den die Abgase aus dem Zylinderraum 4 strömen, der dann über den Überströmkanal 8 wieder mit Frischluft versorgt wird. Da der Schwingkolben 7 als Doppelkolben ausgebildet ist, führt die eine Kolbenhälfte während des Verdichtungshubes der anderen Kolbenhälfte einen Arbeitshub und anschließend während des Arbeitshubes der anderen Kolbenhälfte einen Verdichtungshub aus.

Um die hin- und hergehende Drehbewegung des Schwingkolbens 7 auf eine Kurbelwelle 16 übertragen zu können, die wie der Schwingkolben 7 in den Stirnwänden 2 des Gehäuses gelagert ist, weist der Schwingkolben 7 auf der Kurbelgehäuseseite eine Kullissenführung 17 in Form eines Langloches auf, das im wesentlichen radial zur Drehachse 10 des Schwingkolbens 7 ausgerichtet ist. Dieses Langloch der Kullissenführung 17 nimmt eine auf einem Kurbelzapfen 18 der Kurbelwelle 16 gelagerte Rolle 19 auf. Die hin- und hergehende Drehbewegung des Schwingkolbens 7 wird folglich über die Kullissenführung 17 in eine gleichsinnige Drehbewegung der Kurbelwelle 16 umgewandelt, wobei sich eine wegen des Abrollens der Rolle 19 entlang der Kullissenführung 17 zwängungsfreie und schwingungsarme Antriebsverbindung ergibt, die sich einerseits vorteilhaft auf die Belastungsverhältnisse auswirkt und anderseits eine Voraussetzung für einen engen Dichtungsspalt zwischen dem Schwingkolben 7 und insbesondere dem Rohrkörper 1 darstellt. Eine weitere Voraussetzung für einen solchen engen, in der Zeichnung nicht dargestellten Dichtungsspalt, der gesonderte Dichtungen überflüssig macht, ist in einer gleichmäßigen Wärmebelastung des gesamten Gehäuses zu sehen. Diese Voraussetzung kann nur dadurch erfüllt werden, daß der Rohrkörper 1 mit den Stirnwänden 2 nach außen eine Wärmeisolierung 20 aufweist, so daß sich über das gesamte Gehäuse gleiche Wärmedehnungsverhältnisse einstellen.

Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, ist der in den Zylinderraum 4 ragende Stößel 11 zur Betätigung der Kraftstoffeinspritzpumpe 12 mit einem Kolben 21 versehen, der mit einer sacklochartigen Ausnehmung 22 im Schwingkolben 7 zusammenwirkt, so daß der Stößel 11 zumindest bei höheren Hubfrequenzen über einen Gaspolster beaufschlagt wird, der sich beim Eingreifen des Kolbens 21 in die Ausnehmung 22 bildet.

Um die Zündung des in den Zylinderraum 4 eingespritzten Kraftstoffes zu unterstützen, kann im Bereich der radialen Zylinderwände 3 ein Wärmespeichergitter 23 vorgesehen sein, das über die heißen Abgase erwärmt wird und einen Teil der Wärme wieder an die Frischluft abgibt, die aufgrund der gesamten Wärmeisolierung über das nicht gekühlte Kurbelgehäuse vorgewärmt wird.

Die Ausführungsform nach der Fig. 3 unterscheidet sich von der nach den Fig. 1 und 2 lediglich durch die Art der Antriebsverbindung zwischen dem Schwingkolben 7 und der Kurbelwelle 16. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind bei der Verbrennungskraftmaschine entsprechend der Fig. 3 zwei parallele Kurbelwellen 16 für je eine Hälfte des als Doppelkolben ausgebildeten Schwingkolbens vorgesehen, wobei die beiden Kurbelwellen 16 jeweils über eine Rolle 19 auf dem Kurbelzapfen 18 mit einer den Kolbenhälften zugehörigen Kullissenführung 17 zusammenwirken. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die lediglich als gerade Laufbahn für die Rollen 19 ausgebildeten Kullissenführungen 17 nur während des Arbeitshubes Druckkräfte auf den Kurbelzapfen 18 ausüben können, so daß die beiden Kurbelwellen 16 miteinander antriebsverbunden werden müssen, um einen durchgehenden Kurbelwellenantrieb sicherzustellen. Bei einer elastischen Vorspannung dieser Antriebsverbindung, beispielsweise über einen Zahnriementrieb, können Führungs- und Umkehrspiele ausgeglichen werden. Wie der Fig. 3 unmittelbar entnommen werden kann, ergeben sich durch zwei abwechselnd über den Schwingkolben 7 beaufschlagte, miteinander antriebsverbundene Kurbelwellen 16 besonders einfache Konstruktionsverhältnisse.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So könnte beispielsweise die Krafteinspritzpumpe mit einem äußeren Antrieb verbunden werden, wobei sich die vorteilhafte Möglichkeit eröffnet, die Krafteinspritzpumpe am vom Schwingkolben überstrichenen Umfang des Rohrkörpers vorzusehen, um durch ein Abdecken der Kraftstoffeinspritzpumpe durch den Schwingkolben 7 nach der Kraftstoffeinspritzung eine thermische Überbelastung der Kraftstoffeinspritzpumpe zu vermeiden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :

1. Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem Kurbelgehäuse, das zusammen mit dem Zylinder einen gemeinsamen, kreiszylindrischen Rohrkörper bildet, und mit einem um die Zylinderachse drehbar gelagerten, einen durch radiale Wände begrenzten Zylinderraum vom Kurbelgehäuse trennenden Schwingkolben, der mit einer zur Zylinderachse parallelen Kurbelwelle über eine auf der Kurbelgehäuseseite des Schwingkolbens vorgesehene Kulissenführung für wenigstens einen Kurbelzapfen der Kurbelwelle antriebsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kurbelzapfen (18) über eine Rolle (19) an der Kulissenführung (17) abstützt und daß der den Zylinder und das Kurbelgehäuse (5) bildende Rohrkörper (1) nach außen wärmeisoliert ist.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kulissenführung (17) aus einem die Rolle (19) des Kurbelzapfens (18) aufnehmenden Langloch besteht.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Doppelkolben ausgebildeten Schwingkolben (7) zwei parallele, je einer Kolbenhälfte zugeordnete und miteinander antriebsverbundene Kurbelwellen (16) vorgesehen sind, die mit je einer Kulissenführung (17) auf der zugehörigen Kolbenhälfte zusammenwirken.

4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine über einen in den Zylinderraum (4) ragenden Stößel (11) durch den Schwingkolben (7) antreibbare Kraftstoffeinspritzpumpe (12) vorgesehen ist.

5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (11 ) zur Betätigung der Kraftstoffeinspritzpumpe (12) an seinem in den Zylinderraum (4) ragenden Ende einen mit einer sacklochartigen Ausnehmung (22) im Schwingkolben (7) zusammenwirkenden Kolben (21 ) trägt.

6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderraum (4) im Bereich der radialen Wände (3) ein gegebenenfalls beheizbares Wärmespeichergitter (23) aufweist.