DE19724225A1 - Steuerbarer Kurbelradius eines Hubkolbenverbrennungsmotors - Google Patents

Steuerbarer Kurbelradius eines Hubkolbenverbrennungsmotors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, in welchem der Zeit­ punkt des minimalen Brennkammervolumens gleichbedeutend mit einem Kurbelwinkel größer 0° ist Es ist bekannt, daß der Kurbeltrieb eines Hubkolbenmotors aus den Hauptbestandteilen Kolben 1, Pleuel­ stange 2 und Kurbelwelle 3 besteht, wobei es unerheblich ist, ob es sich um zweitakt-, Viertakt-, Otto- oder Dieselmotoren mit Selbst- oder Fremdzündung handelt.
Der Arbeitstakt des Hubkolbenmotors beginnt mit der Zündung des Kraftstoffluftgemisches. Der dadurch entstehende Verbrennungsdruck bewegt den Kolben vom "oberen Totpunkt" in Richtung "unteren Totpunkt" Diese Kolbenkraft wird zerlegt in die Seitenkraft FN⁻ wirkt senkrecht auf die Zylinderwand - und die Pleuel­ stangenkraft FPL, die in Richtung der Pleuelstange auf den Kurbelzapfen der Kurbelwelle wirkt.
Die Pleuelstangenkraft wird zerlegt in die Radialkraft Frad, welche auf die Kurbelwellenlager wirkt und die Tangentialkraft FT, die am Umfang des Kurbelkreises wirkt.
Da die Tangentialkraft proportional dem wirkenden Drehmoment ist (Drehmoment=Tangentialkraft × Kurbel­ radius), ist es wünschenswert, möglichst viel des durch die Zündung im Verbrennungsraum hervorgerufenen Gasdruckes als Tangentialkraft zu nutzen.
Wie allgemein bekannt ist haben alle Hubkolbenmotoren eine Gemeinsamkeit, nämlich der größte Druck und damit die größte Kolbenkraft wirkt immer kurz nach dem oberen Totpunkt des Kolbens, was bei her­ kömmlichen Motoren gleichbedeutend ist mit einem Kurbelwinkel von ca. 10° ist.
Bei einem Kurbelwinkel von 10° und einem im modernen Motorenbau üblichen Pleuelstangenverhältnis (Verhältnis Kurbelradius zur Pleuelstangenlänge) von 0,21 bis 0,33 werden allerdings nur ca. 22% der Pleuel­ stangenkraft in Tangentialkraft umgesetzt, der größere Rest wirkt als Radialkraft auf die Kurbelwellenlager. Berechnungen mit dem Kurbelradius r = 22° und der Pleuellänge l = 85 mm haben ergeben, daß nur im Bereich der Stellung des Kurbelwinkels von ca. 55°-95° eine Auslastung der Kolbenkraft als Tangential­ kraft von über 90% gegeben ist, allerdings hat sich bei diesem Kurbelwinkel der Gasdruck von seinem Höchstdruck bereits auf 60-35% reduziert. Um bessere Werte hinsichtlich der Brennstoffausnutzung bzw. der am Kurbeltrieb wirkenden Kräfte zu erhalten, ist es wünschenswert, gerade die hohen Drücke kurz nach dem Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in Tangentialkraft umsetzen zu können.
Zu erreichen ist dies mit einem Kurbeltrieb in welchem der Kurbelradius in seiner Größe veränderlich ist. Mit einer Kurbelwelle in ihrer stofflichen Einheit von Kurbelwange 4, Kurbelzapfen 5 und Wellenzapfen 6 ist das nicht realisierbar, deshalb wird die Kurbelwelle in für jeden Zylinder 3 Bestandteile geteilt.
Beidseitig des Zylinders werden wie bisher je ein Wellenzapfen 6 mit Kurbelwange 4 am Motorblock befestigt, die Kurbelwangen 4 haben keine stoffschlüssige Verbindung mehr mit mit den Kurbelzapfen 5, sondern sind je mit einem Langloch 8 versehen, welche in ihrer Längsachse strahlenförmig vom Kurbelwangenmittelpunkt zum Kurbelwangenrand angeordnet sind und dem Kurbelzapfen 5 die Möglichkeit bieten, den Kurbelradius je nach Bedarf zu verkleinern oder zu vergrößern (Fig. 1 und 2).
Durch diese Konstruktion ist der Kurbelradius nun keine feste Größe mehr, sondern veränderlich, wobei sich der Kurbelzapfen 5 auf einem minimalen, dem Kurbelinnenradius ri, auf einem maximalen Radius, dem Kurbelaußenradius ra, oder dazwischen bewegt. Da der Kurbelzapfen 5 nun kein fester Bestandteil der Kurbelwelle mehr ist,muß er durch schrumpfen, schrauben oder andere Verbindungstechnologien an dem Pleuel 2 derart gesichert werden, daß ein Verschieben oder Verrutschen nicht mehr möglich ist.
Die Steuerung erfolgt über zwischen den Kurbelwangen 4 und dem Kurbelgehäuse 9 angeordneten Führungen 7 (Fig. 3 und 4),- welche auf den in der Kurbelwange 4 beweglichen und seitlich über die Kurbelwange 4 hinausragenden Kurbelzapfen 5 (Fig. 5) dahingehend Einfluß nehmen, daß der Kurbelzapfen sich zwangsweise auf dem gewünschten Kurbelradius bewegt.
Fig. 6 zeigt einen Satz von 4 Diagrammen (A, B, C, D) mit der oberen Linie a für die Größe des Gasdruckes während eines Arbeitsspiels im Zylinder und der unteren Linie b für die entsprechende Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kraft als Tangentialkraft FT bei den entsprechenden Kurbelwinkeln.
Durch Kräfteberechnungen an einem Kurbeltrieb mit den Maßen Pleuellänge 85 mm, Kurbelradius 22 mm ergeben sich die im Diagramm A eingetragenen Werte bei einem herkömmlichen Motor ( d. h. oberer Tot­ punkt des Kolbens Kurbelradius 0°)
Im Diagramm B ist der obere Totpunkt des Kolbens gleichbedeutend mit einem Kurbelwinkel von 10°. Im Diagramm C ist der obere Totpunkt des Kolbens gleichbedeutend mit einem Kurbelwinkel von 20° und das Diagramm D zeigt die Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kräfte bei einem Kurbelwinkel von 30° und gleichzeitig minimalem Brennkammervolumen.
Verwandelt man die Fläche unter der Linie b in ein Rechteck- so stellt man fest, daß sich die Ausnutzung des Gasdruckes um mindestens 20% erhöht wenn eine Möglichkeit gefunden wird bei minimalem Brennkammer­ volumen einen Kurbelwinkel von 25°-30° zu erreichen.
(Vergleiche Fig. 6 Diagramm A und D).
Aus diesem Grund muß die Größe des Kurbelinnen- und des Kurbelaußenradius in Abhängigkeit von Pleuel­ länge und des Kurbelradius für jede Motorbaureihe eigenständig errechnet werden. Für den hier beschriebenen Kurbeltrieb mit einer Pleuellänge von 85 mm und einem Kurbelradius von 22 mm wäre der Kolben 1 bei einem Kurbelwinkel von 30° schon wieder ca. 3,66 mm in Richtung unteren Totpunkt (maximalen Brenn­ kammervolumen). Berechnungen mit Winkelfunktionen haben ergeben, daß der Kurbelaußenradius ca. 4,1 mm größer und der Kurbelinnenradius ca. 3,6 mm kleiner als der Kurbelradius sein muß. Bei dieser Bauweise kann der Kurbelzapfen 5 ab einem Winkel von 260° so auf einer elliptischen Bahn vom Kurbelaußenradius über den Kurbelinnenradius (bei ca. 330°) wieder auf den Kurbelaußenradius geführt werden, daß der obere Totpunkt (minimales Brennkammervolumen) nicht bei 0°, sondern erst bei ca. 18° erreicht wird (Fig. 7 Ansicht A). Ab einem Kurbelwinkel größer als 27° muß der Kurbelzapfen 5 nicht mehr geführt werden, da unabhängig von der Größe der Pleuelstangenkraft FPL ab 27° Kurbelwinkel die Tangentialkraft FT größer ist als die Radialkraft Frad (bei der angegebenen Pleuellänge und Kurbelradius).
Dadurch wird ab diesem Zeitpunkt der größte Teil der als Verbrennungsdruck zur Verfügung stehenden Kolbenkraft F als Tangentialkraft FT genutzt und der Kurbelzapfen 5 gezwungen, sich auf dem Kurbelaußen­ radius ra zu bewegen.
Auch in den Arbeitstakten Verdichten bzw. Ausstoßen wird der Kurbelzapfen 5 durch die Kolbenkraft ge­ zwungen, sich auf dem Kurbelaußenradius zu bewegen.
Je nach Bauart des Motors bezüglich Hublänge oder Drehzahlhöhe ist eine Steuerung des Kurbelzapfens 5 durch die beschriebene Führung 7 auf den verschiedensten Bahnen denkbar, so auch eine fast elliptische Bahn, auf welcher die Hauptscheitelpunkte bei ca. 30° und 210° auf dem Kurbelaußenradius liegen.
Der auf den Kolbenboden wirkende Druck im Arbeitstakt "Verdichten" bzw. bei einem 4-Taktmotor in den Arbeitstakten "Verdichten" und "Ausstoßen" der verbrannten Gase ist nicht dem Drehmoment entgegen­ gesetzt, da die Führung 7 des Kurbelzapfens 5 bewirkt, daß die Kräfte nicht auf die Kurbelwangen 4 wirken, sondern über Pleuel 2, Kurbelzapfen 5 auf die im Kurbelgehäuse 9 angebrachte Führung 7 Bei Mehrzylindermotoren sind die Kurbelwangen 4 der nebeneinanderliegenden Verbrennungsräume 10 durch den Wellenzapfen 6 stofflich miteinander verbunden (Zeichnung 7).
Um einen leichten Lauf des Kurbeltriebes zu gewährleisten, ist es empfehlenswert, den Kurbelzapfen 5 in dem Bereich der Führungen 7 mit Kugellagern, Nadellagern oder Gleitlagern auszustatten.
Vorteile dieser Erfindung sind:
  • 1. Bessere Ausnutzung des Verbrennungsdruckes als Tangentialkraft.
  • 2. Hohe Drücke auf die Kurbelwellenlager werden vermieden, da die Radialkraft in Tangentialkraft umge­ wandelt wird.
  • 3. Bei gleicher Baugröße der Motoren ein größeres Drehmoment durch die Zündung bzw. Einspritzbeginn bei einem Kurbelwinkel von größer 0°.
  • 4. Größeres Drehmoment durch Vergrößerung des Kurbelradius während des Arbeitstaktes.
  • 5. Durch längere Verdichtungszeit bessere Durchmischung der Kraftstoffieilchen mit Luft.
  • 6. Leichtere Bauweise der Motoren möglich.
  • 7. Es ist von Vorteil, die Führung des Pleuelkolbens drehbar anzuordnen, um eine drehzahlabhängige Steuerung vornehmen zu können.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben eines Ein- oder Mehrzylinder-Hubkolbenmotors mit Fremd- oder Eigenzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zwei- oder Viertaktverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbeltrieb dahingehend ausgeführt wird, daß zum Zeitpunkt des oberen Totpunktes des Kolbens 1, d. h. dem Punkt des minimalen Brennkammervolumens, der Kurbelradius größer als 0 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwangen 4 mit einem Langloch ver­ sehen sind, wodurch der Kurbelradius eine veränderliche Größe wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle 3 keine stoffliche Einheit mehr bildet, sondern bei Einzylindermotoren aus 2 Wellenzapfen 6 mit Kurbelwange 4 besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle 3 bei Mehrzylinder­ motoren keine stoffliche Einheit bildet, sondern aus Wellenzapfen 6 mit Kurbelwange 4 für den 1. und letzten Verbrennungsraum 10 und aus Wellenzapfen 6 mit 2 Kurbelwangen 4 für je 2 nebeneinander­ liegende Verbrennungsräume 10 besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung von Kurbelwange 4 zu Kurbelwange 4 eines jeweiligen Arbeitszylinders über den in den Langlöchern der Kurbelwange 4 beweg­ lichen und am Pleuelfuß befestigten Kurbelzapfen 5 erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Verbrennungsraum 10 2 Führungen 7 dahingehend auf den Kurbelzapfen 5 Einfluß nehmen, daß bei Erreichen des minimalen Brennkammervolumens der Kurbelradius des entsprechenden Arbeitszylinders größer als 0° ist.
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