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Die Erfindung betrifft einen Kurbelschlaufen-Motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 101 07 921 A1 ist ein Kurbelschlaufen-Motor bekannt, welcher mehrere in entsprechenden Zylinderbuchsen beweglich gelagerte Kolben zum Antrieb einer Kurbelwelle und eine mit den Kolben fest verbundene Pleuelstange aufweist. In der Pleuelstange ist eine Kulissenführung vorgesehen, in welcher entsprechend der als Scotch-Yoke-Prinzip bekannten Ausgestaltung ein Kulissenstein translatorisch gelagert und der Kulissenstein wiederum auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle rotatorisch gelagert ist. Vorteile eines derartigen Kurbelschlaufen-Motors sind unter anderem, dass dort aufgrund der festen Verbindung der Kolben mit der Pleuelstange die Kolben gegenüber der Zylinderbuchse nicht verkippen können, wodurch die Kolben kürzer und damit leichter ausfallen können. Ein bekanntes Problem von Hubkolbenmotoren nach dem Tauchkolbenprinzip sind die Reibungsverluste durch die Führung der Kolben in den Zylinderbuchsen.
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Aus
US 2011/0 146 601 A1 ,
US 5 078 017 A und
US 2007/0 079 698 A1 sind weitere Vorrichtungen nach dem Scotch-Yoke-Prinzip bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kurbelschlaufen-Motor zu schaffen, welcher eine geringe Beanspruchung der Kurbelwelle und einen weitestgehend verschleißfreien Betrieb ermöglicht. Zudem soll die vom Kurbeltrieb des Hubkolbensystems benötigte Reibleistung reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kurbelschlaufen-Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Kurbelschlaufen-Motor zeichnet sich dadurch aus, dass die Pleuelstange um einen zur Kurbelwelle parallelen Zentrallagerdorn drehbar gelagert ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Hub am Hubzapfen der Kurbelwelle kleiner ist, als der Hub an dem mindestens einen Zylinder, wodurch die Kurbelwelle stabiler ausgebildet werden kann. Zudem wird durch die zusätzliche Lagerung der Pleuelstange über den Zentrallagerdorn eine zusätzliche Entlastung der Kurbelwelle erreicht. Für mehrzylindrige Hubkolbensysteme wird nicht nur die Anzahl der Reibstellen, sondern auch der verwendeten Bauteile verringert, und somit reduziert sich des Weiteren auch der Gesamtbauaufwand des Motors oder Kompressor. Bevorzugt kann die Pleuelstange eine Kolbenstange umfassen, an deren ersten Ende ein erster Kolben und an deren gegenüberliegenden Ende ein zweiter Kolben befestigt ist, wobei die Kolben in korrespondierenden Zylinderbuchsen gelagert sind. Hierdurch kann die Kraft aus dem Verbrennungsprozess in einer Zylinderbuchse vorteilhaft über die Pleuelstange direkt beispielsweise für einen Verdichtungs- oder Ausstossprozess in der Zylinderbuchse des zweiten Kolbens verwendet werden, wobei die Kraft nicht über die Kurbelwelle und entsprechende Gleit-/Rollenlager übertragen werden muss und dadurch die Kurbelwelle und die Lager entlastet werden. Durch zwei Kolben auf einer gemeinsamen Pleuelstange kann hierdurch bereits der Kurbelschlaufen-Motor nach dem 2-Takt-Prinzip mit den Takten Ansaugen/Komprimieren und Verbrennen/Ausstoßen vorteilhaft betrieben werden, da jeweils ein Zylinder mit Leistungsüberschuss (Verbrennungstakt) einen Zylinder mit Leistungsbedarf (Kompressionstakt) direkt bedienen kann.
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Besonders vorteilhaft kann die Pleuelstange auch zwei Kolbenstangen umfassen, welche parallel zueinander angeordnet sind und an ihren jeweiligen Enden jeweils ein Kolben befestigt ist. In der Draufsicht kann die Pleuelstange mit den zwei Kolbenstangen dabei H-förmig ausgebildet sein, wobei die Übertragung der Nutzarbeit bevorzugt über die Kulissenführung auf die Kurbelwelle im mittleren Steg der H-förmigen Ausbildung erfolgt. Diese Ausgestaltung des Kurbelschlaufen-Motors mit insgesamt vier Kolben an einer Pleuelstange eignet sich besonders bei einem Betrieb nach dem 4-Takt-Prinzip mit den Takten Ansaugen, Komprimieren, Verbrennen und Ausstoßen, da immer ein Zylinder mit Leistungsüberschuss (Verbrennungstakt) einen Zylinder mit Leistungsbedarf (Ansaugtakt) direkt bedienen kann.
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Um die Packungsdichte und damit die Energiedichte des Kurbelschlaufen-Motors zusätzlich zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass die Pleuelstange zu jeder Kolbenstange jeweils eine in Bezug auf den Zentrallagerdorn gegenüberliegende weitere Kolbenstange aufweist. Durch die weitere Kolbenstange mit den daran angeordneten zwei weiteren Kolben kann die Kraft auf die Pleuelstange zusätzlich erhöht und damit die Leistung(-sdichte) des Kurbelschlaufen-Motors gesteigert werden.
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Eine weitere Steigerung der Leistung des Kurbelschlaufen-Motors kann besonders einfach dadurch erreicht werden, dass der Kurbelschlaufen-Motor mehrere, hintereinander angeordnete Pleuelstangen aufweist, welche jeweils um den Zentrallagerdorn drehbar gelagert und verschiedenen Hubzapfen der Kurbelwelle zugeordnet sind. Durch jede Pleuelstange mit den zugeordneten Kolben wird zusätzlich Leistung auf die Kurbelwelle bereitgestellt. Zudem kann durch einen entsprechenden Winkelversatz der Hubzapfen der Kurbelwelle zudem ein Ausgleich der oszillierenden Massen erreicht werden, wodurch die Laufruhe des Kurbelschlaufen-Motors verbessert und eine geringe Schwingungsneigung des Kurbelschlaufen-Motors eingestellt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann jede Kolbenstange gegenüber einem Abtriebsabschnitt des Pleuels, in welchem die Kulissenführung angeordnet ist, insbesondere in Radialrichtung des Zentrallagerdorns verschiebbar gelagert sein. Hierdurch wird eine Entkoppelung der Systeme ermöglicht, wodurch fertigungsbedingte oder durch thermische Verformungen bedingte Toleranzen zwischen der Lagerung der Kolben in den Zylinderbuchsen und der Lagerung der Pleuelstange an dem Zentrallagerdorn ausgeglichen werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Abstand der Kurbelwelle zum Zentrallagerdorn veränderlich, was beispielsweise durch eine verschiebbare Lagerung des Zentrallagerdorns gegenüber der Kurbelwelle realisierbar ist. Bei konstruktiv vorgegebenem Hub an dem Hubzapfen der Kurbelwelle kann durch den Abstand zum Zentrallagerdorn der Hub an den Kolben eingestellt werden, wodurch das Verdichtungsverhältnis in den Zylinderbuchsen veränderbar ist. Ein einstellbares Verdichtungsverhältnis dient der Laststeuerung des Kurbelschlaufen-Motors und ermöglicht eine Optimierung des Wirkungsgrads und der Schadstoffemissionen.
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Besonders bevorzugt können dabei die Zylinderbuchsen kreisabschnittsförmig gekrümmt oder geradlinig verlaufend ausgebildet sein. Gekrümmt verlaufende Zylinderbuchsen in Form eines Torusmotors weisen einen konstanten Krümmungsradius auf, wobei der Zentrallagerdorn im Mittelpunkt des Krümmungsradius angeordnet ist. Dies gewährleistet eine präzise Führung der Kolben in den Zylinderbuchsen mit besonders geringen Reibungswiderständen. Zudem wird hierdurch eine besonders hohe Packungsdichte und folglich Energiedichte des Kurbelschlaufen-Motors erreicht. Es ist jedoch auch möglich, durch Einbringung eines Drehgelenks zwischen Pleuel und Kolbenstange die Zylinderbuchsen geradlinig verlaufend auszubilden, was besonders einfach und damit kostengünstig zu fertigen ist.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Teilschnitts durch eine erste Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors mit einer Pleuelstange, an welcher vier Kolben befestigt sind;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors mit zwei Pleuelstangen, an welchen jeweils vier Kolben befestigt sind;
- 3 eine weitere perspektivische Darstellung der zweiten alternativen Ausführungsform des Kurbelschlaufen-Motors von 2 mit abgebildeten Zylinderbuchsen und Zylinderköpfen im Teilschnitt;
- 4 einen Querschnitt durch eine dritte alternative Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors;
- 5 eine perspektivische Darstellung des Kurbelschlaufen-Motors von 4;
- 6 einen Querschnitt durch eine vierte alternative Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors;
- 7 eine perspektivische Darstellung des Kurbelschlaufen-Motors von 6;
- 8 eine Explosionsdarstellung einer Pleuelstange und einer Kolbenstange des Kurbelschlaufen-Motors von 6 und
- 9 eine perspektivische Darstellung einer fünften alternativen Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teilschnitts durch eine erste Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors 1 mit einer gekrümmten Pleuelstange 2, an welcher vier Kolben 3a, 3b, 3c, 3d befestigt sind. Die Kolben 3a, 3b, 3c, 3d sind in entsprechenden Zylinderbuchsen gelagert, von denen lediglich die Zylinderbuchsen 4a und 4b im Teilschnitt dargestellt sind.
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Der abgebildete Kurbeltrieb des Kurbelschlaufen-Motors 1 bildet allgemein einen Kurbeltrieb für Hubkolbensysteme, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren oder Gas-Kompressoren verwendet werden. Hubkolben-Verbrennungsmotoren sind dadurch gekennzeichnet, dass sie mechanische Energie aus den Gaskräften, die aus dem Ansaugen und Verdichten, der Verbrennung, sowie dem Ausstoßen von Gasen in bzw. aus einem zeitweise geschlossenen Brennraum herrühren, auf eine rotierende Kurbelwelle übertragen und damit nutzbar machen. Bei Kompressoren wird dieses System insofern umkehrt, dass mechanische Antriebsleistung über die Kurbelwelle zugeführt wird und dann mittels Ansaugen und Verdichten Gas komprimiert wird. Die jeweiligen Bauteile in beiden Systemen, wie Kolben, Pleuel, Zylinderbuchse und Kurbelwelle weisen entsprechende Funktionsflächen mit gegenseitigen gleitenden Relativbewegungen auf, über welche die Gasdruckkräfte zu übertragen sind. Der Kurbeltrieb hat dabei die Aufgabe, Gaskräfte, die auf den oszillierenden Kolben wirken, in eine rotierende Bewegung umzusetzen. Massenkräfte, die aus der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens herrühren, müssen ebenfalls über die Funktionsflächen abgestützt werden.
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Der Kurbelschlaufen-Motor 1, welcher auch als Kulissen-Drehpleuel-Kurbelschlaufen-Motor bezeichnet werden kann, weist einen Kurbeltrieb für Hubkolbensysteme auf, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren, Gas-Kompressoren oder Expansionsmaschinen, wie beispielsweise Dampfmotoren, verwendet werden können. Hauptmerkmal des Kulissenstein-Kurbeltriebs ist, die vom Kurbeltrieb des Hubkolbensystems benötigte Reibleistung durch Verringerung der Anzahl an Reibstellen zu reduzieren. Der Kulissen-Kurbeltrieb des Kurbelschlaufen-Motors 1 in 1 umfasst einen Zentrallagerdorn 5, einer Kurbelwelle 6 mit einem Hubzapfen 7 und einen in einer Kulissenführung 8 innerhalb der Pleuelstange 2 linear verschiebbar gelagerten Kulissenstein 9, in welchem der Hubzapfen 7 drehbar gelagert ist. Die Kolben 3a, 3b, 3c, 3d sind starr mit der Pleuelstange 2 verbunden und können sich in den dargestellten Zylinderlaufbuchsen 4a, 4b oszillierend bewegen.
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Durch den Kulissenstein-Kurbeltrieb wird bei dem Kurbelschlaufen-Motor 1 der mechanische Wirkungsgrad bei der Verwendung als Verbrennungsmotors oder Kompressors im Vergleich zum Standard-Kurbeltrieb erhöht, indem Reibungsverluste innerhalb des Kurbeltriebs reduziert werden, da die Gaskräfte nur zu einem geringen Teil über die verhältnismäßig reibungsintensiven Lagerstellen geleitet werden müssen. Gleichzeitig verringert sich auch die Anzahl solcher Lagerstellen, wenn der Kulissenstein-Kurbeltrieb bei Verbrennungsmotoren oder Kompressoren gleicher Zylinderzahl mit Standard-Kurbeltrieben verglichen wird.
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Der Kulissenstein-Kurbeltrieb reduziert dabei auch den Bauaufwand für Zweitakt-Gegenkolben-Motoren im Vergleich zu den üblichen Kurbeltrieben, da nur eine Kurbelwelle nötig ist und die Kopplung von zwei Kurbelwellen durch einen aufwendigen und schweren Zahnrädertrieb obsolet ist. Der Kulissenstein-Kurbeltrieb ermöglicht damit eine weitere Verbreitung dieser Motorentechnik, insbesondere bei Anwendung des Dieselprozesses und bietet Verbesserungspotentiale gegenüber den verbreiteten Verbrennungsmotoren in Hinblick auf das spezifische Leistungsgewicht, der Kompaktheit, dem Bauaufwand und der Wirtschaftlichkeit.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kurbeltrieben wird die seitliche Führung des Kolbens in der jeweiligen Zylinderbuchse vom sogenannten Kolbenhemd übernommen, welches an der Zylinderbuchse mit den entsprechenden Reibungsverlusten abgleitet. Der gezeigte Kurbelschlaufen-Motor 1 bietet durch den Kulissenstein-Kurbeltrieb mit der Kulissenführung 8, den Kulissenstein 9 und die starre Verbindung zwischen der Pleuelstange und den Kolben 3a, 3b, 3c, 3d sowie insbesondere durch den zusätzlichen Zentrallagerdorn 5 eine im Verhältnis zum Standard-Kurbeltrieb leicht zu realisierende Möglichkeit, die seitliche Führung der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d über den Zentrallagerdorn 5, bevorzugt wälzgelagert auszubilden. Eine derart gestaltete Aufnahme der Kolbenseitenführungskräfte führt im Verhältnis zu einer Gleitlagerung, wie sie durch die Kolbenhemdführung in der Zylinderbuchse beim üblichen Hubkolbenmotoren ausgebildet ist, zu einer Verringerung der Reibungsverluste und somit zur Erhöhung des mechanischen Wirkungsgrades des Kurbelschlaufen-Motors 1. Zudem können die Kolben 3a, 3b, 3c, 3d wie dargestellt auch sehr kurz gehalten werden, da sie kein Hemd zur Führung benötigen, wodurch die oszillierende Masse reduziert wird.
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Die Kolben 3a, 3b, 3c, 3d sitzen starr auf der Pleuelstange 2. Sie können als eigene Bauteile auf der Pleuelstange 2, z.B. durch Schrauben, befestigt werden, oder, zumindest die Kolbenkrone, in die Pleuelstange 2 integriert sein. In letzterem Fall besteht die Möglichkeit die Kolben 3a, 3b, 3c, 3d und Pleuel 2 als ein Bauteil auszuführen. Zentriert bzw. geführt wird die Pleuelstange 2 zum einen über den Zentrallagerdorn 5 als Bewegungszentrum, sowie die zu dem Zentrallagerdorn 5 parallele, in die Pleuelstange 2 eingreifende Kurbelwelle 6, die über den Kulissenstein 9 als gleitendes Verbindungselement die Bewegung der Pleuelstange 2 kinematisch definiert und somit auch deren Ausschlag/Amplitude begrenzt.
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Der gezeigte Kurbelschleifen-Motor 1 mit der Pleuelstange 2, an welcher vier Kolben 3a, 3b, 3c, 3d befestigt sind, eignet sich besonders gut zum Anwendung nach dem Viertakt-Prinzip. Dabei finden in einer Zylinderbuchse der Reihe nach die sich zyklisch wiederholenden Arbeitstakte statt, nämlich Ansaugen, Verdichten, Verbrennen, Ausstoßen, wobei die zeitliche Abfolge der Arbeitstakte in den einzelnen Zylinderbuchsen so zueinander versetzt sein kann, dass zu einem Zeitpunkt in jeder Zylinderbuchse ein unterschiedlicher Arbeitstakt stattfindet. Dies hat zur Folge, dass die gesamten während des Viertakt-Betriebs auftretenden Kräfte bis auf die effektiven Nutzarbeit innerhalb der Pleuelstange 2 zwischen den Kolben 3a, 3b, 3c, 3d fließen, ohne über Lagerstellen geleitet werden zu müssen. Bei Erreichen eines maximalen Ausschlages eines Kolbens, was mit dem Erreichen eines Totpunktes beim üblichen Kurbeltrieb verglichen werden kann, ist beispielsweise immer ein Kolben am Ende des Verdichtungstaktes angekommen. Entsprechend konnte während der vorangegangenen Hubbewegung die kinetische Energie, resultierend aus der Expansionskraft bei der Verbrennung in einer weiteren Zylinderbuchse genutzt werden, ohne dass diese über Lagerstellen und die Kurbelwelle 6 geleitet werden muss. Dies gilt in gleicher Weise für die Energien, die für die Gaswechseltakte Ansaugen und Ausstoßen aufgewendet werden müssen. Energieverbrauchende Arbeitstakte, wie Ansaugen, Verdichten, Ausstoßen reduzieren die vom energieerzeugenden Arbeitstakt Verbrennen über den Kulissenstein 9 in die Kurbelwelle 6 eingeleitete Energie, was sich positiv auf Bauteilabmessungen und Reibungsverluste auswirkt. Gleichzeitig entspricht diese über den Kulissenstein 9 eingeleitete Energie, bis auf die vergleichsweise geringen Reibungsverlusten in den Hauptlagern, der effektiven Nutzarbeit des Kurbeltriebs.
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Über die Lagerung der Pleuelstange 2 auf dem Zentrallagerdorn 5 ist zudem eine einfache Zuführung von Öl, oder einem anderen Medium, über in die Pleuelstange 2 eingebrachte Bohrungen zu den Kolben 3a, 3b, 3c, 3d möglich, wodurch die Kolbenringe in den betreffenden Ringnuten in den Kolben 3a, 3b, 3c, 3d geschmiert und/oder definiert und gezielt gekühlt werden können.
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Ein besonderer Vorteil der Lagerung der Pleuelstange 2 über den Zentrallagerdorn 5 ist, dass der Hub der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d nicht systemimmanent dem zweifachen Rotationsradius des Hubzapfens 7 entspricht, wie dies beim Standard-Kurbeltrieb der Fall ist. Ist der Abstand zwischen dem Zentrallagerdorn 5 und der Drehachse der Kurbelwelle 6 kleiner als der geringste Abstand des Zentrallagerdorns 5 von der Bewegungsbahn der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d, dann ist der Kolbenhub größer als der doppelte Rotationsradius des Hubzapfens 7, umgekehrt verkleinert sich der Kolbenhub wenn dieser Abstand größer als der geringste Abstand des Zentrallagerdorns 5 von der Bewegungsbahn der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d ist. Wie nachfolgend noch gezeigt wird, kann die entsprechende Bewegungsbahn der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d entweder auf einer Kreisbahn oder einer Geraden liegen. Bei einer Kreisbahn entspricht der geringste Abstand des Zentrallagerdorns 5 von der Bewegungsbahn der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d dem Radius, auf dem die Kolben oszillieren und damit dem Abstand der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d von dem Zentrallagerdorn 5.
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Es ist als ein Vorteil des gezeigten Kurbelschlaufen-Motors anzusehen, dass systemimmanent in vertikaler Richtung nur eine im Verhältnis zur horizontalen Kraftkomponente geringe, Kraft von den Kolben 3a, 3b, 3c, 3d über die Kulissenführung 8 und den Kulissenstein 9 in den Hubzapfen 7 und damit die Kurbelwelle 6 eingeleitet wird. Daraus ergibt sich, dass der Kurbelschlaufen-Motor 1 besonders gewichts- und kostenoptimiert ausgeführt werden kann.
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Bei dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des Kurbelschlaufen-Motors 1 umfasst die Pleuelstange 2 zwei parallele Kolbenstangen 10a, 10b, an welchen jeweils an einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende einer der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d fest angeordnet ist. Die Kolbenstangen 10a, 10b sind in der Draufsicht H-förmig ausgebildet, wobei die vertikalen Schenkel der H-Form durch die Kolbenstangen 10a, 10b und der verbindende Quersteg durch einen Abtriebsabschnitt der Pleuelstange 2, in welchem die Kulissenführung 8 angeordnet ist, gebildet wird.
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Der anhand der nachfolgenden Ausführungsformen noch gezeigt wird, ermöglicht der Aufbau des Kurbeltriebs des Kurbelschlaufen-Motors 1 die Anordnung von Kolben in mehreren Ebenen. So ist es beispielsweise für einen Viertakt-Verbrennungsmotor eine sinnvolle Möglichkeit, vier Kolben in zwei Ebenen und entweder parallel oder seriell anzuordnen.
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Bei den gezeigten Ausführungsformen sind die Zylinderbuchsen 4a, 4b kreisabschnittsförmig gekrümmt, also in Form eines Torus-Motors mit „gebogener“ bzw. kreisabschnittsförmiger Kolbenstange ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise. Entsprechend sind auch die Kolbenstangen 10a, 10b kreisförmig gekrümmt. Dieser Aufbau führt zu einer hin- und hergehenden Hubbewegung der Kolben 3a, 3b, 3c, 3d, deren Spur einem Kreissegment entspricht. Es ist jedoch auch möglich, die Zylinderbuchsen geradlinig verlaufende auszubilden, was besonders einfach zu fertigen ist, wobei dann jedoch zusätzlich ein Zwischengelenk und ein weiterer Kulissenstein vorzusehen sind.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten alternativen Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors 1' mit zwei Pleuelstangen 2a, 2b, an welchen jeweils vier Kolben 3a, 3b, 3c, 3d, 3a', 3b', 3c', 3d' befestigt sind. Jeder Pleuelstange 2a, 2b ist ein Kulissenstein 9a, 9b zugeordnet, in welchem wiederum ein entsprechender, hier nicht dargestellter Hubzapfen der Kurbelwelle 6' gelagert ist.
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Die zweite alternative Ausführungsform des Kurbelschlaufen-Motors 1' weist damit zwei entsprechende Kurbeltriebe mit jeweils vier Kolben auf, welche seriell angeordnet sind. Im übrigen entspricht die zweite Ausführungsform des Kurbelschlaufen-Motors 1' der ersten Ausführungsform von 1, so dass hierauf verwiesen wird. Durch die gegenüber der ersten Ausführungsform zusätzliche Pleuelstange wird die Leistung des Kurbelschlaufen-Motors 1' bei dennoch sehr kompakter Bauweise verdoppelt.
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3 zeigt eine weitere perspektivische Darstellung der zweiten alternativen Ausführungsform des Kurbelschlaufen-Motors 1' von 2 mit abgebildeten Zylinderköpfen 11a, 11b im Teilschnitt. Wie zu erkennen ist, können aufgrund der seriellen Anordnung der Pleuelstangen 2a, 2b die Zylinderköpfe 11a, 11b zur Gaswechselsteuerung bei Viertakt-Betrieb jeweils links- und rechtsseitig in einer Linie angebracht werden.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte alternative Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors 1". Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen weist die Pleuelstange 2b' hierbei zu beiden Seiten des Zentrallagerdorns 5' entsprechende, einander gegenüberliegende und bevorzugt punktsymmetrisch zur Drehachse des Zentrallagerdorns 5' ausgebildete Kolbenstangen 10c, 10d mit entsprechenden Kolben auf. Die Kolben auf den gegenüberliegenden Seiten des Zentrallagerdorns 5' sind damit parallel zueinander angeordnet. Weitere in Serie angeordnete Kolbenstangen mit entsprechenden Kolben sind dort an den Kolbenstangen 10c, 10d nicht vorgesehen, eine derartige Ausgestaltung ist jedoch auch möglich. Im Übrigen sind die weiteren Merkmale identisch zu den in den vorhergegangenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen.
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In einer nicht gezeigten vorteilhaften Weiterbildung ist es grundsätzlich möglich, dass sich in einer gemeinsamen torussegmentartigen Zylinderbuchse die Kolben zweier verschiedener seriell hintereinander angeordneter Pleuelstangen gegenüberliegen. Durch eine geeignete Wahl des Winkels zwischen den korrespondierenden zwei unmittelbar aufeinander folgenden Kröpfungen der Kurbelwelle (Hupfzapfen), kann die Bewegung der gegenüberliegenden Kolben sowohl in der linksseitigen als auch in der rechtsseitigen Zylinderbuchse so eingestellt werden, dass das kleinste Zylindervolumen, auch Kompressionsvolumen genannt, in der horizontalen Schnittebene und symmetrisch zu dieser auftritt. Hierdurch kann ein GegenkolbenMotor realisiert werden, welcher sich besonders für den Zweitakt-Betrieb eignet. Es ist jedoch hierdurch auch möglich, einen vorteilhaften Gegenkolbenkompressor/- expander zu bilden. Am Beginn und am Ende derartigen Kurbelschleifen-Motors kann jeweils eine Pleuelstange vorgesehen sein, an welcher sich lediglich zwei Kolben befinden.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Kurbelschlaufen-Motors von 4. Wie dort zu entnehmen ist, können auch bei dieser dritten Ausführungsform des Kurbelschlaufen- Motors 1" aufgrund der seriellen Anordnung der Pleuelstangen 2a, 2b und der parallelen Anordnung der gegenüberliegenden Kolben die Zylinderköpfe 11a, 11b, 11c, 11d zur Gaswechselsteuerung bei Viertakt-Betrieb jeweils links- und rechtsseitig, oben und unten in einer Linie angebracht werden. Der Abtrieb erfolgt auch hierbei über die Kurbelwelle 6', wobei die Nutzarbeit gegenüber der ersten alternativen Ausführungsform des Kurbelschlaufen-Motors 1' von 4 verdoppelt ist.
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6 zeigt einen Querschnitt durch eine vierte alternative Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors 1'". Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist die Pleuelstange 2b" nun aber so ausgeführt, dass die Kolbenstange 10b'' und der Abtriebsabschnitt 12 der Pleuelstange 2b", in welcher die Kulissenführung 8 angeordnet ist, zwei getrennte Bauteile darstellen, welche verschiebbar zueinander gelagert sind. Hierdurch ist es möglich, die (ursprünglich fixe) Lage des Zentrallagerdorns 5', um den sich die Pleuelstange 2b" dreht, in Bezug auf die Kurbelwelle 6' zu verändern, wodurch direkt der Hub, der Hubraum und das Verdichtungsverhältnis des Motors beeinflussbar sind. Erfolgt die Verschiebung in relativ geringem Maß, so bleibt als signifikanter Einfluss auf den Motorbetrieb die Änderung des Verdichtungsverhältnisses übrig. Notwendig ist dazu nur, dass die Aussparrung für den Kulissenstein 9 in der Pleuelstange 2b" um das Maß der Verschiebung des Zentrallagerdorns 5' größer ist, als im Vergleich zur starren Ausgestaltung der vorgenannten Ausführungsbeispiele.
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Hierdurch wird eine im Vergleich zum Standard-Kurbeltrieb leicht zu realisierende Möglichkeit geschaffen, das Verdichtungsverhältnis durch eine vertikale Verschiebung der Lage der Kurbelwelle 6' während des Betriebes des Verbrennungsmotors oder Kompressors zu verändern, indem die Hauptlager des Zentrallagerdorns 5' in diese Richtung verschoben werden. Der Bauaufwand für ein während des Betriebes des Verbrennungsmotors oder Kompressors veränderbares Verdichtungsverhältnis wird auch dadurch vereinfacht, dass der beschriebene Kurbelschlaufen-Motor mit dem Kulissenstein-Kurbeltrieb im Vergleich zum Standard-Kurbeltrieb eine geringere Anzahl an Hauptlagern für eine bestimmte Zylinderzahl aufweist. Daraus ergibt sich eine verhältnismäßig einfache kinematische Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis in den Zylinderbuchsen während des Betriebes zu verändern, indem die Hauptlager der Kurbelwelle 6' oder bevorzugt des Zentrallagerdorns 5' in vertikaler Richtung verschoben werden. Beispielweise würde eine Verschiebung des Zentrallagerdorns 5' in 6 relativ zu der Kurbelwelle 6' nach oben zu einer Reduzierung der Amplitude der Oszillation der Kolben 3c, 3d und damit zu einer Verkleinerung des Hubraumes und einer Reduzierung der Verdichtung führen.
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7 zeigt eine perspektivische Darstellung des Kurbelschlaufen-Motors 1"' von 6. Wie dort zu entnehmen ist, ist hinter der Pleuelstange 2b" mit den Kolben 3a, 3b, 3c, 3d seriell noch eine weitere Pleuelstange 2a" mit den Kolben 3a', 3b', 3c', 3d' angeordnet. Die weitere Pleuelstange 2a" ist identisch zu der bezüglich 6 beschriebenen Pleuelstange 2b" aufgebaut, so dass hierauf verwiesen wird. Analog wie auch bei der Ausführungsform in 2 und 3 sind die Pleuelstangen 2a", 2b" an demselben Zentrallagerdorn 5' drehbar gelagert und stützen sich an jeweils unterschiedlichen Hubzapfen der Kurbelwelle 6' ab. Insofern unterscheidet sich diese Ausführungsform von den beschriebenen Ausführungsformen der 2 und 3 lediglich dadurch, dass hier eine Verstellung des Abstands zwischen dem Zentrallagerdorn 5' und der Kurbelwelle 6' mit den beschriebenen Vorteilen ermöglicht wird. Bezüglich der weiteren Merkmale und Vorteile wird auf die Beschreibung zu den vorherigen Ausführungsformen verwiesen.
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8 zeigt eine Explosionsdarstellung zweier Bestandteile der Pleuelstange 2b", hier exemplarisch den Abtriebsabschnitt 12 und eine korrespondierende Kolbenstange 10a" gemäß der dritten Ausführungsform des Kurbelschlaufen-Motors 1'" von 6. Wie dort zu entnehmen ist, weist der Abtriebsabschnitt 12, wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Pleuelstangen 2, 2a, 2b, 2a', 2b' eine Kulissenführung 8 in Form einer durchgehenden Aussparung auf, welche zur Aufnahme und Längsführung eines Kulissensteins 9, 9a, 9b ausgebildet ist. Dazu ist die Kulissenführung 8 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Umriss vorgesehen, bei welchem die gegenüberliegenden Längsseiten parallel zueinander ausgebildet sind und als Anlage- und Gleitfläche für den Kulissenstein 9, 9a, 9b dienen. In einem oberen Abschnitt des Abtriebsabschnitts 12 ist zudem eine Bohrung 18 als Schwenklager für den jeweiligen Zentrallagerdorn 5, 5' angeordnet.
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Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Pleuelstangen 2, 2a, 2b, 2a', 2b' ist die gezeigte Pleuelstange 2b" gemäß der dritten Ausführungsform des Kurbelschlaufen-Motors 1"' mehrteilig ausgebildet, insbesondere sind die Kolbenstangen 10b" und 10a" separat von dem Abtriebsabschnitt 12 ausgebildet und mittels entsprechender Führungen relativ zueinander verschiebbar. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird jede Führung durch einen vorstehenden Steg 13a, 13b, 13c, 13d an dem Abtriebsabschnitt 12 und korrespondiere Längsnuten in den Kolbenstangen 10a" und 10b" gebildet, von denen die Kolbenstange 10a" mit den Längsnuten 14a, 14b abgebildet sind. Die Längsnuten 14a, 14b verlaufen wie auch die Stege 13a, 13b, 13c, 13d in Radialrichtung des Zentrallagerdorns 5' bzw. der Bohrung 18 und parallel zu den Längsseitenwänden der Kulissenführung 8. Die Breite der Längsnuten 14a, 14b der Kolbenstange 10a" entspricht dabei im Wesentlichen der Breite der Stege 13a, 13b, so dass die Stege 13a, 13b in den Längsnuten 14a, 14b spielfrei geführt werden.
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Die Kolbenstange 10a" ist identisch, insbesondere parallel zu der nicht gezeigten weiteren Kolbenstange 10b" ausgebildet und ist kreisabschnittsförmig korrespondierend zu den Zylinderbuchsen 4a, 4b, 4c, 4d, 4a', 4b', 4c', 4d' gekrümmt. Die nicht abgebildeten Kolben werden jeweils an einem ersten Ende 16 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 17 der Kolbenstange 10a" befestigt. In einer nicht dargestellten Ausführungsform können die Kolbenstangen jedoch auch geradlinig verlaufend ausgebildet sein, was beispielsweise durch die beschriebene Führung zwischen dem Abtriebsabschnitt 12 und den Kolbenstangen ermöglicht wird, wobei dann jedoch ein zusätzliches Drehgelenk und ein Kulissenstein bzw. ein Schiebesitz vorzusehen ist.
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In 9 ist eine perspektivische Darstellung einer fünften alternativen Ausführungsform eines Kurbelschlaufen-Motors 1"" gezeigt. Dieser Kurbelschlaufen-Motor 1"" ist als Gegenkolbenmotor ausgebildet, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lediglich eine einzige Kurbelwelle für alle Kolben ausreicht. Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik bei Gegenkolbenmotoren, die zwei getrennte Kurbelwellen aufweisen, ergibt sich hierdurch eine Vielzahl an Vorteilen. So kann durch den Wegfall der zweiten Kurbelwelle der Fertigungsaufwand, das Gewicht und die Reibung des Systems deutlich verringert werden, was zu einer deutlichen Reduzierung der Herstell- und Betriebskosten führt. Zudem entfällt auch das Problem bei den üblichen Gegenkolbenmotoren, bei denen die beiden Kurbelwellen sehr präzise und über große Distanzen z.B. über einen Zahnradtrieb synchronisiert werden müssen, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Nicht zuletzt kann durch die gezeigte Bauweise auch ein besonders kompakter Gegenkolbenmotor mit entsprechend hoher Leistungsdichte erreicht werden.
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In 9 ist beispielhaft ein Kurbelschlaufen-Motor 1 "" als Gegenkolbenmotor mit vier hintereinander angeordneten Kolbenebenen gezeigt. Es ist natürlich auch möglich, nur eine einzige Ebene mit Kolben vorzusehen und in jeder Ebene anstelle der gezeigten vier Kolben, von denen sich jeweils zwei auf der gleichen Pleuelstange befinden, auch nur ein Kolben pro Pleuelstange anzuordnen. Insofern kann je nach verfügbarem Bauraum und der benötigten Leistung ohne Weiteres die Anzahl der Kolben pro Pleuelstange und die Anzahl der Ebenen an Kolben angepasst werden.
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Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Ausbildung anhand der ersten Kolbenebene, welche durch die Pleuelstangen 2a"' und 2b''' mit den daran jeweils befestigten zwei Kolben exemplarisch beschrieben. Die weiteren Kolbenebenen sind hierzu identisch ausgebildet. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 4 und 5 ist bei der Ausführungsform der 9 jeweils an einer Pleuelstange 2a'" bzw. 2b'" nur eine Kolbenstange 10a'" bzw. 10b'" mit jeweils zwei Kolben fest verbunden. Die Pleuelstangen 2a'" und 2b'" sind dabei in Richtung der Achse des Zentrallagerdorns 5" und der parallelen Kurbelwelle 6" hintereinander angeordnet und weisen jeweils eine Kulissenführung (von denen nur die Kulissenführung 8" gezeigt ist) auf. In den entsprechenden Kulissenführungen ist jeweils ein längsverschieblich gelagerter Kulissenstein angeordnet, in welchem wiederum jeweils ein separater Hubzapfen der Kurbelwelle drehbar gelagert ist. Hierdurch können die Pleuelstangen 2a"' und 2b'" entgegengesetzt durch die eine Kurbelwelle 6" angesteuert werden, was zum Betrieb als Gegenkolbenmotor notwendig ist.
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Die Pleuelstangen 2a'" und 2b'" sind dabei derart gekröpft ausgebildet, dass die entsprechenden gekrümmten Kolbenstangen 10a'" und 10b'" mit den insgesamt vier Kolben in einer Ebene, der beschriebenen ersten Kolbenebene, liegen. Wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen heben sich die Kräfte der Kolben an jeweils einer Pleuelstange gegenseitig weitestgehend auf, so dass über die Kurbelwelle (und den Kulissenstein) im Wesentlichen nur die resultierende Kraft des Kreisprozesses geleitet werden muss.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform, können für einen Gegenkolbenmotor zusätzlich zur Ausführungsform von 9 an jeder Pleuelstange entsprechend der Ausführungsform von 2 jeweils zwei Kolbenstangen mit entsprechenden zwei Kolben auf der gleichen Seite des Zentrallagerdorns ausgebildet sein. Dabei sind dann die Pleuelstangen so anzuordnen, dass sich jeweils zwei Kolben einer Kolbenstange mit den zwei Kolben einer Kolbenstange einer gegenüberliegenden Pleuelstange in einem Zylinderrohr überlappen. Zu Beginn und am Ende einer derartigen Reihenschaltung ist jeweils eine Pleuelstange mit lediglich einer Kolbenstange wie in 9 gezeigt, vorzusehen, um den Gegenkolben-Betrieb auch in der ersten Kolbenebene und der letzten Kolbenebene zu gewährleisten.
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Allen gezeigten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass durch die beschriebene Lagerung der Pleuelstangen um den Zentrallagerdorn der tatsächliche Hub an den Kolben gemäß den Hebelverhältnissen größer ausfällt, als der Hub des entsprechenden Hubzapfens der Kurbelwelle. Dies erhöht die Stabilität der Kurbelwelle insbesondere gegenüber Torsion, wodurch auch der Hubzapfen besonders klein und damit reibungsarm ausgebildet werden kann. Zudem wird die Reibung, wie beschrieben, dadurch reduziert, dass die Kolben drehfest mit der gekrümmten Pleuelstange verbunden sind und daher die Kolbenhemden nicht zur reibungsbehafteten Führung in den Zylinderbuchsen notwendig sind und daher besonders kurz ausgeführt werden können. Die Lagerung des Drehpleuels auf dem Zentrallagerdorn kann sehr leicht als Wälzlagerung ausgeführt werden.
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Ebenso kann bei allen beschriebenen Ausführungsformen durch eine Veränderung des Abstands zwischen der Kurbelwelle und dem Zentrallagerdorn einfach der Hub und damit das Verdichtungsverhältnis des Kurbelschlaufen-Motors verändert werden. Bei der nicht gezeigten Ausführungsform mit geradlinigen Kolbenstangen, Kolben und Zylinderbuchsen ist hierfür lediglich ein weiteres Drehgelenk und eine weitere Verschiebeführung ähnlich oder identisch einer Kulissenführung vorzusehen. Sofern die Kurbelwelle gegenüber den restlichen Komponenten verschiebbar ausgebildet wird, können auch die Pleuelstangen mit den gekrümmten Kolbenstangen einstückig und insbesondere ohne den in der Ausführungsform von 6-8 gezeigten zusätzlichen Verschiebesitz mit Drehgelenk ausgebildet werden. Die Verschiebung des Zentrallagerdorns mit den daran drehbar befestigten Pleuelstangen ist insofern vorteilhaft, als dass der Abtrieb über die Kurbelwelle und damit der Anschluss eines entsprechenden Verbrauchers unverändert bleibt. In beiden Fällen weist der gezeigte Kurbelschlaufen-Motor jedoch den Vorteil auf, dass für eine Veränderung des Verdichtungsverhältnis die Kurbelwelle oder der Zentrallagerdorn nicht in Bewegungsrichtung der Kolben verschoben wird, sondern unter einem Winkel hierzu, wodurch sich die aufzuwenden Kräfte reduzieren.
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In einer nicht gezeigten weiteren Ausführungsform kann der Zentrallagerdorn in Längsrichtung auch in einzelne, voneinander unabhängige Teilstücke unterteilt sein, welche jeweils einzeln gegenüber der Kurbelwelle verschiebbar sind und an welchen mindestens eine Pleuelstange drehbar gelagert ist.
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Ein weiterer Vorteil der gezeigten Kurbelschlaufen-Motoren ist zudem, dass aufgrund der festen Verbindung zwischen der Kolbenstange und den Kolben die Verwendung von sogenannten Stopfbuchsenabdichtungen möglich ist, wie sie bei Kreuzkopf-(Zweitakt-) Motoren verwendet werden. Durch diese ringförmigen Dichtungen zwischen den Kolbenstangen und den Zylinderbuchsen wird der Durchtritt von Falschluft verhindert und die Effizienz der Kurbelschlaufen-Motoren zusätzlich gesteigert. Grundsätzlich erfüllt der Kurbeltrieb nach 1 bis 6 und 9, alle positiven Eigenschaften eines Kreuzkopf- Kurbeltriebes (Verlagerung der Kolbenhemdreibung in ein eigenes Führungsbauteil; nicht auslenkende Pleuelstange), worauf sich dessen Vorteile gründen (sehr lange Hübe im Verhältnis zur Bohrung möglich, Abdichtbarkeit des Raumes unterhalb der Kolben), ohne so aufwendig (Entfall Kreuzkopfschlitten), voluminös und schwer zu sein wie ein Kreuzkopfschlitten-Kurbeltrieb.
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Neben der gemeinsamen Lagerung der Kolben an dem Zentrallagerdorn stützen sich die Kolben einer Pleuelstange in den beschriebenen Ausführungsformen jeweils gegenseitig auch an den Zylinderbuchsen ab, wodurch eine große Führungslänge erreicht wird. Aufgrund der starren Verbindung zwischen den Kolben einer Pleuelstange führt dies bei allen Ausführungsformen zu einer zusätzlichen Stabilisierung und Lagerung der Kolben, wodurch die Kolbenhemden wie beschrieben besonders kurz und damit reibungsreduziert ausgebildet werden können. Insbesondere gibt es aufgrund der kinematischen Führung der Kolben durch den Zentrallagerdorn und die Form der Pleuelstangen keine Kolbenseitenkräfte, welche durch das jeweilige Kolbenhemd reibungsbehaftet auf die Zylinderbuchsen übertragen werden müssten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung können bei den gezeigten Ausführungsformen die Kolbenstangen jeweils außermittig an den Kolben befestigt sein, um einem Verbiegen der gekrümmten Kolbenstangen aufgrund des Gasdrucks auf den Kolben beim Zünden des Verbrennungsgemisches durch ein Gegenmoment entgegenzuwirken. Exemplarisch an der Ausführungsform von 6 müsste dabei die Kolbenstange 10b" weiter von dem Zentrallagerdorn 5' entfernt an den Kolben 3c, 3d befestigt sein als der Abstand der Zentralachse der Kolben 3c, 3d von dem Zentrallagerdorn.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1", 1"', 1""
- Kurbelschlaufen-Motor
- 2, 2a, 2b, 2a', 2b', 2a", 2b", 2a"', 2b'"
- Pleuelstange
- 3a, 3b, 3c, 3d, 3a', 3b', 3c', 3d'
- Kolben
- 4a, 4b, 4c, 4d, 4a', 4b', 4c', 4d'
- Zylinderbuchse
- 5, 5', 5"
- Zentrallagerdorn
- 6, 6', 6"
- Kurbelwelle
- 7
- Hubzapfen
- 8, 8', 8"
- Kulissenführung
- 9, 9a, 9b, 9b'
- Kulissenstein
- 10a, 10b, 10a', 10b', 10c, 10d, 10a", 10b", 10a'", 10b'"
- Kolbenstange
- 11a, 11b, 11c, 11d
- Zylinderkopf
- 12
- Abtriebsabschnitt
- 13a, 13b, 13c, 13d
- Steg
- 14a, 14b
- Längsnut
- 16
- Erstes Ende
- 17
- Zweites Ende
- 18
- Bohrung
