DE2417202A1 - Kleinbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

PATENTANWALT DR-ING. KLAUS DURM KARLSRUHE FELIX-MOTTL-STRASSE 1 a TELEFON 590455 9 A 1 7202

M 1471/74
21. März 1974

Günter Moos, Ing. (grad.)
Maschineningenieur

75 Karlsruhe
Turnerstraße 9

Kleinbrennkraftraaschine

Es handelt sich im Folgenden um eine Kleinbrennkraftmaschine, mit einer in einem Kurbelgehäuse gelagerten Welle und wenigstens einem am Kurbelgehäuse angesetzten Zylinder, in dem sich ein Kolben bewegt, welcher mittels eines mit dem Kolben verbundenen und an der Welle angreifenden Pleuels die Welle in Drehung versetzt.

Die vorgeschlagene Kleinbrennkraftmaschine findet insbesondere Anwendung bei Flugzeug- und Schiffsmodellen, sowie zum Antrieb von transportablen Sägen, Pumpen, Stromerzeugern u.a.m. Die Neuerung bezieht sich sowohl auf Zwei- und Viertakt-Motoren wie auf Motoren mit Fremd- und Selbstzündung, welche einen oder mehrere Zylinder aufweisen, die luft- oder wassergekühlt sind.

Bei Brennkraftmaschinen ist (abgesehen von den sogenannten Taumelscheibenmotoren) bekanntlich der Zylinder im rechten Winkel zur Antriebswelle angeordnet und die Antriebswelle

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ist im Bereich des Zylinders gekröpft, d.h. sie besitzt dort eine U-förmige Ausbiegung mit einem Zapfen, der für den Anschluß der Pleuelstange ausgebildet ist, welche die Verbindung mit dem im Zylinder gleitenden Kolben herstellt. Mit Hilfe von Pleuelstange und der Kröpfung der Antriebswelle wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Antriebswelle umgesetzt. Die Herstellung eines derartigen Kurbeltriebes ist recht aufwendig und wirft, insbesondere bei schneilaufenden Brennkraftmaschinen, eine Reihe von Problemen wie zum Beispiel den Ausgleich der Massenkräfte, die Schmierung der aufeinander gleitenden Teile, die mechanische Festigkeit u.a. auf. Für viele Anwendungen von Brennkraftmaschinen ist die rechtwinkelige Anordnung von Zylinder und Antriebswelle von Nachteil, weil sie eine Bauhöhe beansprucht, die in manchen Fällen erhebliche Einbauschwierigkeiten bereitet, dies gilt insbesondere für Kleinbrennkraftmaschinen, welche in jüngster Zeit zum Antrieb von Spielzeugen und kleinen Geräten zunehmende Verbreitung gefunden haben, und hier greift die Neuerung ein.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kleinbrennkraftmaschine vorzuschlagen, die eine niedrige Bauhöhe aufweist, die einfach und daher preiswert herstellbar ist und bei welcher der Ausgleich der Massenkräfte unproblematisch ist.

Diese Aufgabe wird an einer Kleinbrennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Achse des Zylinders unter einem stumpfen Winkel zur Welle geneigt ist, daß an der Welle eine Stirnkurbel vorgesehen ist, und daß das Pleuel an Stirnkurbel und Kolben mittels Kugelgelenken befestigt ist. Durch den zur Welle geneigten Zylinder ergibt sich eine Verringerung der Bauhöhe der Maschine. Der geneigte Zylinder läßt außerdem eine sehr kompakte Bauweise

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zu, weil der Kolben im unteren Totpunkt bis zur Achse der Welle herabgeführt werden kann; diese kompakte Bauweise führt zu einem vergleichsweise geringen Gewicht des Motors. Weil sich der Schwerpunkt des Pleuel im wesentlichen auf einer Kreisbahn bewegt, ist die radiale Auswuchtung leicht durchführbar. Bei der Bewegung des Kolbens ändert sich dessen Radialkraft entsprechend einer Spirale, dies wirkt sich insbesondere bei der Abwärtsbewegung während des Arbeitstaktes im Hinblick auf verminderten Verschleiß von Kolben- und Zylinderwand positiv aus. Da sich der Auspuffstutzen so anordnen läßt, daß er in Richtung zur Welle zeigt, ergibt sich ein weiterer, insbesondere bei Flugzeugmodellen ins Gewicht fallender Vorteil: Die Abgase können durch den Flugzeugrumpf hindurch direkt nach unten - gegebenenfalls über einen Schalldämpfer - abgeleitet werden.

Nach einem weiteren erfinderischen Merkmal des Vorschlages ist die Welle mit der Stirnkurbel axial verschiebbar angeordnet. Bei einer geringen Verschiebung der Welle kann bei laufendem Motor die Verdichtung in einem weiten Bereich verändert werden. Zweck dieser Verdichtungsänderung ist die Konstanthaltung des maximalen Verbrennungsdruckes im Zylinder; bei geringer Verdichtung läßt sich eine niedrige Leerlaufdrehzahl, und bei hoher Verdichtung eine große Vollgasleistung erreichen. Dies fällt insbesondere bei Kleinstmotoren'im Bereich ihrer über 10 000 Umdrehungen/Minute liegenden Maximaldrehzahlen ins Gewicht. Gegenüber anderen, bekannten Lösungen zur Veränderung des Brennraumes - beispielsweise mit einem Hilfskolben - ist der vorliegende Vorschlag erheblich einfacher. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Neuerung ist die Stirnkurbel als Kurbelscheibe ausgebildet. Diese Kurbelscheibe erlaubt einen besonders einfach ausführbaren Massenausgleich.

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Eine erfinderische Ausführungsform der Kleinbrennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel die Gestalt einer Hantel aufweist und an seinen beiden Enden jeweils einen endständigen Kugelkopf trägt, und daß an der Kurbelscheibe und im Innern des Kolbens eine Kugelpfanne vorgesehen ist, in welcher die Kugelköpfe gelenkig sitzen. Es hat sich gezeigt, daß sich ein derartiges Pleuel zusammen mit den Kugelpfannen (deren oberer Rand zur Halterung der Kugelköpfe nur eingebördelt zu werden braucht) ganz besonders einfach und daher preiswert herstellen läßt. Ein besonderer Vorteil bei dieser insbesondere für Kleinstmotoren geeigneten Art von kugelgelenkiger Verbindung von Pleuel und Kolben ist nicht nur ein sehr einfacher Kolben ohne Kolbenbolzen, sondern auch ein völlig symmetrischer Kolben, welcher sich während des Laufes drehen kann , woraus geringer Verschleiß und eine verminderte thermische Belastung resultieren.

Zweckmäßig trägt die Kurbelscheibe eine Umfangsnut, von welcher aus eine Ölbohrung in die Kugelpfanne führt. Damit läßt sich das Kugelgelenk zwischen Pleuel und Kurbelschei— be auf einfachste Weise mit Öl versorgen.

Bei Kleinkraftmaschinen größerer Leistung kann es vorteilhaft sein, wenn das Pleuel am Kolben mit Hilfe eines an sich bekannten Gelenklagers angreift. Mit Hilfe dieses Gelenklagers lassen sich ohne Schwierigkeiten auch höhere Drücke auf das Pleuel übertragen.

Wenn größere Kräfte zu übertragen sind, greift zweckmäßig das Pleuel unter Verwendung eines einen Fuß aufweisenden Gabelkopfes,der mittels eines Zapfens in der Kurbelscheibe drehbar gelagert ist, an der Welle an.

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Zur Verbesserung des Laufs des Fußes auf der Vorderseite der Kurbelscheibe kann zwischen dem Fuß des Gabelkopfes und der Kurbelscheibe ein Axiallager sitzen.

Vorteilhaft beträgt der stumpfe Winkel zwischen der Achse des Zylinders und der Welle einhundertfünfunddreißig Grad. Dieser Winkel ist in mehrfacher Hinsicht von Vorteil: Die Umfassung der Kugelköpfe durch die Kugelpfannen ist während der gesamten Kolbenbewegung optimal (entsprechendes gilt für das Gelenklager und den Gabelkopf), das Verhältnis von Bauhöhe zur Motorlänge ist günstig, bei luftgekühlten Motoren sind - gegenüber etwa stärkerer Neigung des Zylinders die Kühlverhältnisse noch so, daß radial gerichtete Kühlrippen genügen, u.a.m.

Die Neuerung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 die Kleinbrennkraftmaschine in einer

schematischen Darstellung, die Uclle in ihrer vorderen Endstollung, der Kolben am unteren Totpunkt;

Figur 2 die Kleinbrennkraftmaschine nach Figur 1,

den Kolben jedoch am oberen Totpunkt;

Figur 3 die Kleinbrennkraftmaschine entsprechend

Figuren 1 und 2, die Welle in ihrer rückwärtigen Endstellung, der Kolben am unteren Totpunkt;

Figur 4 die Kleinbrennkraftmaschine nach Figur 2,

den Kolben jedoch am oberen Totpunkt;

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Figur 5 eine erste Ausführungsform der Klein

brennkraftmaschine in Gestalt eines für Flugzeugmodelle vorgesehenen Glühkerzen— motors mit kleinem Hubraum, in einem Längsschnitt;

Figur 6 eine zweite Ausführungsform der Kleinbrenn

kraftmaschine in Gestalt eines z.B. für größere Flugmodelle, Pumpen, Sägen oder Stromerzeuger vorgesehenen Glühkerzenmotors, ebenfalls in einem Längsschnitt.

Die in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellte Kleinbrennkraftmaschine weist eine mittels zweier Traglager 1 in einem zylindrischen Kugelgehäuse 2 gelagerte Welle 3, einen am Kopf des Kurbelgehäuses 2 angesetzten, von einem Zylinderkopf 4 abgeschlossenen Zylinder 5 und einen in diesem sich auf und ab bewegenden Kolben 6 auf, der mit Hilfe eines Pleuels 7 die Welle 3 in Drehung versetzt. Am Ende der Welle 3 ist eine Stirnkurbel 8 vorgesehen, und das Pleuel 7 ist sowohl an der Stirnkurbel 8 wie am Kolben 6 mittels Kugelgelenken 9 befestigt. Die Achse 10 des Zylinders 5 ist unter einem stumpfen Winkel 11 von 135 Grad zur Welle 3 geneigt.

Das Pleuel 7 weist die Gestalt einer Hantel auf und trägt an seinen beiden Enden jeweils einen endständigen Kugelkopf 12, 13. Am Stirnzapfen 14 der Stirnkurbel 8 und im Innern des Kolbens 6 ist jeweils eine Kugelpfanne 15, 16 vorgesehen, in welchen die Kugelköpfe 12, 13 sitzen. Die Kugelköpfe 12, 13 bilden zusammen mit den Kugelpfannen 15, 16 die Kugelgelenke 9.

Die Welle 3 ist mit der Stirnkurbel 8 axial verschiebbar

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angeordnet, sie besitzt eine vordere Endstellung, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, und eine rückwärtige Endstellung gemäß den Figuren 3 und 4. Der Zylinder 5 ist so am Kurbelgehäuse 2 angeordnet, daß seine Achse 10 durch den Schnittpunkt 17 der Wellenachse 18 mit der Kurbelebene 19 geht, wenn die Welle 3 sich in ihrer vorderen Endstellung befindet.

Bei der in den Figuren 1-4 dargestellten Kleinbrennkraftmaschine liegen die Achse 10 des Zylinders 5 und die Wellenachse 18 in der selben Ebene; die Achse 10 und die Wellenachse 18 können aber auch in zwei zueinander parallele Ebenen liegen, was zur Folge hat, daß die Radialkraft des Kolbens 6 im Bereich der hohen Kolbengeschwindigkeiten verringert ist.

Befindet sich, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, die Welle 3 in ihrer vorderen Endstellung, dann ist der Brennraum 20 (vgl. Figur 2) der Kleinbrennkraftmaschine klein und der Hub 21 groß. Wird nun - was während des Laufes geschehen kann - die Welle 3 von ihrer vorderen Endstellung in ihre rückwärtige Endstellung (vgl. Figuren 3 und 4) verschoben, dann ändert sich hierbei die Größe des Brennraumes 20 und des Hubes 21: In der rückwärtigen Endstellung der Welle 3 ist der Brennraum 20 am größten und der Hub 21 am kleinsten - vgl. Figur 4 gegenüber Figur 2.

Der Schwerpunkt S des Pleuels 7 bewegt sich, wie aus einem Vergleich der Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, auf einer leicht geneigten Kreisbahn. Dies bedeutet gegenüber den Brennkraftmaschinen, bei welchen die Zylinderachse senkrecht zur Kurbelwellenachse steht und der Schwerpunkt des Pleuels auf einer unsymmetrischen Ellipsenbahn umläuft, eine wesentliche Erleichterung des Auswuchtens.

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Eine erste Ausführungsform einer Kleinbrennkraftmaschine gemäß der Neuerung ist in der Figur 5 im Maßstab 1 : 1 dargestellt. Es handelt sich um einen Zweitakt-Glühkerzenmotor von 10 Kubikzentimetern Hubraum. Bei diesem Motor sind die die Welle 3 im Kurbelgehäuse 2 tragenden Traglager 1 als einreihige Kugel-Querlager ausgebildet. Am Kurbelgehäuse 2 ist ein luftgekühlter, mit Kühlrippen versehener Zylinder 5 angesetzt, in dessen Zylinderkopf eine Glühkerze 23 vorgesehen ist. Das zylinderseitige Ende der Welle 3 ist als der Stirnkurbel 8 entsprechende Kurbelscheibe 24 ausgebildet. Die Welle 3 besitzt im Bereich des Kurbelgehäuses 2 einen vergrößerten Durchmesser und eine zur Kurbelscheibe 24 hin offene Sackbohrung 25, welche einen seitlichen Schlitz 26 aufweist, dem ein am Kurbelgehäuse 2 angesetzter Vergaser 27 gegenübersteht. Im Zylinder 5 befinden sich Überströmkanäle 28 und seitlich sitzt ein Auslaßstutzen 29.

Das Pleuel 7 weist zwei endständige Kugelköpfe 12, 13 auf, die in Kugelpfannen 15, 16 kugelgelenkig gelagert sind; die eine Kugelpfanne 15 ist in die Kurbelscheibe 24 eingelassen, und die andere Kugelpfanne 16 ist im Innern des Kolbens 6 zentral angeordnet befestigt.

Die Kurbelscheibe 24 trägt in ihrer Sackbohrung 25 eine Innennut 30, von der aus eine Ölbohrung 31 in die Kugelpfanne 15 führt.

Der Winkel 11 zwischen der Achse 10 des Zylinders 5 und der Welle 3 beträgt 135 Grad.

Die Welle 3 ist gegenüber dem Kurbelgehäuse 2 axial verschiebbar. Zu ihrer Verschiebung während des Laufes der Kleinbrennkraftmaschine sind in einer Nut 32 im Kurbelgehäuse

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hinter dem zylinderseitigen Traglager 1 zwei konische, nebeneinander liegende Stellringe 33, 34 vorgesehen, deren äußerer, federnd ausgebildeter, 33 geschlitzt ist und von einer radial angreifenden Stellschraube 35 zusammengedrückt werden kann. Wird die Stellschraube 35 hineingedreht, verkleinert sich der Durchmesser des äußeren Stellringes 33; wodurch der innere Stellring 34 in Richtung zum Außenring des Traglagers 1 verschoben wird und dessen Innenring diese Verschiebung auf die Welle 3 überträgt. Mit Hilfe dieser Stellringe 33, 34 wird eine axiale Verschiebung der Welle 3 bewirkt, aus welcher eine Veränderung des Hubs von etwa 0,5 Millimetern und eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses von 7 : 1 auf 14 : 1 resultiert.

Eine entsprechend der Neuerung konzipierte Kleinkraftmaschine mit gegenüber der Welle geneigtem Zylinder kann nicht nur einen, sondern zwei, drei oder noch mehr in gleichem Maße geneigt angeordnete Zylinder aufweisen, wobei entsprechend der Zylinderzahl die Enden der Pleuel an einer Kugelpfanne 15 angreifen.

Eine zweite Ausführungsform einer neuerungsgemaßen Kleinbrennkraftmaschine zeigt die Figur 6 in einem auf die Hälfte verkleinertem Maßstab. Es ist ein Einzylinder—Motor mit zwei Glühkerzen 23 und seitlich am Zylinder 5 angesetztem Vergaser 27, dessen Hubraum 100 Kubikzentimeter beträgt. Aus Gründen vereinfachter Darstellung sind alle die axiale Verschiebbarkeit der Welle 3 bewirkenden Teile weggelassen; der Motor selbst kann die Verschiebbarkeit der Welle 3 aufweisen oder aber nicht.

Bei dieser Ausführungsform ist das Pleuel 7 auf andere Weise am Kolben 6 und an der Kurbelscheibe 24 kugelgelenkig gelagert: Das Pleuel 7 greift am Kolben 6 mit Hilfe eines bekann-

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ten Gelenklagers 36 an, und am anderen Ende des Pleuels befindet sich ein eine Schwenkbewegung erlaubender und mit einem Fuß 37 versehener Gabelkopf 38, der mittels eines zylindrischen Zapfens 39 in der Kurbelscheibe 24 drehbar gelagert ist. Dabei sitzt zwischen dem Fuß 37 des Gabelkopf es 38 ein Axiallager 40.

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Claims (9)

M 1471/74 -11- 21. März 1974 Ansprüche

1.j Klexnbrennkraftmaschine, mit einer in einem Kurbelgehäuse gelagerten Welle und wenigstens einem am Kurbelgehäuse angesetzten Zylinder, in dem sich ein Kolben bewegt, welcher mittels eines mit dem Kolben verbundenen und an der
Welle angreifenden Pleuels die Welle in Drehung versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die
■Achse (10) des Zylinders (5) unter einem stumpfen Winkel
(11) zur Welle (3) geneigt ist, daß an der Welle (3) eine Stirnkurbel (8) vorgesehen ist, und daß das Pleuel (7) an Stirnkurbel (8) und Kolben (6) mittels Kugelgelenken (9)
befestigt ist.

2. Klexnbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Welle (3) mit der
Stirnkurbel (8) axial verschiebbar angeordnet ist.

3. Klexnbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stxrnkurbel (8) als Kurbelscheibe (24) ausgebildet ist.

4. Klexnbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch

gekennzeichnet , daß das Pleuel (7) die Gestalt einer Hantel aufweist und an seinen beiden Enden jeweils einen endständigen Kugelkopf (12 und 13) trägt, und daß an der Kurbelscheibe (24) und im Innern des Kolbens (6) eine Kugelpfanne (15 und 16) vorgesehen ist, in welchen
die Kugelköpfe (12 bzw. 13) gelenkig sitzen.

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5. Kleinbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kurbelscheibe (24) eine Umfangsnut (3C) trägt, von welcher aus eine Ölbohrung

(31) in die Kugelpfanne (15) führt.

6. Kleinbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (7) am Kolben (6) mit Hilfe eines an sich bekannten Gelenklagers (36) angreift.

7. Kleinbrennkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Pleuel (7) unter Verwendung eines einen Fuß (37) aufweisenden Gabelkopfes (38), der mittels eines Zapfens (39) in der Kurbelscheibe (24) drehbar gelagert ist, an der Welle (3) angreift.

8. Kleinbrennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fuß (37) des Gabelkopfes (38) und der Kurbelscheibe (24) ein Axiallager (40) sitzt.

9. Kleinbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der stumpfe Winkel (11) zwischen der Achse (10) des Zylinders (5) und der Welle (3) einhundertfünfunddreißig Grad beträgt.