DE19500854C2 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hubkolbenmaschinen sind allgemein bekannt. Als heutzutage wohl gängigste Hubkolbenmaschine ist der Vier-Zylinder-Reihenmotor anzusehen, bei dem vier Zylinder in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Die zugehörigen Kolben beaufschlagen jeweils über ein Pleuel eine gemeinsame Kurbelwelle und versetzen diese in Drehbewegung. Zur Lagerung der Kurbelwelle bzw. der Pleuel auf der Kurbelwelle sind üblicherweise fünf Kurbelwellenhauptlager und vier Kurbelwellenzapfenlager vorgesehen. Somit tritt eine Reibung in neun Lagern auf, die die Nennleistung des Motors beträchtlich reduziert.

Darüberhinaus wird die Kurbelwelle durch eine Reihen-Anordnung sehr lang und damit verwindungsanfällig, so daß Maßnahmen zur Dämpfung von Drehschwingungen der Kurbelwelle erforderlich werden.

Im übrigen treten bei der Verwendung von Pleueln Schwingungen zweiter und höherer Ordnungen auf, welche die sinusförmigen Kolbenbewegungen überlagern. Durch diese Schwingungen ergibt sich ein Vibrieren des Motors und ein relativ rauher Motorlauf.

Zur Verminderung der Kurbelwellenlagerreibung ist in der DE 34 47 663 A1 ein sogenannter Kurbelschleifenmotor vorgeschlagen worden. Bei diesem sind die Zylinder nach dem Boxerprinzip angeordnet, wobei bei der Auf- und Abbewegung der Kolben die Kraft über eine zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Kolben starr angeordnete Kurbelwellenschleife auf die Kurbelwelle übertragen wird, die dadurch eine Drehbewegung ausführt.

Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist, daß auf einen, die Wirkverbindung zwischen Kurbelwellenschleife und Kurbelwelle herstellenden und diesen Elementen zwischengeschalteten Antriebsblock nur jeweils zwei Zylinder wirken können. Bei einer Anordnung von einem Vielfachen von zwei Zylindern ist auch eine entsprechende Anzahl von Kurbelwellenschleifen vorzusehen. Es ist daher nicht möglich, die Kolben in einer zur Kurbelwellenachse senkrechten, gemeinsamen Ebene anzuordnen, so daß beispielsweise bei einer Vier- oder Sechszylindermaschine ebenfalls eine Reihenschaltung von jeweils zwei diametral gegenüberliegenden Kolben-Zylinder-Anordnungen in Achsrichtung der Kurbelwelle erforderlich ist. Dadurch werden wiederum mehrere Kurbelwellenhaupt- sowie Kurbelwellenzapfenlager notwendig, mit dem Nachteil einer erhöhten Lagerreibung. Darüberhinaus ist bei dem bekannten Kurbelschleifenmotor kein vollständiger Massenausgleich möglich.

Aus der WO 90/06426 ist eine Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art bekannt, wobei die Kolben-Zylinder-Anordnungen sternförmig um die in Drehbewegung versetzbare Kurbelwelle positioniert sind. An jedem Kolben starr befestigte Gleitelemente werden in einem auf einem exzentrisches Teil der Kurbelwelle gelagerten Antriebsblock geführt, wobei bei der Auf- und Abbewegung der Kolben eine relative, seitliche Verschiebung zwischen Kolben und Antriebsblock stattfindet.

Nachteilig hierbei ist, daß die Kolbenführung im wesentlichen durch den Antriebsblock und ein darin aufgenommenes Gleitelement übernommen wird, was zu einer nicht unbeträchtlichen Reibung führt. Zur Vermeidung einer Verkantung der Gleitelemente müssen diese eine vorbestimmte Mindestlänge aufweisen, wodurch die Reibung zusätzlich zunimmt. Auch ist der Herstellungs- und Wartungsaufwand dieser bekannten Konstruktion relativ hoch. Ferner können auch bei dieser Konstruktion nicht alle Kolben- Zylinder-Anordnungen in einer gemeinsamen, senkrecht zur Kurbelwellenachse ausgerichteten Ebene angeordnet werden, wodurch auch hierbei kein vollständiger Massenausgleich möglich ist.

Aus der DE-OS 20 00 375 sowie der DE 35 26 882 A1 sind ebenfalls Konstruktionen der hier fraglichen Art bekannt, bei der zwei jeweils einander gegenüberliegende Platten, welche mit Membrantellern oder Kolben verbunden sind, über ein Verbindungselement gegeneinander unverrückbar gehalten werden. Zwischen den Platten ist ein Prisma mit parallelen Seitenflächen aufgenommen, in dem mittig ein exzentrisches Lager vorgesehen ist. Gemäß einer Ausführungsform der bekannten Konstruktion sind die Platten mittels kreisbogenförmiger Teile verbunden, die seitlich an den Platten befestigt sind.

Nachteilig hierbei ist, daß die kreisbogenförmigen Verbindungselemente zur Aufnahme von zum Teil erheblichen Biegebelastungen massiv und voluminös ausgeführt werden müssen. Dies vergrößert die Schwungmasse, erhöht die Herstellungskosten und wirkt sich nachteilig auf die Dimensionierung der Gesamtanordnung aus.

Darüber hinaus können bei der bekannten Konstruktion nicht mehrere Verbindungsteile nebeneinander angeordnet werden, so daß die maximal erreichbare Kolben-Zylinderzahl in einer Radialebene auf vier begrenzt ist.

Ferner ist auch kein derart symmetrischer Aufbau der Anordnung möglich, daß ein vollständiger Massenausgleich erreichbar wird.

Schließlich kann es durch eine einseitige Anordnung des Verbindungselements, insbesondere bei höheren Drehzahlen, zu einer einseitigen Verformung der Kolben-Zylinder-Anordnung mit der Gefahr einer Verkantung, eines erhöhten Verschleißes und einer erhöhten Reibung kommen. Insgesamt wirkt sich dies nachteilig auf die Lebensdauer der bekannten Konstruktion aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine kompakte, klein dimensionierbare sowie herstellungs- und wartungstechnisch einfache Bauweise der Maschine auch bei größerer Zylinderzahl möglich ist, wobei die Reibung im Betrieb möglichst klein gehalten werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Vorbeiführung der Verbindungselemente in Axialrichtung der Kurbelwelle nahe und im wesentlichen spielfrei an einer Seitenfläche des exzentrisches Teils kann eine Vielzahl von Kolben-Zylinder-Anordnungen in einer gemeinsamen Radialebene kompakt positioniert werden. Dabei reihen sich die verschiedenen Verbindungselemente in Axialrichtung der Kurbelwelle jeweils in geringem Abstand aneinander bzw. sind in geringem Abstand aneinander vorbeigeführt.

Eine äußerst kompakte Bauweise der Hubkolbenmaschine läßt sich auch dadurch erreichen, daß die mit dem Antriebsblock zusammenwirkenden Elemente des Kolbens unmittelbar an diesem angeordnet sind. Dadurch wird ein kleiner Abstand zwischen der Kurbelwellenachse und den Kolben - und somit ein kleiner Durchmesser der Maschine - erzielt.

Dadurch, daß die Verbindungselemente in Axialrichtung der Kurbelwelle nahe an einer Seitenfläche des exzentrischen Teils vorbeigeführt sind, verlaufen sie relativ zentral, so daß Biegebelastungen gut aufgenommen werden und sich eine zu massive und voluminöse Bauweise vermeiden läßt.

Bei der vorliegenden Hubkolbenmaschine übernimmt der Antriebsblock keinerlei Kolbenführungsfunktion, sondern dient lediglich der Kraftübertragung zwischen Kolben und Kurbelwelle. Dementsprechend kann die Reibung gering gehalten werden, so daß die Verlustleistung des Motors reduziert ist. Beim Betrieb der Maschine als Motor kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt und im übrigen der Wirkungsgrad erhöht werden.

Die Aneinander-Vorbeiführung von mehreren Verbindungselementen läßt sich auf einfache Weise durch eine Anordnung der Verbindungselemente an beiden in Axialrichtung der Kurbelwelle gelegenen Seiten eines zugeordneten Kolbens erreichen, da die Axialbeabstandung des jeweiligen Verbindungselements vom exzentrischen Teil durch ein einfaches Abstandselement, welches zwischen Kolben und Führungselement zwischengeschaltet ist, herbeigeführt werden kann.

Es sind jeweils zwei Verbindungselemente vorhanden, wobei jedes an jeweils einer der beiden Seiten des exzentrischen Teils der Kurbelwelle seitlich vorbeigeführt ist. So kann die auf den Kolben und das Führungselement einwirkende Belastung gleichmäßig verteilt werden. Dabei werden die von einem Kolben auf ein diametral gegenüberliegendes Abstützelement bzw. den diametral gegenüberliegenden Kolben ausgeübten Kräfte gleichmäßig und im wesentlichen ohne Kippmomente übertragen. Dementsprechend können dadurch Reibungen zwischen den aneinander gleitenden Flächen reduziert und die Gefahr einer Verkantung vermieden werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist gegenüberliegend der Anlagefläche des Antriebsblocks das Abstützelement am Verbindungselement angeordnet. Es liegt am Antriebsblock derart an, daß dieser spielfrei, jedoch relativ verschiebbar aufgenommen ist. Damit ist eine einwandfreie und genau definierte Führung des Antriebsblocks gegenüber jedem Kolben gewährleistet, und die Gefahr eines Abhebens des Kolbens vom Antriebsblock vermieden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kolben in gleichem Winkelabstand voneinander und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die sich senkrecht zur Achse der Kurbelwelle erstreckt. Eine Hintereinander- bzw. Reihenanordnung von Kolben oder Kolbeneinheiten in Richtung der Kurbelwellenachse ist nicht erforderlich. Die Anzahl der Kurbelwellenhaupt- und Kurbelwellenzapfenlager kann somit auf ein Minimum beschränkt werden. Darüberhinaus reduziert sich die axiale Erstreckung der Hubkolbenmaschine etwa auf die Breite einer Kolben-Zylinder- Anordnung.

Bei einer Wahl von zwei oder mehr Achsen von Kolben-Zylinder- Anordnungen ist darüber hinaus ein hundertprozentiger Massenausgleich möglich. Es kann nahezu die Laufruhe eines Elektromotors erzielt werden.

Bei einer geraden Anzahl von Zylinder-Kolben-Anordnungen sind jeweils zwei diametral gegenüberliegende Kolben durch das als Verbindungs- und Stützelement dienende Verbindungselement starr miteinander verbunden. Die zwei diametral gegenüberliegenden Kolben bewegen sich jeweils mit gleichem Abstand zueinander hin und her. Durch die Verbindungselemente und die kompakte Bauweise der Maschine ist sichergestellt, daß die auf den Kolben einwirkenden Kippmomente gering gehalten werden. Bei dieser Ausführungsform dient jeweils ein Kolben in Bezug auf den diametral gegenüberliegenden Kolben als Abstützelement.

Durch die Maßnahme, die Verbindungselemente im wesentlichen geradlinig auszubilden und derart auszurichten, daß sie die miteinander zu koppelnden Abstützelemente und Kolben oder Kolben untereinander in Richtung der wirkenden Zug- oder Druckkräfte verbinden, können relativ leichte Verbindungselemente verwendet werden, so daß eine Konstruktion mit geringem Gewicht und kleiner Dimensionierung möglich ist. Die auftretenden Belastungen können bei dieser Konstruktionsweise von einem leichter ausgeführten Bauelement aufgefangen werden. Eine massive Ausführung zur Kompensation von Biegekräften ist nicht erforderlich. Insgesamt läßt sich dadurch die immer wieder zu beschleunigende und abzubremsende Masse erheblich reduzieren, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt.

Eine besonders kompakte Ausführungsform ergibt sich dann, wenn die Verbindungselemente derart flach ausgebildet sind, daß sich bei der erforderlichen Stabilität eine möglichst geringe Ausdehnung der Gesamtanordnung in Axialrichtung der Kurbelwelle ergibt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente derart beidseitig um die Kurbelwelle herumgeführt, daß sie in jedem Bewegungszustand des zugeordneten Kolbens die Kurbelwelle nicht berühren. Insbesondere weisen die Verbindungselemente jeweils eine langlochartige Ausnehmung auf, durch die sich die Kurbelwelle in jedem Bewegungszustand der Kolben berührungsfrei hindurch erstreckt.

Der Antriebsblock weist vorzugsweise plane Anlageflächen für die Kolben auf, die eine zwängungsfreie seitliche Relativverschiebung der Kolben erlauben. Durch Zwischenschaltung eines Lagers, beispielsweise eines Gleit-, insbesondere aber eines Wälzlagers, zwischen Kolben und Antriebsblock und/oder zwischen Antriebsblock und Kurbelwelle läßt sich eine äußerst geringe Reibung erreichen. Die Verwendung von Wälzlagern wirkt sich auch positiv auf die Kaltstarteigenschaften der Maschine aus.

Der exzentrische Teil der Kurbelwelle ist vorzugsweise als Kreisscheibe (bzw. Kreiszylinder) ausgebildet. Bei einer Kreisscheibe mit einem relativ großen Durchmesser treten zwischen Kreisscheibenumfangsfläche und der komplementären Lagerfläche des Antriebsblocks kleine spezifische Kräfte auf.

Um eine frühzeitige Abnutzung der einzelnen Elemente zu verhindern, können die miteinander in Eingriff stehenden Flächen oder Konstruktionselemente zumindest teilweise gehärtet sein.

Die vorgenannte Maschine kann insbesondere nach Art eines Zweitaktmotors, eines Viertaktmotors oder eines Motors mit einer anderen Taktzahl betrieben werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, mit vorgenannter Konstruktion Kompressoren, Expansionsmaschinen oder dgl. Maschinen zu betreiben.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine stark schematisierte Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels für eine Vierzylinder-Hubkolbenmaschine,

Fig. 2 eine stark schematisierte Explosionsdarstellung von zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Kolben, die durch zwei Verbindungselemente miteinander koppelbar sind, von denen in Fig. 2 nur eines dargestellt ist.

Fig. 3 eine stark schematisierte Schnittansicht einer Kurbelwelle mit exzentrisch dazu angeordneter Kurbelwellenscheibe, auf der ein Antriebsblock gelagert ist,

Fig. 4a eine kombinierte Darstellung von Fig. 2 und 3, wobei die Anordnung des Antriebsblocks zwischen den sich diametral gegenüberliegenden Kolben zu erkennen ist,

Fig. 4b eine gegenüber der Darstellung in Fig. 4a um 90° gekippte Darstellung, wobei ein weiterer Kolben strichliniert angedeutet ist,

Fig. 5a bis 5d eine Darstellung der Zündfolge der vier Zylinder beim Betrieb der Hubkolbenmaschine gemäß Fig. 1 im Zweitakt-Verfahren, wobei jeweils die Stellung des Antriebsblocks zu erkennen ist,

Fig. 6 eine stark schematisierte Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels für eine Drei-Zylinder-Hubkolbenmaschine mit Kolbenführungselementen,

Fig. 7 eine schematisierte Darstellung einer einzelnen Einheit aus Kolben, Verbindungselementen und Kolben-Führungselement, wie sie in Fig. 6 verwendet werden, wobei nur ein Verbindungselement dargestellt ist.

Fig. 8a bis 8c weitere stark schematisierte Darstellungen von Ausführungsformen zweier diametral gegenüberliegend angeordneter Kolben, die durch - gegenüber Fig. 2 alternative - Verbindungselemente koppelbar sind.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer als Motor ausgebildeten Hubkolbenmaschine 10 in stark schematisierter Schnittdarstellung. Die Hubkolbenmaschine 10 umfaßt vier Kolben- Zylinder-Anordnungen, die in gleichem Winkelabstand um eine gemeinsame Kurbelwelle 18 herum angeordnet sind. Jede Kolben- Zylinder-Anordnung umfaßt einen Kolben 16, der in Richtung seiner Längsachse in einem jeweils zugeordneten Zylinder 14 verschiebbar angeordnet ist. Die vier Zylinder 14 des Ausführungsbeispiels sind an einem Maschinengehäuse 12 befestigbar, wobei sich die Zylinder- bzw. Kolben-Achsen jeweils radial zur Kurbelwelle 18 sternförmig erstrecken.

Am oberen Ende eines jeden Zylinders 14 ist in bekannter Weise eine Zündvorrichtung 36 (Zündkerze) angeordnet, wobei in Fig. 1 die Zündvorrichtung des oben angeordneten Zylinders 14 gerade zündet. Zwischen der oberen Kolbenfläche eines jeden Kolbens 16 und dem Zylinderkopf ist in ebenfalls bekannter Weise ein Verbrennungsraum 38 ausgebildet, in dem die komprimierten Verbrennungsgase gezündet werden. Dabei wird eine Kraft auf den jeweiligen Kolben 16 in Richtung der Kurbelwelle 18 ausgeübt. Zur Abdichtung zwischen Kolben 16 und Zylinder 14 sind Kolbenringe in dafür vorgesehenen Ausnehmungen des jeweiligen Kolbens 16 angeordnet.

In Fig. 2 sind zwei Kolben 16 zu erkennen, die durch zwei Verbindungselemente 34, von denen in Fig. 2 lediglich eines dargestellt ist, diametral gegenüberliegend und starr miteinander verbunden werden. Insbesondere sind die Verbindungselemente 34 in Axialrichtung der Kurbelwelle 18 entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer anderer Verbindungselemente 34 jeweils sehr nahe entweder unmittelbar an einer Seitenfläche des exzentrischen Teils der Kurbelwelle 18 oder einem weiteren Verbindungselement 34 vorbeigeführt (siehe Fig. 4b), wobei jedoch jeglicher Kontakt untereinander oder zu anderen sich relativ zueinander bewegenden Teilen der Hubkolbenmaschine vermieden werden muß. In Fig. 1 ist dies deutlich zu erkennen. Im vorliegenden Fall bestehen die Verbindungselemente 34 aus Flachmetallelementen, welche - wie aus Fig. 4b besonders deutlich wird - eine insgesamt geringe Ausdehnung in Axialrichtung der Kurbelwelle 18 aufweisen, so daß auch bei einer Anordnung von mehreren Kolben-Zylinder- Anordnungen die Gesamt-Axialerstreckung, die sich im wesentlichen zusammensetzt aus der Dicke des exzentrischen Teils und den Dicken der beidseits davon angeordneten Verbindungselemente 34, unter dem Kolbendurchmesser bleibt, der damit die Axialerstreckung bzw. Breite der Hubkolbenmaschine bestimmt. Bei der Dimensionierung der Verbindungselemente 34 ist lediglich zu beachten, daß sie den Stabilitätsanforderungen genügen.

Die Verbindungselemente 34 und zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Kolben 16 bilden beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils eine Einheit. An der kurbelwellenseitigen Kolbenseite ist an jedem Kolben 16 ein Kraftübertragungselement 32 mit einer wiederum kurbelwellenseitig ausgebildeten Stützfläche 33 angeordnet, wobei sich die Stützflächen 33 zweier gegenüberliegender Kraftübertragungselemente 32 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils senkrecht zur Kolbenachse, parallel zueinander und in vorbestimmtem Abstand voneinander erstrecken. Die Kraftübertragungselemente 32 und die zugehörigen Kolben 16 können insbesondere einstückig ausgebildet werden.

Alternativ ist es auch möglich, die Stützfläche 33 unter einem anderen Winkel zur Kolbenachse anzuordnen.

Die zwei diametral gegenüberliegende Kolben 16 starr miteinander koppelnden Verbindungselemente 34 sind jeweils beidseitig der jeweiligen Kraftübertragungselemente 32 angeordnet und am jeweiligen Kraftübertragungselement 32 mittels Schrauben 50 befestigt, wie dies unter anderem aus Fig. 4b zu erkennen ist.

Alternativ können auch andere Verbindungsarten gewählt werden. Ebenso kann das Kraftübertragungselement nicht unmittelbar am Kolben (wie beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel), sondern durch ein (nicht dargestelltes) Verlängerungselement beabstandet von diesem angeordnet sein. Das Verlängerungselement könnte dabei noch zusätzlich geführt bzw. verschieblich gelagert werden.

Ferner sind in den Fig. 8a bis 8c weitere Ausführungsformen dargestellt, wie die beiden diametral gegenüberliegend angeordneten Kolben 16 durch alternativ ausgestaltete Verbindungselemente starr miteinander gekoppelt werden können.

Gemäß Fig. 8a werden auf jeder Seite des Kolbens lediglich zwei Stäbe verwendet, die als Verbindungselement 34 zwischen den Kolben 16 dienen.

Gemäß Fig. 8b werden zwei L-förmige Verbindungselemente verwendet, die ebenfalls auf jeweils einer Seite der Kolben 16 oder der Kraftübertragungselemente 32 montiert werden.

Schließlich ist in Fig. 8c ein U-förmiges Verbindungselement 34 dargestellt, das oder die ebenfalls zum Verbinden der Kolben 16 geeignet ist bzw. sind. Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 8a bis 8c haben unter anderem den Vorteil, daß die aus den Kolben 16 und dem Verbindungselement 34 bzw. den Verbindungselementen bestehenden Einheiten einfacher zu montieren sind. Dabei wird das jeweilige Verbindungselement zuerst an dem einen Kolben 16 und, nachdem die Kurbelwelle 18 zwischen den beiden Stäben bzw. Schenkeln der Verbindungselemente durchgeführt ist, auch am anderen Kolben befestigt. Auch bei den letztgenannten Ausführungsbeispielen der Verbindungselemente 34 sind diese mit einem flachen Querschnitt - wie vorgenannt erläutert - ausgeführt.

Das in Fig. 2 dargestellte Verbindungselement 34 weist mittig ein sich in Bewegungsrichtung der Kolben 16 erstreckendes Langloch 44 oder eine entsprechende Öffnung auf, dessen bzw. deren Funktion weiter unten erläutert wird.

Zwischen zwei gegenüberliegenden Kraftübertragungselementen 32 bzw. deren Stützflächen 33 ist ein Antriebsblock 22 zwischengeschaltet, der spielfrei eingepaßt ist. Der Antriebsblock 22 ist in einer Ebene senkrecht zur Kolbenlängs- bzw. -bewegungsachse sowie senkrecht zur Kurbelwellenachse 26 relativ zu den Kolben 16 verschiebbar. Dabei gleiten die Stützflächen 33 der Kraftübertragungselemente 32 auf am Antriebsblock 22 angeordneten Anlageflächen 30, die entsprechend den Stützflächen 33 ebenfalls plan ausgebildet sind.

Um eine möglichst leichtgängige Verschiebung des Antriebsblocks 22 relativ zu den Kolben 16 zu ermöglichen, werden die Stütz- und Anlageflächen 33 mit Gleitlager-Beschichtungen versehen. Zusätzlich ist es möglich, ein Wälzlager zwischen den aufeinanderliegenden Flächen vorzusehen. Mit einem solchen Wälzlager kann der Wirkungsgrad erheblich verbessert werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt der Antriebsblock 22 in Richtung der Kurbelwellenachse 26 betrachtet einen quadratischen Querschnitt, wobei jede Umfangsfläche als Anlagefläche 30 für einen Kolben 16 bzw. dessen Kraftübertragungselement 32 dient. Wird jedoch eine andere Anzahl von Zylindern im gleichen Winkelabstand um die Kurbelwelle 18 herum angeordnet, so weist der Antriebsblock 22 eine entsprechende Querschnittsform auf. Demgemäß ist jedem Kolben 16 eine Umfangsfläche des Antriebsblocks 22 als Anlagefläche zugeordnet.

Bei einer Ausführungsform der Maschine mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern kann eine doppelt so große Anzahl von Anlageflächen 30 wie Kolben vorgesehen werden. Dies wird genauer anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels nachfolgend noch beschrieben.

Mittig im Antriebsblock 22 ist eine Bohrung 24 vorgesehen, in der eine den exzentrischen Teil der Kurbelwelle 18 bildenden Kreisscheibe 20 drehgelagert ist.

Gemäß Fig. 3 weist die Kreisscheibe 20 eine derartige Dimension auf und ist in derartiger Weise exzentrisch zur Kurbelwellenachse 26 versetzt, daß zum einen, - in Bild 3 unten - die Umfangsfläche der Kurbelwelle 18 und Kreisscheibe 20 eine sich parallel zur Kurbelwellenachse erstreckende Umfangslinie gemeinsam haben und zum anderen - in Fig. 3 Mitte - die Achse 28 der Kreisscheibe 20 auf der gegenüberliegenden Umfangslinie der Kurbelwelle 18 liegt. Die Exzentrizität beträgt somit einen halben Kurbelwellendurchmesser. Die Kreisscheibe 20 besitzt gegenüber herkömmlichen, gekröpften Kurbelwellen einen vergrößerten Umfang, so daß bei einer Belastung des Antriebsblocks 22 die Kraft pro Flächeneinheit reduziert ist. Bei Zwischenschaltung eines geeigneten Lagers, insbesondere eines Wälzlagers, zwischen Kreisscheibe 20 und Antriebsblock 22, kann die Reibung - wie bereits erwähnt - nochmals erheblich vermindert werden.

Die Kreisscheibe 20 kann wahlweise auch mit anderer Exzentrizität angeordnet werden. Wichtig für die Verwendung eines Wälzlagers ist jedoch, daß der Umfang der Kreisscheibe 20 immer radial außerhalb der Kurbelwelle angeordnet ist. Dadurch kann ein Wälzlager - im Gegensatz zu einer herkömmlichen Ausführung einer gekröpften Kurbelwelle - problemlos auf die Kreisscheibe 20 aufgebracht werden.

Beaufschlagt ein Kolben über das jeweilige Kraftübertragungselement 32 und den Antriebsblock 22 die Kreisscheibe 20 in Richtung senkrecht zur Kurbelwellenachse 26, so wird auf die Kurbelwelle 18 ein Drehmoment ausgeübt, welches diese in Drehbewegung versetzt.

In Fig. 4a sind die in Fig. 2 dargestellte Einheit aus zwei diametral gegenüberliegenden Kolben 16, welche durch die Verbindungselemente 34 miteinander gekoppelt sind, sowie der in Fig. 3 auf der Kreisscheibe 20 gelagerte Antriebsblock 22 miteinander kombiniert, wobei der Antriebsblock 22 spielfrei zwischen zwei gegenüberliegenden Kraftübertragungselementen aufgenommen ist.

Dabei erstreckt sich die Kurbelwelle 18 durch das in den Verbindungselementen 34 ausgebildete und sich in Bewegungsrichtung des Kolbens 16 erstreckende Langloch 44 berührungsfrei hindurch, wobei die Verbindungselemente 34 berührungsfrei mit geringem Abstand an der Kreisscheibe 20 und dem Antriebsblock 22 oder an einem anderen Verbindungselement 34 vorbeigeführt sind.

Bei den Ausführungsformen der Verbindungselemente 34 gemäß den Fig. 8a bis 8c ist die Kurbelwelle an den jeweiligen Verbindungselementteilen berührungslos vorbei- bzw. zwischen diesen hindurchgeführt.

Die in Fig. 4a dargestellte Einheit ist in Fig. 4b um 90° gekippt. Deutlich sind in dieser Figur links und rechts die Kolben 16 zu erkennen, welche über ihre Kraftübertragungselemente 32 am Antriebsblock 22 anliegen. In Richtung der Kurbelwellenachse geringfügig in Axialrichtung beabstandet sind am Antriebsblock 22 zwei beidseits der Kreisscheibe 20 angeordnete, flache Verbindungselemente 34 vorbeigeführt, welche die beiden diametral gegenüberliegenden Kolben 16 miteinander verbinden.

Gegenüber Fig. 4a ist in Fig. 4b (strichlinierter Kreis) ein weiterer Zylinder schematisch angedeutet, der sich über bzw. unter der Kurbelwelle 18 befindet. Dessen Kolben 16 ist ebenfalls mit einem diametral gegenüberliegenden Kolben durch zwei weitere jeweils beidseits der Kreisscheibe 20 angeordnete, flache Verbindungselemente 34 gekoppelt, die wiederum axial in Richtung der Kurbelwelle geringfügig beabstandet außerhalb der Verbindungselemente 34 der vorgenannten Kolbeneinheit vorbeigeführt sind. In Fig. 4b verlaufen diese Verbindungselemente in bzw. aus der Bildebene. Gemäß Fig. 4b sind die Verbindungselemente 34 symmetrisch zur Kreisscheibe 20 angeordnet. Würde ein weiteres Kolbenpaar - beispielsweise bei einem Sechszylindermotor - auf die gleiche Kreisscheibe 20 der Kurbelwelle 18 wirken, dann wären die hierfür erforderlichen Verbindungselemente wieder in symmetrischer Weise mit geringem Abstand axial in Richtung der Kurbelwelle außerhalb der zuletzt genannten Verbindungselemente 34 angeordnet.

In Fig. 1 ist die aus zwei in Fig. 2 dargestellten und senkrecht zueinander angeordneten Bauteilen kombinierte Einheit gezeigt, wobei der Antriebsblock 22 spielfrei zwischen vier Kraftübertragungselementen 32 aufgenommen ist. In dieser Figur befindet sich die Hubkolbenmaschine 10 in einem Bewegungszustand, in dem der obere Kolben 16 den oberen Totpunkt, der untere Kolben 16 den "unteren" Totpunkt sowie die beiden seitlich angeordneten Kolben den zugeordneten Zylinder 14 jeweils auf halbem Weg durchlaufen. Wird - wie in Fig. 1 und Fig. 5a dargestellt ist - die Zündvorrichtung 36 der oben angeordneten Kolben-Zylinder-Anordnung gezündet, so wird durch die Expansion des Verbrennungsgemisches vom oberen Kolben 16 über das zugeordnete Kraftübertragungselement 32 eine Kraft nach unten (in Fig. 1 und 5a) auf den Antriebsblock 22 ausgeübt, so daß dieser unter Drehung der Kurbelwelle 18 nach unten und gleichzeitig (siehe Fig. 5a bis 5d) nach rechts gedrängt wird. Dabei verschieben sich Antriebsblock 22 und Kolben 16 relativ zueinander seitlich, wobei die Stützflächen 33 der Kraftübertragungselemente 32 sowie die Anlageflächen des Antriebsblocks 22 übereinander hinweggleiten.

In den Fig. 5a bis 5d ist beim Betrieb der Hubkolbenmaschine als Zweitakt-Motor der Ablauf einer Drehung der Kurbelwelle um 360° dargestellt. Die Fig. 5a entspricht der Fig. 1, die bereits soeben erläutert wurde. Die Kurbelwellen-Rotationsrichtung sowie die Kolben-Bewegungsrichtung sind dabei durch die Pfeile 46 bzw. 48 dargestellt.

In Fig. 5b hat sich der Kolben I durch Expansion des Brennstoffgemisches um etwa die Hälfte seines Weges nach unten bewegt und dabei die Kurbelwelle unter Zwischenschaltung der Kreisscheibe 20 sowie des Antriebsblocks 22 um 90° im Uhrzeigersinn gedreht. Nunmehr befindet sich der Kolben II in seinem (in Fig. 5b) rechten Totpunkt und wird gezündet. Von Fig. 5b zu Fig. 5c hat sich der Kolben II aus seiner rechten Totpunktposition um etwa die Hälfte seines Weges nach links bewegt, während der Kolben I unter vollständiger Expansion des Verbrennungsgases an seinem unteren Totpunkt angelangt ist. Die Kreisscheibenachse 28 befindet sich nunmehr an ihrem untersten Punkt, und die Kurbelwelle 18 ist gegenüber Fig. 5a um 180° gedreht. Durch sukzessives Zünden des Brennstoffgemisches in den den Kolben III und IV zugeordneten Verbrennungsräumen 38 (Fig. 5c und 5d) wird eine vollständige Rotation der Kurbelwelle 18 um 360° abgeschlossen, wobei sich an Fig. 5d wieder Fig. 5a anschließt.

Bei einer Drehung der Kurbelwelle 18 um 360° bewegt sich der Antriebsblock 22 im Bewegungsraum 40 des Gehäuses 12 einmal längs einer Kreisbahn, ohne sich jedoch dabei zu drehen.

Die Längsführung der Kolben 16 bzw. der aus zwei diametral gegenüberliegenden Kolben 16 sowie den Verbindungselementen 34 bestehenden Einheit wird von den Zylindern 14 und nicht vom Antriebsblock 22 übernommen. Dieser dient nur zur Kraftübertragung von den Kolben 16 auf die Kreisscheibe 20, wobei auf eine möglichst leichtgängige seitliche Verschiebung zwischen dem jeweiligen Kraftübertragungselement 32 und dem Antriebsblock 22 zur Reduzierung der Reibung geachtet werden soll.

Die Tiefe, d. h. Axialerstreckung, der Hubkolbenmaschine in Richtung der Kurbelwelle 18 entspricht im wesentlichen der Breite der Kolben-Zylinder-Einheit, so daß eine äußerst kompakte Bauweise möglich ist.

Um eine vorzeitige Abnutzung der miteinander in Eingriff stehenden Elemente von Antriebsblock 22 und Kolben 16 zu verhindern, können deren Lager bzw. deren Gleitflächen zumindest teilweise gehärtet sein.

In den Fig. 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Hubkolbenmaschine dargestellt. Diese umfaßt drei - also eine ungerade Anzahl von - Kolben-Zylinder-Anordnungen. Von den drei Kolben-Baueinheiten ist eine in Fig. 7 dargestellt.

Diese umfaßt - wie auch bei den vorherigen Ausführungsbeispielen - einen Kolben 16 mit einem Kraftübertragungselement 32, das mit seiner Stützfläche 33 an einer zugeordneten Anlagefläche des Antriebsblocks 22 anliegt. Wiederum mit dem Kraftübertragungselement 32 verbunden ist ein Verbindungselement 34, das in Fig. 7 besonders hervorgehoben ist. Das Verbindungselement 34 umfaßt einen in etwa ovalen Ringteil, an dessen Schmalseiten jeweils sich gegenüberliegenden Befestigungsflansche angeordnet sind. Mit jeweils einem Befestigungsflansch sind die Verbindungselemente 34, von denen nur eines dargestellt ist, beidseitig mit einem zugeordneten Kolben 16 bzw. mit dessen zugeordneten Kraftübertragungselement 32 verbunden.

Genau wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen weist auch hier das Verbindungselement ein sich in Bewegungsrichtung des zugeordneten Kolbens 16 erstreckendes Langloch 44 auf, das nunmehr innerhalb des ovalen Ringteils ausgebildet ist. Durch das Langloch 44 ist die Kurbelwelle 18 berührungslos hindurchgeführt. Gegenüberliegend dem Kolben ist am anderen Befestigungsflansch des Verbindungselements 34 ein zylindrisches Abstützelement bzw. Führungselement 52 vorgesehen. Dieses Führungselement 52 weist ebenso wie das Kraftübertragungselement 32 eine Stützfläche 33 auf. Der Antriebsblock 22 ist also bei dieser Ausführungsform zwischen den beiden Stützflächen des Kraftübertragungselements 32 und des gegenüberliegend angeordneten Führungselements 52 spielfrei aufgenommen.

Wie bei den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist auch hier das Verbindungselement 34 in axialer Richtung der Kurbelwelle mit geringem Abstand am Antriebsblock 22 vorbeigeführt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 sind drei der Kolbeneinheiten, wie in Fig. 7 dargestellt, jeweils um 120° winkelbeabstandet im Gehäuse 12 der Hubkolbenmaschine angeordnet. Dabei wird das Führungselement 52 in einer Führungsausnehmung 54 des Gehäuses 12 gelagert. Die Führungsausnehmungen 54 sind derart angeordnet und ausgebildet, daß sich die zugehörigen Führungselemente 52 möglichst reibungsfrei in Kolben-Bewegungsrichtung verschieben lassen.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Verbindungselemente, von denen an jedem Kolben zwei vorgesehen sind, axial nahe am Antriebsblock 22 bzw. auch an anderen Verbindungselementen 34 vorbeigeführt.

Alternativ ist es möglich, den Kolben in seiner axialen Richtung zu verlängern. Dann kann der längere Kolben die Führungsfunktion allein übernehmen, so daß auf das zylindrische Führungselement 52 verzichtet werden kann.

In analoger Weise können auch Hubkolbentriebwerke mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern, beispielsweise einem Fünf- Zylinder-Triebwerk oder einem Sieben-Zylinder-Triebwerk, ausgebildet werden.

Die Triebwerke mit einer ungeraden Anzahl von Zylindern haben den Vorteil, daß bei einer Zündung der - in Drehrichtung der Kurbelwelle gesehen - jeweils übernächsten Kolben-Zylinder- Anordnung ein Vier-Takt-Betrieb problemlos möglich ist.

Alle vorgenannt beschriebenen Hubkolbenmaschinen haben den Vorteil, daß gegenüber herkömmlichen Hubkolbenmaschinen oder Verbrennungs-Motoren auf ein Pleuel verzichtet werden kann. Dadurch ist eine erheblich niedrigere Bauhöhe des Motorblocks und, als Folge davon, ein niedrigeres Gewicht und ein geringerer Kraftstoffverbrauch erzielbar.

Darüber hinaus wird durch die reine Sinus-Bewegung der bewegten Massen ein guter, sogar ein hundertprozentiger Massenausgleich möglich.

Im übrigen können gegenüber einer herkömmlichen Hubkolbenmaschine die Lager auf zwei Hauptlager für die Kurbelwelle sowie ein "Pleuellager" - nämlich das Lager zwischen Antriebsblock 22 und Kreisscheibe 20 - reduziert werden. Diese Lagerstellen können zusätzlich noch als Wälzlager - im Gegensatz zu den bisher üblichen Gleitlagern - ausgeführt werden (siehe auch Fig. 6). Die dadurch erzielte Reibungsreduktion wirkt sich ebenfalls positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus.

Insgesamt ist eine Hubkolbenmaschine geschaffen, bei der unter kompakter und kleiner Dimensionierung sowie herstellungs- und wartungstechnisch einfacher Bauweise die Anordnung auch einer großen Zylinderzahl in einer Radialebene möglich ist, wobei die Reibung im Betrieb klein gehalten werden kann.

Das Grundprinzip der Erfindung läßt sich mit anderen Worten nochmals wie folgt festhalten:
Die Hubkolbenmaschine umfaßt ein Getriebe zum Umwandeln einer drehenden Bewegung in eine hin- und hergehende Bewegung und umgekehrt. Dabei sind zwei in Umfangsrichtung des exzentrischen Teils einer Kurbelwelle diametral gegenüberliegende Druckteile zur Übertragung von Kräften auf den exzentrischen Teil der Kurbelwelle und zwei Verbindungsteile vorgesehen, welche die Druckteile starr miteinander verbinden, so daß die mit dem exzentrisches Teil der Kurbelwelle in Wirkverbindung stehenden Druckteile gleichsinnig hin- und herbewegt werden. Die Verbindungsteile sind sehr nahe an einer in Axialrichtung der Kurbelwelle liegenden im wesentlichen ebenen Seitenfläche des exzentrischen Teils der Kurbelwelle vorbeigeführt.

Bei der vorgenannt erläuterten Konstruktion ergibt sich ein erheblicher Kostenvorteil bei der Produktion einer Hubkolbenmaschine sowie ein besonders wirtschaftlicher Betrieb.

Bezugszeichenliste

10 Hubkolbentriebwerk
12 Gehäuse
14 Zylinder
16 Kolben
18 Kurbelwelle
20 Kreisscheibe
22 Antriebsblock
24 Bohrung
26 Kurbelwellenachse
28 Kreisscheibenachse
30 Wirkflächen des Antriebsblocks
32 Kraftübertragungselement oder Kolbenelement
33 Wirkflächen des Kraftübertragungselements
34 Verbindungselement
36 Zündvorrichtung
38 Verbrennungsraum
40 Bewegungsraum für den Antriebsblock
44 Langloch
46 Kurbelwellenrotationspfeil
48 Kolbenbewegungsrichtungspfeil
50 Schraube
52 Führungselement
54 Führungsausnehmung

Claims (11)

1. Hubkolbenmaschine mit einem Getriebe zum Umwandeln einer drehenden Bewegung in eine hin- und hergehende Bewegung oder umgekehrt, bestehend aus zwei in Umfangsrichtung eines exzentrischen Teils einer Welle diametral gegenüberliegenden Kraftübertragungselementen (32) zur Kraftübertragung zwischen dem exzentrischen Teil einer Welle (18) und den Kolben (16) und mindestens einem Verbindungselement (34), welches die Kraftübertragungselemente (32) starr miteinander verbindet, so daß die mit dem exzentrischen Teil der Welle (18) in Wirkverbindung stehenden Kraftübertragungselemente (32) gleichsinnig hin- und herbewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (34) sehr nahe an einer in Achsrichtung der Welle (18) liegenden im wesentlichen ebenen Seitenfläche des exzentrischen Teils der Welle vorbeigeführt ist.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einem Kolben (16) zugeordnete Verbindungselement (34) aus jeweils zwei in Axialrichtung der Wellenachse (26) voneinander beabstandeten Verbindungsteilen besteht, von denen jedes sehr nahe an jeweils einer der beiden Seiten des exzentrischen Teils der Welle (18) vorbeigeführt ist.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbindungselement (34) gegenüberliegend dem mit dem Verbindungselement (34) verbundenen Kolben (16) ein Abstützelement (32, 52) angeordnet ist, welches sich gegen einen Antriebsblock (22) abstützt, wobei der Antriebsblock (22) jeweils zwischen einem Kolben (16) und dem zugeordneten Abstützelement (32, 52) im wesentlichen spielfrei jedoch relativ zu diesen verschiebbar aufgenommen ist.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Mehrzahl von Kolben-Zylinder-Anordnungen diese um die gemeinsame Welle (18) herum in gleichem Winkelabstand und in einer gemeinsamen Radialebene der Welle (18) angeordnet sind.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer geraden Anzahl von Kolben-Zylinder-Anordnungen jeweils diametral angeordnete Kolben (16) durch das als Stützelement wirkende Verbindungselement (34) starr miteinander verbunden sind, wobei jeweils ein Kolben (16) in Bezug auf den diametral gegenüberliegenden Kolben (16) die Funktion eines Abstützelements (32) übernimmt.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (34) im wesentlichen gerade ausgebildet und in Richtung der zwischen den miteinander zu verbindenden Abstützelementen (32, 52) und Kolben (16) oder Kolben (16) untereinander wirkenden Zug- und Druckkräfte ausgerichtet sind.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (34) derart flach ausgebildet sind, daß sich bei der für die zu erwartende Belastung erforderlichen Stabilität eine möglichst geringe Ausdehnung der Gesamtanordnung in Axialrichtung der Welle (18) ergibt.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungselement (34) jeweils eine langlochartige Ausnehmung (44) ausgebildet ist, durch die sich die Welle (18) in jeder Position der Kolben (16) berührungsfrei hindurch erstreckt.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der exzentrische Teil der Welle (18) durch eine exzentrisch zur Wellenachse (26) angeordnete Kreisscheibe (20) gebildet ist, die in einer zentrisch im Antriebsblock (22) angeordneten Bohrung (24) drehgelagert aufgenommen ist.

10. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisscheibe (20) derart exzentrisch zur Welle (18) angeordnet ist, daß ihre Umfangsflächen eine sich parallel zur Wellenachse (26) erstreckende Umfangslinie gemeinsam haben.

11. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Welle (18) und Antriebsblock (22) und/oder zwischen Antriebsblock (22) und Kolben (16) ein Wälzlager vorgesehen ist.