DE2616372C2 - Kurbelgetriebe mit Kurbelzapfenweg auf einer Kardioidenbahn - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Kurbelgetriebe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die regelmäßige Veränderung der Kurbelarmlänge und der dadurch erzeugte verlängerte Expansionshub ermöglichen neben der verhältnismäßigen Steigerung des rein mechanischen eine solche des thermodynamischen Wirkungsgrads, was einer Leistungsteigerung des Triebwerks bei gleichem Brennstoffbedan entspricht. Zudem mindert eine gleichzeitig stattfindende vollständigere Verbrennung der Abgase, sowie deren weitere Entspannung, die Abwärme- und Geräuschintensität und somit ihre Umweltschädlichkeit.

Die Forderung nach Steigerung des wirtschaftlichen und ökologischen Wirkungsgrads bei Verbrennungsmotoren ist so alt wie diese. Unter der Vielzahl verschiedener diesbezüglicher Vorschläge wie die Beeinflussung des Kompressionsverhältnisses (DE-OS 21 14 833), eine belastungsabhängige Kompressionsregulierung (DE-OS 19 09 563) oder die verlängerte Dehnung des Expansionshubes (Endres, Verbrennungsmotoren, Sammlung Göschen, Band 1184/1184 a, S. 82) findet sich ein Ausrührungsvorschlag für einen Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor zur Durchführung der verlängerten Dehnung des Expansionshubes (DE-OS 20 51 818).

Bekannt sind Steuervorgänge mittels zusammenwirkender Zahnräder. Darin zeigt die Erfindung gemiß CH-PS 4 80 567, welche die Steuerung eines gerade hin- und hergehenden Pleuels mittels zusammenwirkender Zahnräder darstellt, eine methodische Ähnlichkeit mit dem hier beschriebenen Hubsteuersystem. Die Verschiedenheit liegt in der abweichenden Funktionsanordnung der Zahnräder 9 und 10 mit der Bestimmung, den exzentrisch gelagerten Kurbelzapfen 12 auf einer Kardioidenbahn zu steuern und damit den gewünschten variablen Kolbenhub zu ermöglichen.

Zur Steuerung unterschiedlicher Kolbenhublängen wird auf dem freien Ende des Kurbelarms R oder Exzenters der Kurbelwelle 6 eines Getriebes, eine Kreisscheibe 7 zentrisch drehbar gelagert. Diese ist mit einem innenverzahnten Zahnrad 10 fest verbunden, das im Größenverhältnis 2 :1 in ein gehäusefestes Zahnrad eingreift. Auf der anderen Seite dieser Kreisscheibe ist im Abstand rvon ihrer Mitte der Kurbelzapfen 12 angebracht. Um das Zahnrad 9 abrollend, bewirkt das Zahnrad 10 eine ständige, regelmäßige Änderung des Winkels zwischen dem Kurbelarm R und dessen Winkelarm aus dem Exzenterabstand r, sowie der Länge der diese Arme zum Dreieck verbindenden Resultierenden K /wischen der Getriebewelle 6 und dem Kurbelzapfen 12. Dieser wird dadurch auf der erstrebten Bahn einer

20 Kardioide mit Schleife geführt und bewirkt bei jedem Halbabrollen des Zahnrads 10 um das ganze Zahnrad 9, über die Pleuelstange 15 abwechselnd einen Kolbenhub von etwa der Länge 2Ä — rund 2R + r.

Ihrer begrenzten Wirkung, zu spezialisierten Aufgabe und/oder zu aufwendigen Gestaltung wegen fanden alle diese bisherigen Vorschläge wohl keine praktische Anwendung.

Weil die Theorie zur verlängerten Dehnung des Expansionshubes einen bedeutenden praktischen Nutzen erkennen ließ, war ein allgemein anwendbares Kurbeltriebsystem insbesondere für Ein- und Mehrzylinder-Reihen-Verbrennungsmotoren zu schaffen, das möglichst wenig Zuwachs an bewegten Massen, sowie an Material-, Fertigungsaufwand und Herstellungskosten aufweist

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst. Die Funktionselemente der Kurbeltriebwelle sind in teils sich unstarr ergänzende, auf- und miteinander wirkende Elemente gegliedert, wodurch eine gesteuerte Kurbelarm-Längenänderung und somit die Führung des Kurbelzapfenwegs — abweichend vom üblichen Kurbelkreis mit festem Radius R - auf einer Radkurvenbahn ermöglicht wird, die eine Kardioide mit Schleife 14 darstellt, wobei die Nutzung ihres Durckmesser-LängenuntersLhieds die Steuerung regelmäßig sich abwechselnder, unterschiedlicher Kolbenhublängen bewirkt und diese insgesamt als geometrischer Ort aller jeweiligen Kurbelarmlängen dadurch entsteht, daß der feste Kurbelarm R des Kurbelkreises funktionell am Drehpunkt It eines Gelenks um den in gleicher Ebene drehbaren Gelenkarm r zu einem Drehgelenk ergänzt ist. wobei die Verbindungslinie vom Ansatzpunkt des Kurbelarms R in der Achse des Triebwellenzapfens 6 zum freien Ende des Gelenkarms r in der Achse des dorthin verlagerten Kurbelzapfens 12 dem resultierenden Kurbelarm K entspricht.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich aus der Überlegenheit der Kardioidenbahn gegenüber der üblichen Kreisbahn als Kurbelzapfenweg, weil durch die hiermit erschlossene Möglichkeit, auf einfache Weise den verlängerten Expansionshub zu steuern, die vielfach erstrebte, wesentliche Verbesserung des thermodynamischen, rein mechanischen und des ökologischen Wirkungsgrads von Verbrennungsmotoren gleichzeitig verwirklicht werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird in Aufbau und Wirkungsweise beschrieben. Dabei zeigen die phasenidentischen F i g. 1 und 2 mit den folgenden 3.4 und 5 die vier Phasen eines Viertakt-Verbrennungsmotoren-Arbeitsspiels sowie funktionsgetreu die ihnen zugeordneten Wirkungen der Elemente des Kurbcltriebsystems. für dessen Funktionsablauf das Wirkungsdreieck, bestehend aus den Armen R und rdes Drehgelenks mit ihrem Gelenkdrehpunkt 11 und dem Kurbelarm K. als eine Funktion des von diesen gebildeten Winkels bestimmend ist. Auf der Stirnseitenansicht 1 und der phasenidentischen Seitenansicht 2 befindet sich — bei vorausgesetztem Drehsinn im Uhrzeigersinn - der Kolben kurz vor Beendigung des Ausschubs und Erreichen des oberen Kolben-Totpunkts, welcher mit der Position des Kurbelzapfens 12, etwa auf dem linken oberen Kulminationspunkt der Kardioide 14, miuels der Pleuelstange korrespondiert.

Im Übergang von V₂ nach 3 wirkt das Schwungmoment des Getriebes aus dem Triebwellenzapfen 6 über

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die Parallel-Kreisscheibe 8 auf die Kurbel-Kreisscheibe 7 und zwingt diese zum Abrollen eines Viertels ihres I

Umfangs um die Hälfte des gehäusefesten Stirnzahnra- I

des 9. wobei der Kurbelzapfen 12 auf der Kardioiden- |

schleife abwärts gesteuert und somit über die Pleuelstange der Ansaughub des Kolbens bewirkt wird. Der resultierende Kurbelarm K aus der Drehgelenk-Decklage 2R — r bestimmt die kurze Ansaughublänge des Kolbens mit seinem unteren Totpunkt

Im Übevgang von 2 nach 3 und Fortsetzung der be- ίο schriebenen Bewegung der Kurbel-Kreisscheibe 7 um das Stirnzahnrad 9, wodurch der Kurbelzapfen 12 auf der Bahn der Kardioidenschleife nun aufwärts gesteuert wird, erfolgt etwa bei Erreichen ihres rechten oberen Kulminationspunkts über die Pleuelstange die Beendigung des Verdichtungshubes des Kolbens im oberen Totpunkt.

Setzt nun gleichzeitig die Zündung des verdichteten üemischs ein. so ist — bei Fortwirken dti* beschriebenen Bewegung der Elemente des Kurbeltriebsystems im Übergang von 3 nach 4 — ersichtlich, daß die Kolbenkraft bei Beginn des Expansionshubes über die Pleuelstange bereits auf eine Komponente des kraftübertra- ■ genden Kurbelarms K zwischen Kolbenführungsbahn- I und Pleuelstangenmitte zu wirken vermag, die verhältnismäßig schneller wachsend jene vergleichbare im üblichen Kurbelkreis mit dem Radius R, an Wirkung übertrifft. In dieser Taktphase erreicht der Kurbelarm K seine größte Länge während der Strecklage von 2R + r und bewirkt über die Pleuelstange mit dem unteren KoI-ben-Totpunkt den verlängerten Expansionshub.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kurbelgetriebe, auf dessen Kurbelarm oder Exzenter ein Zahnrad angeordnet ist. das zur Steuerung der Hubbewegung eines Kolbens mit einem Pleuel in ein anderes Zahnrad eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem Kurbelarm (R) angeordnete Zahnrad (10) innenverzahnt und mit einer Scheibe (7) fest verbunden ist, an der exzentrisch der Kurbelzapfen (12) der Pleuelstange (15) angebracht ist, und daß das innenverzahnte Zahnrad (10) mi« einem gehäusefesten Zahnrad (9) zusammenwirkt

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