EP0779421A1

EP0779421A1 - Piston engine

Info

Publication number: EP0779421A1
Application number: EP96118951A
Authority: EP
Inventors: Heinz Winger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 1997-06-18
Also published as: DE19546468A1

Abstract

The engine has at least one piston (2) moving in a cylinder (1). The piston is connected via a straight-line movable rod and link with two connecting rods (6,6'). The rods engage on crankshaft journals (7,7') of two crankshafts (8,8'). The crankshafts are connected via a gear (10,10',11) for synchronous rotation in opposite directions. The connecting rods are short, and the path of the links (5) runs through a plane, which forms a common tangential plane of the circular tracks of the crankshaft journals. The connecting rods are only longer than the half piston stroke by a small predetermined amount, preferably by a maximum of 10%. The shortness of the connecting rods is such that when the piston moves the distance of the centres of the connecting links to the plane of the crankshaft axes is less than the radius of the circle, on which the centres of the crankshaft journals are movable.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenkraftmaschine gemäß den im Ober. begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to a piston engine according to the in the upper. Concept of claim 1 specified features.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 27 46 476 A1 ist ein Hubkolbenmotor bekannt, insbesondere eine Brennkraftmaschine, welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und eine geradlinig bewegenden Kolbenstange enthält. Mit der Kolbenstange ist ein Übertragungsglied verbunden, mit welchem jeweils über ein Pleuelgelenk wenigstens zwei Pleuelstangen verbunden sind. Die Pleuelstangen sind mit ihren anderen Enden jeweils über Kurbelzapfen mit Kurbelwellen gekoppelt, welche über Zahnräder zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen verbunden sind. Die Längen der Pleuelstangen sind vergleichsweise groß. Der Wirkungsgrad einer derartigen Kolbenkraftmaschine wird maßgeblich dadurch beeinflußt, daß der Druckverlauf im Zylinder, insbesondere bei Ausbildung als Brennkraftmaschinen, nicht in einen optimalen Drehmomentverlauf an der Kurbelwelle umgesetzt werden kann.A piston engine is known from German published patent application DE 27 46 476 A1, in particular an internal combustion engine, which contains at least one cylinder with a piston and a piston rod moving in a straight line. A transmission link is connected to the piston rod, to which at least two connecting rods are connected via a connecting rod joint. The other ends of the connecting rods are coupled to crankshafts via crank pins, which are connected via synchronous rotation gears in opposite directions of rotation. The lengths of the connecting rods are comparatively large. The efficiency of such a piston engine is significantly influenced by the fact that the pressure curve in the cylinder, especially when it is designed as an internal combustion engine, cannot be converted into an optimal torque curve on the crankshaft.

Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 31 29 028 A1 eine Brennkraftmaschine mit zwei entgegengesetzt rotierenden Kurbelwellen bekannt, welche über ein Getriebe gekoppelt sind. Innerhalb des Kolbens ist ein gemeinsames Pleuelgelenk für zwei Pleuelstangen vorgesehen, welche mit jeweils einer der beiden Kurbelwellen über Kurbelzapfen gekoppelt sind. Die Länge der Pleuelstangen ist konstruktionsbedingt größer als der Hub des im Zylinder linear verschiebbar angeordneten Kolbens.Furthermore, from the German published patent application DE 31 29 028 A1 an internal combustion engine with two counter-rotating crankshafts is known, which are coupled via a transmission. Within the piston, a common connecting rod joint is provided for two connecting rods, which are each coupled to one of the two crankshafts via crank pins. Due to the design, the length of the connecting rods is greater than the stroke of the piston, which is linearly displaceable in the cylinder.

Schließlich ist aus dem deutschen Patent 105 605 eine Antriebsvorrichtung für zwei durch einen Kolben in entgegengesetzter Richtung angetriebenen Wellen vorbekannt. Bei dieser Vorrichtung sind zwei Pleuel- oder Lenkerstangen einerseits mit dem Kolben und andererseits mit zwei Kurbelscheiben gekoppelt. Mittels eines Kegelradgetriebes erfolgt eine Kopplung der Kurbelscheiben, deren Wellen koaxial angeordnet sind. Die Pleuelgelenke der Pleuelstangen sind innerhalb des Kolbens angeordnet und die Pleuelstangen weisen eine erheblich größere Länge auf als der Durchmesser, auf welchem die Kurbelzapfen der Kurbelscheiben drehen.Finally, a drive device for two shafts driven in the opposite direction by a piston is known from German patent 105 605. In this device, two connecting rods or handlebars are coupled on the one hand to the piston and on the other hand to two crank disks. The crank disks, whose shafts are arranged coaxially, are coupled by means of a bevel gear. The connecting rod joints of the connecting rods are arranged inside the piston and the connecting rods have a considerably greater length than the diameter on which the crank pins of the crank disks rotate.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kolbenkraftmaschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine günstigere Umsetzung des Druckverlaufs im Zylinder in den Drehmomentenverlauf an der Kurbelwelle und damit insbesondere ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt wird.The object of the invention is therefore to design a piston engine of the type mentioned in such a way that a more favorable conversion of the pressure curve in the cylinder into the torque curve on the crankshaft and thus in particular an increased efficiency is achieved.

Diese Aufgabe wird gemäß den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved according to the features specified in claim 1.

Die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine zeichnet sich aufgrund der kurzen Pleuelstangen durch eine optimierte Umsetzung des Druckverlaufs im Zylinder in den Drehmomentenverlauf der Kurbelwelle aus. Die wenigstens zwei Pleuelstangen sind derart kurz ausgeführt, daß der Weg der Pleuelgelenke durch eine Ebene führt, welche zumindest näherungsweise durch die oberen oder unteren Totpunkte der Kreisbahn der Kurbelwellenzapfen verläuft. Diese Ebene ist erfindungsgemäß die gemeinsame Tangentialebene an den Drehkreisen der Kurbelzapfen der beiden Kurbelwellen. Des weiteren liegt diese Ebene parallel zur Ebene K, welche durch die beiden Kurbelwellenachsen definiert ist. Aufgrund der erfindungsgemäß kurzen Ausbildung der wenigstens zwei Pleuelstangen wird der Schwenkwinkel der Pleuelstange im Vergleich mit vorbekannten Anordnungen im Arbeitshub vergrößert mit der Folge, daß von der potentiellen Energie des Kolbens ein vergrößerter Anteil in kinetische Energie der Kurbelwellenmasse umgesetzt wird. Der höhere Anteil kinetischer Energie des Kolbenhubes wird entsprechend dem jeweiligen Schwenkwinkel der Pleuelstange kraftverstärkend in die Kurbelwellenmasse übertragen und erhöht somit die kinetische Energie der Kurbelwellenmasse. Im Vergleich mit Kurbeltrieben, welche vergleichsweise geringe Schwenkwinkel der Pleuelstangen ermöglichen, wird eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades, und zwar insbesondere > 10 %, durch die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine erreicht. Die Übertragung eines verhältnismäßig großen Kolbenhubs über verhältnismäßig kurze Pleuelstangen, die aus konstruktiven Gründen nur wenig länger als der halbe Kolbenhub sein müssen, führt zu einem sehr günstigen Drehmomentenverlauf an der Kurbelwelle und damit zu einem wesentlich erhöhten Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen vergleichbaren Kolbenkraftmaschinen.Due to the short connecting rods, the piston engine according to the invention is characterized by an optimized conversion of the pressure curve in the cylinder into the torque curve of the crankshaft. The at least two connecting rods are made so short that the path of the connecting rod joints leads through a plane which runs at least approximately through the top or bottom dead centers of the circular path of the crankshaft journals. According to the invention, this plane is the common tangential plane at the turning circles of the crank pins of the two crankshafts. Furthermore, this plane lies parallel to the plane K, which is defined by the two crankshaft axes. Because of The short design of the at least two connecting rods according to the invention increases the pivoting angle of the connecting rod in comparison with previously known arrangements in the working stroke, with the result that an increased proportion of the potential energy of the piston is converted into kinetic energy of the crankshaft mass. The higher proportion of kinetic energy of the piston stroke is transmitted to the crankshaft mass in accordance with the respective swivel angle of the connecting rod and thus increases the kinetic energy of the crankshaft mass. In comparison with crank drives, which enable comparatively small pivoting angles of the connecting rods, a significant improvement in efficiency, in particular> 10%, is achieved by the piston engine according to the invention. The transmission of a relatively large piston stroke via relatively short connecting rods, which for structural reasons only have to be a little longer than half the piston stroke, leads to a very favorable torque curve on the crankshaft and thus to a significantly increased efficiency compared to conventional comparable piston engines.

Die Pleuelstangen sind erfindungsgemäß derart kurz ausgeführt, daß der geringste Abstand der Mitten der beiden Pleuellager zu derjenigen Ebene, in welcher die Kurbelwellenachsen liegen, geringer ist als der halbe Durchmesser bzw. als der Radius des Kreises, auf welchem sich die Mitten der Kurbelzapfen bewegen. Der Anschluß der Pleuelstangen an die mit dem Kolben, vorzugsweise über eine Kolbenstange oder ein anderes Übertragungsglied, verbundene Pleuelgelenke ermöglicht es, die Pleuelstangen so kurz auszuführen, wie dies für einen optimalen Drehmomentenverlauf der Kurbelwelle erwünscht ist. Im Gegensatz zu Kreuzkopfmaschinen, die nur als verhältnismäßig langsam laufende Kolbenkraftmaschinen ausgeführt werden und bei denen die am Kreuzkopf auftretenden Querkräfte aufgenommen werden müssen, kompensieren sich bei der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine mit jeweils zwei Pleuelstangen, die über die Pleuelgelenke miteinander verbunden sind, die dort auftretenden Querkraftkomponenten, so daß keine Kreuzkopfführung erforderlich ist.The connecting rods are designed according to the invention so short that the smallest distance between the centers of the two connecting rod bearings to the plane in which the crankshaft axes lie is less than half the diameter or as the radius of the circle on which the centers of the crank pins move. The connection of the connecting rods to the connecting rod joints connected to the piston, preferably via a piston rod or another transmission element, makes it possible to make the connecting rods as short as is desired for an optimal torque curve of the crankshaft. In contrast to crosshead machines, which are only designed as relatively slow-running piston engines and in which the transverse forces occurring at the crosshead have to be absorbed, the piston engine according to the invention compensates with two connecting rods each, which are connected to one another via the connecting rod joints, the transverse force components that occur there, so that no crosshead guide is required.

In besonders zweckmäßiger Weise wird die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine mit negativer Schränkung derart betrieben, daß ausgehend vom oberen Totpunkt beim Arbeitshub des Kolbens der Winkel zwischen den beiden Pleuelstangen sich vergrößert. Der Erfinder hat erkannt, daß bei gleicher potentieller Energie am Kolben bei Maschinen mit negativer Schränkung eine höhere kinetische Energie an der Kurbelwelle erzeugt wird, als im Falle von Maschinen mit positiver Schränkung, bei welchen zu Beginn des Arbeitshubes der Winkel zwischen den Pleuelstangen kleiner wird. Ferner kann mit zunehmendem Schwenkwinkel der Pleuelstange die kinetische Energie an der Kurbelwelle erhöht werden.In a particularly expedient manner, the piston engine according to the invention is operated with a negative setting such that, starting from the top dead center during the working stroke of the piston, the angle between the two connecting rods enlarges. The inventor has recognized that, with the same potential energy on the piston, a higher kinetic energy is generated on the crankshaft in machines with a negative setting than in the case of machines with a positive setting, in which the angle between the connecting rods becomes smaller at the beginning of the working stroke. Furthermore, the kinetic energy on the crankshaft can be increased with an increasing pivot angle of the connecting rod.

Die bisher bei der Auslegung von Kolbenkraftmaschinen berücksichtigte Bedingung, dergemäß der mittlere effektive Druck multipliziert mit dem Hubvolumen der effektiven Leistung entspricht, ist bei der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine nicht anwendbar. Diese Eigenschaft ist in der unterschiedlichen Arbeitsgeschwindigkeit des Kolbens begründet. Mit zunehmendem Schwenkwinkel des Pleuels im Arbeitshub kann von der potentiellen Energie ein vergrößerter Anteil der kinetische Energie der Kurbelwelle zugeführt werden.The condition previously taken into account when designing piston engines, according to which the mean effective pressure multiplied by the stroke volume corresponds to the effective power, cannot be applied to the piston engine according to the invention. This property is due to the different working speed of the piston. With an increasing swivel angle of the connecting rod in the working stroke, an increased proportion of the kinetic energy of the crankshaft can be supplied from the potential energy.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Kurbelwellen mit fluchtenden Drehachsen angeordnet sind, daß die beiden Kurbelwellenzapfen einander stirnseitig zugekehrt sind und daß die Zylinderachse in einer die beiden Drehachsen der beiden Kurbelwellen enthaltenden Ebene liegt. Damit wird ein sehr kompakter Aufbau der Kolbenkraftmaschine erreicht.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the two crankshafts are arranged with aligned axes of rotation, that the two crankshaft journals face each other at the end and that the cylinder axis lies in a plane containing the two axes of rotation of the two crankshafts. A very compact construction of the piston engine is thus achieved.

Vorzugsweise sind die beiden Kurbelwellenzapfen an einander stirnseitig zugekehrten Kegelrädern angebracht, die mit einem gemeinsamen Kegelritzel in Eingriff stehen. Der Antrieb kann an einer der beiden Kurbelwellen oder am Kegelritzel erfolgen.The two crankshaft journals are preferably attached to bevel gears which face one another on the end face and which engage with a common bevel pinion. The drive can take place on one of the two crankshafts or on the bevel pinion.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Kurbelwellen achsparallel angeordnet sind und daß die Zylinderachse in der Symmetrieebene zwischen den beiden Kurbelwellen liegt. Dies ermöglicht mit verhältnismäßig geringem konstruktivem Aufwand den Aufbau von Mehrzylinder-Reihenmotoren, wobei für eine Zylinderreihe zwei gemeinsame, parallele Kurbelwellen herkömmlicher Bauweise verwendet werden.According to another embodiment of the invention it is provided that the two crankshafts are arranged axially parallel and that the cylinder axis lies in the plane of symmetry between the two crankshafts. This enables the construction of multi-cylinder in-line engines with relatively little design effort, two common, parallel crankshafts of conventional design being used for one cylinder row.

Vorzugsweise sind die beiden Kurbelwellen über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden, das auf jeder der beiden Kurbelwellen ein Stirnrad aufweist, die miteinander in Eingriff stehen.The two crankshafts are preferably connected to one another via a gear transmission which has a spur gear on each of the two crankshafts, which mesh with one another.

Anstelle der genannten Zahnräder können auch andere Getriebeglieder wie Kettengetriebe, Zahnriementriebe, Hydraulikgetriebe oder andere Getriebe verwendet werden, die einen Synchronlauf der beiden jedem Zylinder zugeordneten Kurbelwellen mit entgegengesetztem Drehsinn ermöglichen.Instead of the gearwheels mentioned, other gear links such as chain gearboxes, toothed belt drives, hydraulic gearboxes or other gearboxes can also be used, which enable the two crankshafts assigned to each cylinder to run synchronously with opposite directions of rotation.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of further dependent claims.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt jeweils in schematischer Darstellungsweise:

Fig. 1: eine Kolbenkraftmaschine mit einem Zylinder und zwei Kurbelwellen mit fluchtenden Drehachsen, die in der Zeichnungsebene liegen,
Fig. 2: eine Ansicht der Kolbenkraftmaschine nach Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II in der oberen Totpunktlage,
Fig. 3: die Kolbenkraftmaschine nach den Fig. 1 und 2 in einer Zwischenstellung des Kolbens,
Fig. 4: die Kolbenkraftmaschine nach den Fig. 1-3 in der unteren Totpunktlage,
Fig. 5: eine andere Ausführungsform einer Kolbenkraftmaschine mit zwei parallelen Kurbelwellen in der oberen Totpunktlage,
Fig. 6: die Kolbenkraftmaschine nach Fig. 5 in der unteren Totpunktlage,
Fig. 7: einen vereinfachten Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6 bei einer Kolbenkraftmaschine mit mehreren Zylindern,
Fig. 8, 9: eine Kolbenkraftmaschine ähnlich der Fig. 5, 6, jedoch mit einem Übertragungsglied zwischen der Kolbenstange und den beiden Pleuelstangen, welche in ihrer Funktion und Pleuelstangenlänge nach Fig. 1 bis 4 zu betrachten sind.

Exemplary embodiments of the invention are illustrated below, which are shown in the drawing. Each shows in a schematic representation:

Fig. 1: a piston engine with a cylinder and two crankshafts with aligned axes of rotation lying in the plane of the drawing,
Fig. 2: 1 in the direction of arrow II in the top dead center position,
Fig. 3: the piston engine according to FIGS. 1 and 2 in an intermediate position of the piston,
Fig. 4: 1-3 in the bottom dead center position,
Fig. 5: another embodiment of a piston engine with two parallel crankshafts in the top dead center position,
Fig. 6: 5 in the bottom dead center position,
Fig. 7: a simplified section along the line VII-VII in Fig. 6 in a piston engine with multiple cylinders,
8, 9: a piston engine similar to FIGS. 5, 6, but with a transmission member between the piston rod and the two connecting rods, which are to be considered in their function and connecting rod length according to FIGS. 1 to 4.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Kolbenkraftmaschine weist einen Zylinder 1 auf, in dem ein Kolben 2 längs einer Kolbenachse 1a bewegbar aufgenommen ist. Es handelt sich beispielsweise um eine Verbrennungskraftmaschine. Mit dem Kolben 2 ist eine Kolbenstange 3 verbunden, die in einer Kolbenstangenführung 4 aus dem Zylinder 1 herausgeführt ist und sich geradlinig bewegt. Auf die gesonderte Kolbenstangenführung kann auch verzichtet werden.The piston engine shown in FIGS. 1 to 4 has a cylinder 1 in which a piston 2 is movably received along a piston axis 1a. It is, for example, an internal combustion engine. A piston rod 3 is connected to the piston 2 and is guided out of the cylinder 1 in a piston rod guide 4 and moves in a straight line. The separate piston rod guide can also be dispensed with.

Die Kolbenstange 3 ist an ihrem dem Boden des Kolbens 2 abgekehrten Ende mittels Pleuelgelenken 5 mit zwei Pleuelstangen 6, 6' gelenkig verbunden. Jede Pleuelstange 6 bzw. 6' greift an einem Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7' zweier Kurbeiwellen 8 bzw. 8' an. Anstelle der Kolbenstange 3 kann auch ein anderes Übertragungsglied verwendet werden, um die Kolbenkräfte über hiermit verbundene Pleuelgelenke und Pleuelstangen 6, 6' zu übertragen, beispielsweise ein Hebel.The piston rod 3 is articulated at its end facing away from the bottom of the piston 2 by means of connecting rod joints 5 with two connecting rods 6, 6 '. Each connecting rod 6 or 6 'engages a crankshaft journal 7 or 7' of two crank shafts 8 or 8 '. Instead of the piston rod 3, another transmission element can also be used in order to transmit the piston forces via connecting rod joints and connecting rods 6, 6 'connected to it, for example a lever.

Die Drehachsen 9 bzw. 9' der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8' fluchten miteinander. Die beiden Drehachsen 9 und 9' sowie die Zylinderachse 1a des Zylinders 1 liegen in einer gemeinsamen Ebene, die der Zeichnungsebene der Fig. 1 entspricht. Die Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7' sind einander stirnseitig zugekehrt und sind an einander stirnseitig zugekehrten Kegelrädern 10 bzw. 10' angebracht. Die beiden als geradverzahnte, schrägverzahnte oder spiralverzahnte Zahnräder ausgeführten Kegelräder 10 und 10' stehen mit einem gemeinsamen Kegelritzel 11 in Eingriff, das auf einer Ritzelwelle 12 angebracht ist. Das zwischen die beiden Kegelräder 10 und 10' geschaltete Ritzel 11 bewirkt, daß die beiden Kurbelwellen 8 und 8' zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen verbunden sind. Der Abtrieb kann an einer der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8' oder an der Welle 12 des Kegelritzels 11 erfolgen.The axes of rotation 9 and 9 'of the two crankshafts 8 and 8' are aligned with one another. The two axes of rotation 9 and 9 'and the cylinder axis 1a of the cylinder 1 lie in a common plane which corresponds to the plane of the drawing in FIG. 1. The crankshaft journals 7 and 7 'face each other at the end and are attached to bevel gears 10 and 10' which face each other. The two bevel gears 10 and 10 ′, which are designed as straight-toothed, helical-toothed or spiral-toothed gearwheels, are in engagement with a common bevel pinion 11, which is attached to a pinion shaft 12. The pinion 11 connected between the two bevel gears 10 and 10 'causes the two crankshafts 8 and 8' to be connected for synchronous rotation in opposite directions of rotation. The output can take place on one of the two crankshafts 8 or 8 'or on the shaft 12 of the bevel pinion 11.

Wie aus der schematischen Darstellung der oberen Totpunktlage gemäß Fig. 2 ersichtlich, ist die Länge L der Pleuelstangen 6 bzw. 6' nur geringfügig größer als der Drehkreisradius R der Mitte des Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7', der konstruktionsbedingt dem halben Kolbenhub entspricht. Fig. 4 zeigt die untere Totpunktlage der Kolbenkraftmaschine. In der oberen Totpunktlage befindet sich die Mitte der Kurbelwellenzapfen 7, 7' in einer Ebene E, welche parallel zu der Drehachse 9, 9' der Kurbelwellen bzw. orthogonal zur Zylinderachse 1a verläuft.As can be seen from the schematic illustration of the top dead center position according to FIG. 2, the length L of the connecting rods 6 and 6 'is only slightly larger than the turning radius R of the center of the crankshaft journal 7 and 7', which is due to the design corresponds to half the piston stroke. Fig. 4 shows the bottom dead center position of the piston engine. In the top dead center position, the center of the crankshaft pins 7, 7 'is located in a plane E which runs parallel to the axis of rotation 9, 9' of the crankshafts or orthogonally to the cylinder axis 1a.

Die Länge L der Pleuelstangen, also der Abstand zwischen der Mitte des Pleuellagers 5 und der Mitte des Kurbelzapfenlagers 7 ist im Vergleich mit bekannten Konstruktionen kurz ausgebildet. Das Verhältnis des Radius R zur Länge L, welches Verhältnis auch als Schubstangenverhältnis bezeichnet wird, ist gemäß der Erfindung größer als 0,5. Wesentlich ist die Tatsache, daß während des Arbeitshubs die Mitte des Pleuelgelenks 5, 5' in den Bereich unterhalb der Ebene E bzw. auf die dein Kolben 1 abgewandte Seite bezüglich der Ebene E gelangt. Die Ebene E ist die gemeinsame Tangente an die Drehkreise der beiden Kurbelwellenzapfen 7 und 7' und sie ist im wesentlichen parallel zu der Ebene K angeordnet, in welcher die beiden Kurbelwellenachsen 9, 9' liegen.The length L of the connecting rods, that is the distance between the center of the connecting rod bearing 5 and the center of the crank pin bearing 7, is short in comparison with known constructions. The ratio of the radius R to the length L, which ratio is also referred to as the push rod ratio, is greater than 0.5 according to the invention. It is essential that during the working stroke the middle of the connecting rod joint 5, 5 'reaches the area below the plane E or on the side facing away from the piston 1 with respect to the plane E. The plane E is the common tangent to the rotating circles of the two crankshaft journals 7 and 7 'and it is arranged essentially parallel to the plane K in which the two crankshaft axes 9, 9' lie.

Ausgehend von der oberen Totpunktlage, die in Fig. 2 dargestellt ist und bei der sich die beiden Pleuelstangen 6, 6' in Richtung der Kolbenstange 3 erstrecken, nehmen die beweglichen Teile der Kolbenkraftmaschine nach einem Anfangshub des Kolbens 2 die in Fig. 3 gezeigte Zwischenstellung ein. Die beiden Pleuelstangen 6 und 6' spreizen sich infolge der entgegengesetzten Drehbewegungen der Kurbelwellenzapfen 7 und 7'. Die von der Kolbenstange 3 in Richtung der Zylinderachse 1a ausgeübte Kraft wird in Richtung der beiden Pleuelstangen 6 und 6' nach einem Kräfteparallelogramm aufgeteilt, wobei sich die in den Pleuelgelenken 5 auftretenden Horizontalkraftkompenenten kompensieren. Die gerade bei kurzen Pleuelstangen besonders hohen Querkräfte der Pleuelstangen 6, 6' bezüglich der Längsachse 1a werden in besonders günstiger Weise in die Kurbelwellen eingeleitet. Aufgrund der erfindungsgemäß kurzen Pleuelstangen werden deren Schwenkwinkel im Arbeitshub größer und von der potentiellen Energie des Kolbens wird ein vergrößerter Anteil in kinetische Energie der Kurbelwellenmasse übergeführt. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades der Maschine.Starting from the top dead center position, which is shown in Fig. 2 and in which the two connecting rods 6, 6 'extend in the direction of the piston rod 3, the moving parts of the piston engine take the intermediate position shown in Fig. 3 after an initial stroke of the piston 2 on. The two connecting rods 6 and 6 'spread due to the opposite rotational movements of the crankshaft pins 7 and 7'. The force exerted by the piston rod 3 in the direction of the cylinder axis 1a is divided in the direction of the two connecting rods 6 and 6 'according to a force parallelogram, the horizontal force components occurring in the connecting rod joints 5 being compensated for. The particularly high transverse forces of the connecting rods 6, 6 'with respect to the longitudinal axis 1a, particularly with short connecting rods, are introduced into the crankshafts in a particularly favorable manner. Because of the short connecting rods according to the invention, their swivel angles become larger in the working stroke and an enlarged portion of the potential energy of the piston is converted into kinetic energy of the crankshaft mass. This leads to a significant increase in the efficiency of the machine.

In Fig. 4 ist ferner mit gestrichelten Linien die Lage der beiden Pleuelstangen für den Fall einer 90° Drehung der Kurbelwelle ab oberem Totpunkt dargestellt. Die Kurbelwellenzapfen befinden sich hierbei in der gemeinsamen Ebene der beiden Kurbelwellen. Es ist erfindungsgemäß von Bedeutung, daß in dieser Position der Winkel W, welcher zwischen der Pleuelstange und der Zylinderachse 1a eingenommen ist, mindestens 45 Winkelgrade beträgt. Zweckmäßig ist der Schwenkwinkel W bei Erreichen des halben Arbeitshubs mindestens 50 Winkelgrade groß.In Fig. 4, the position of the two connecting rods is shown in dashed lines for the case of a 90 ° rotation of the crankshaft from top dead center. The Crankshaft journals are located in the common plane of the two crankshafts. It is important according to the invention that in this position the angle W, which is between the connecting rod and the cylinder axis 1a, is at least 45 degrees. The swivel angle W is expediently large at least 50 degrees when half the working stroke is reached.

Abweichend von dem in den Fig. 1 bis 4, 8 und 9 dargestellten Beispiel kann vorgesehen werden, daß sich die Kolbenstange über die Kurbelwellenachsen hinaus erstreckt und die Pleuelstangen auf Zug beansprucht werden. Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, daß der Verbrennungsdruck im oberen Totpunktbereich über einen größeren Winkelbereich gehalten wird, so daß die Verbrennung im Zylinder vollständiger erfolgen kann und somit der Arbeitsdruck erhöht wird.Deviating from the example shown in FIGS. 1 to 4, 8 and 9, it can be provided that the piston rod extends beyond the crankshaft axes and the connecting rods are subjected to tension. In this way it is achieved according to the invention that the combustion pressure in the upper dead center area is kept over a larger angular range, so that the combustion in the cylinder can take place more completely and thus the working pressure is increased.

Es ist auch möglich, daß an den Kurbelwellenzapfen zwei Pleuelstangen zweier entgegengesetzt gerichteter Zylinder angreifen. Die zu mehreren Zylindern 1 gehörenden Kurbeiwellen 8, 8' können zur Bildung einer mehrzylindrischen Maschine durch Übertragungsglieder miteinander verbunden sein.It is also possible for two connecting rods of two oppositely directed cylinders to engage the crankshaft journal. The crank shafts 8, 8 'belonging to a plurality of cylinders 1 can be connected to one another by transmission elements to form a multi-cylinder machine.

Anhand von Fig. 5 soll eine alternative Ausgestaltung der Erfindung noch erläutert werden. Hierbei ist gemäß den strichpunktierten Linien die Kolbenstange 3a über die gemeinsame Ebene K der beiden Kurbelwellenachsen hinausverlängert. Die Pleuellager liegen somit bezogen auf die Kurbelwellenachsenebene K auf der anderen Seite als der Zylinder 1 mit dem Kolben 2. Die Pleuelstangen 6a und 6'a weisen hierbei auch eine derart kleine Länge auf, daß der geringste Abstand der Mitten der Pleuelgelenke zur Ebene K kleiner ist als der Radius R des Kreises, auf welchem sich die Mitten der Kurbelzapfen bewegen. Die Pleuelgelenke 5a werden während des Arbeitshubs über die Ebene Ea bewegt, welche entsprechend der Ebene E eine gemeinsame Tangente an die Kreisbahnen der Kurbelwellenzapfen bildet. Es ist ersichtlich, daß während des Arbeitshubes die Pleuelstangen 6a und 6'a bei dieser besonderen Ausgestaltung auf Zug beansprucht werden. Hierbei setzt man in der ersten Arbeitshubhälfte ein noch günstigeres Drehmoment in die Kurbelwelle um.An alternative embodiment of the invention will be explained with reference to FIG. 5. Here, the piston rod 3a is extended beyond the common plane K of the two crankshaft axes according to the dash-dotted lines. The connecting rod bearings are thus on the other side of the crankshaft axis plane K than the cylinder 1 with the piston 2. The connecting rods 6a and 6'a are also of such a small length that the smallest distance between the centers of the connecting rod joints and the plane K is smaller is the radius R of the circle on which the centers of the crank pins move. The connecting rod joints 5a are moved during the working stroke over the plane Ea, which forms a common tangent to the circular paths of the crankshaft journals according to the plane E. It can be seen that in this particular embodiment, the connecting rods 6a and 6'a are subjected to tension during the working stroke. Here, an even more favorable torque is converted into the crankshaft in the first half of the working stroke.

Bei der in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Ausführungsform einer Kolbenkraftmaschine, bei der für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 4 verwendet werden, sind die beiden Kurbelwellen 8 und 8' achsparallel und im Abstand zueinander angeordnet. Die Kolbenstange 3 jedes Zylinders 1 ist an ihren Pleuelgelenken 5, 5' über die beiden Pleuelstangen 6 bzw. 6' jeweils mit einem Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7' einer der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8' verbunden.In the embodiment of a piston engine shown in FIGS. 5 to 7, in which the same reference numerals are used for the same components as in FIGS. 1 to 4, the two crankshafts 8 and 8 'are arranged axially parallel and at a distance from one another. The piston rod 3 of each cylinder 1 is connected at its connecting rod joints 5, 5 'via the two connecting rods 6 and 6' to a crankshaft journal 7 and 7 'of one of the two crankshafts 8 and 8', respectively.

Fig. 6 zeigt die untere Totpunktlage der Kolbenkraftmaschine nach Fig. 5. In dieser unteren Totpunktlage erstrecken sich die Pleuelstangen 6 bzw. 6' ausgehend von den verbundenen Pleuelgelenken 5, 5' durch die Achsen der beiden Kurbelwellen 8 und 8' bis zu den Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7'. Konstruktionsbedingt muß hierbei die Länge der Pleuelstangen 6 bzw. 6' etwas größer als der Drehkreisdurchmesser der Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7' gewählt werden.6 shows the bottom dead center position of the piston engine according to FIG. 5. In this bottom dead center position, the connecting rods 6 and 6 'extend from the connected connecting rod joints 5, 5' through the axes of the two crankshafts 8 and 8 'to the crankshaft journals 7 or 7 '. Due to the design, the length of the connecting rods 6 and 6 'must be selected somewhat larger than the turning circle diameter of the crankshaft pins 7 and 7'.

Wie man aus Fig. 7 erkennt, sind mehrere in einer Reihe angeordnete Zylinder 1 auf diese Weise mit den beiden parallelen Kurbelwellen 8 bzw. 8' verbunden. Die Kurbelwellenzapfen 7 bzw. 7' jeder Kurbelwelle 8 bzw. 8' sind in der bei Reihenmotoren üblichen Weise gegeneinander in Umfangsrichtung versetzt, um einen gleichmäßigen Lauf der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen. Die Zylinderachsen 1a aller Zylinder 1 liegen in der Symmetrieebene 8a zwischen den beiden Kurbelwellen 8 und 8'. Die beiden Kurbelwellen 8 und 8' sind über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden, das auf jeder der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8' ein Stirnrad 13 bzw. 13' aufweist, die miteinander in eingriff stehen und die einen Synchronlauf der beiden Kurbelwellen 8 und 8' in entgegengesetzten Drehrichtungen bewirken. Der Abtrieb kann an einer der beiden Kurbelwellen 8 bzw. 8' erfolgen.As can be seen from FIG. 7, a plurality of cylinders 1 arranged in a row are connected in this way to the two parallel crankshafts 8 and 8 '. The crankshaft pins 7 and 7 'of each crankshaft 8 and 8' are offset from one another in the circumferential direction in the manner customary for inline engines in order to achieve a smooth running of the internal combustion engine. The cylinder axes 1a of all cylinders 1 lie in the plane of symmetry 8a between the two crankshafts 8 and 8 '. The two crankshafts 8 and 8 'are connected to one another via a gear transmission which has a spur gear 13 and 13' on each of the two crankshafts 8 and 8 ', which mesh with one another and which synchronize the two crankshafts 8 and 8'. cause in opposite directions. The output can take place on one of the two crankshafts 8 and 8 '.

Die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Ausführungsform entspricht im wesentlichen derjenigen der Fig. 5 und 6, wobei jedoch zwischen der Kolbenstange 3 und den Pleuelstangen 6 bzw. 6', welche so kurz wie in Fig. 1 bis 4 ausgelegt sind, ein Seitenkräfte kompensierendes Übertragungsglied 14 vorgesehen ist. Die Pleuelstangenlager 5 sind an diesem Übertragungsglied 14 angeordnet, welches mittels eines Bolzens 15 mit der Kolbenstange 3 gelenkig verbunden ist. In der oben Totlage gemäß Fig. 8 sind die Pleuelstangen 6, 6' parallel zur Zylinderachse 1a ausgerichtet. Fig. 9 zeigt, daß in der unteren Totpunktlage die Pleuelgelenke 5, 5' unterhalb der Ebene E sich befinden, welche auch als gemeinsame Tangente an die beiden Bewegungsbahnen der Kurbelwellenzapfen 7 und 7' definiert ist.The embodiment shown in FIGS. 8 and 9 corresponds essentially to that of FIGS. 5 and 6, but with a between the piston rod 3 and the connecting rods 6 and 6 ', which are designed as short as in FIGS. 1 to 4 Lateral forces compensating transmission member 14 is provided. The connecting rod bearings 5 are arranged on this transmission member 14, which is articulated to the piston rod 3 by means of a bolt 15. 8, the connecting rods 6, 6 'are parallel to the cylinder axis 1a aligned. Fig. 9 shows that in the bottom dead center position the connecting rod joints 5, 5 'are below the plane E, which is also defined as a common tangent to the two trajectories of the crankshaft pins 7 and 7'.

Eine alternative Ausführungsform ist in der unteren Hälfte der Fig. 8 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Hierbei ist bezüglich der Kurbelwellenebene K auf der anderen Seite als der erste Zylinder 1 ein weiterer Zylinder 1' angeordnet. Mit dessen Kolbenstange 3' ist ein weiteres Übertragungsglied 14' gekoppelt und über dieses sind zwei weitere Pleuelstangen mit den Kurbelwellenzapfen 7 und 7' verbunden. Es sind bei dieser Ausführungsform somit an jedem der beiden Kurbelwellenzapfen 7 und 7' zwei Pleuelstangen angelenkt.An alternative embodiment is indicated in the lower half of FIG. 8 with dash-dotted lines. Here, with respect to the crankshaft plane K, a further cylinder 1 ′ is arranged on the other side than the first cylinder 1. A further transmission element 14 'is coupled to the piston rod 3' thereof and two further connecting rods are connected to the crankshaft pins 7 and 7 '. In this embodiment, two connecting rods are thus articulated on each of the two crankshaft pins 7 and 7 '.

Die nur schematisch dargestellten Kolbenkraftmaschinen können beispielsweise als Verbrennungskraftmaschinen in der Ausführung als Otto-Motore, Dieselmotore und in einer Zweitaktbauart oder Viertaktbauart ausgeführt sein. Ferner können im Rahmen dieser Erfindung die Kolbenkraftmaschinen auch Dampfmaschinen, Luftdruck- oder Gasdruckmaschinen sein.The piston engines, which are only shown schematically, can be designed, for example, as internal combustion engines in the form of Otto engines, diesel engines and in a two-stroke or four-stroke type. Furthermore, in the context of this invention, the piston engines can also be steam engines, air pressure or gas pressure engines.

Für eine Ausführung als Zweitakt-Verbrennungsmotore erweist sich die geradlinige Führung der Kolbenstange 6 als besonders vorteilhaft, weil der im Zylinder 1 unterhalb des Kolbens 2 befindliche Zylinderraum in einfacher Weise abgedichtet werden kann, um einen Ladezylinder für die Zweitaktspülung des über dem Kolben 2 befindlichen Verbrennungsraums zu bilden.For a design as a two-stroke internal combustion engine, the linear guidance of the piston rod 6 proves to be particularly advantageous because the cylinder space located in the cylinder 1 below the piston 2 can be sealed in a simple manner by a charging cylinder for the two-stroke purging of the combustion chamber located above the piston 2 to build.

Claims

Kolbenkraftmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder (1) geführten Kolben (2), der über eine vorzugsweise geradlinig bewegbare Kolbenstange (3) und je ein Pleuelgelenk (5, 5') mit zwei Pleuelstangen (6, 6') verbunden ist, die jeweils an einem Kurbelwellenzapfen (7, 7') zweier Kurbelwellen (8, 8') angreifen, wobei die beiden Kurbelwellen (8, 8') durch ein Getriebe (10, 10', 11; 13, 13') zu synchroner Drehung in entgegengesetzten Drehrichtungen verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (6, 6') derart kurz ausgeführt sind, daß der Weg der Pleuelgelenke (5, 5') durch eine Ebene (E) verläuft, welche eine gemeinsame Tangentialebene der Kreisbahnen der Kurbelwellenzapfen (7, 7') bildet.Piston engine with at least one piston (2) guided in a cylinder (1), which is connected to two connecting rods (6, 6 ') via a preferably linearly movable piston rod (3) and a connecting rod joint (5, 5') engage a crankshaft journal (7, 7 ') of two crankshafts (8, 8'), the two crankshafts (8, 8 ') being driven by a gear (10, 10', 11; 13, 13 ') for synchronous rotation in opposite directions Directions of rotation are connected,
characterized in that the connecting rods (6, 6 ') are so short that the path of the connecting rod joints (5, 5') runs through a plane (E) which is a common tangential plane of the circular paths of the crankshaft journals (7, 7 ') forms.

Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (6, 6') nur um einen kleinen vorgebbaren Betrag, vorzugsweise maximal 20 %, insbesondere maximal 10 %, länger sind als der halbe Kolbenhub.Piston engine according to claim 1, characterized in that the connecting rods (6, 6 ') are only longer than half the piston stroke by a small predeterminable amount, preferably a maximum of 20%, in particular a maximum of 10%.

Kolbenkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (6, 6') derart kurz ausgeführt sind, daß der bei Bewegung des Kolbens (2) geringste Abstand der Mitten der Pleuelgelenke (5, 5') zur Ebene (K) der Kurbelwellenachsen (8, 8') geringer ist als der Radius (R) des Kreises, auf welchem die Mitten der Kurbelwellenzapfen (7, 7') bewegbar sind.Piston engine, in particular according to claim 1, characterized in that the connecting rods (6, 6 ') are so short that the smallest distance between the centers of the connecting rod joints (5, 5') and the plane (K) when the piston (2) is moving the crankshaft axes (8, 8 ') is smaller than the radius (R) of the circle on which the centers of the crankshaft journals (7, 7') can be moved.

Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1,3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kurbelwellen (8, 8') achsparallel angeordnet sind und daß die Zylinderachse (1a) in einer Symmetrieebene (8a) der beiden Kurbelwellen (8, 8') liegt.Piston engine according to one of claims 1, 3, characterized in that the two crankshafts (8, 8 ') are arranged axially parallel and in that the cylinder axis (1a) lies in a plane of symmetry (8a) of the two crankshafts (8, 8').

Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 dadurch gekennzeichnet, daß sie mit negativer Schränkung betrieben wird, wobei sich der Schwenkwinkel (W) der beiden Pleuelstangen (6, 6') zumindest zu Beginn des Arbeitshubes vergrößert.Piston engine according to one of claims 1, 3, 4, characterized in that it is operated with a negative setting, the swivel angle (W) of the two connecting rods (6, 6 ') increasing at least at the beginning of the working stroke.

Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkwinkel (W) der jeweiligen Pleuelstangen (6, 6') bei Erreichen der Mitte des Arbeitshubes mindestens 50° groß ist.Piston engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the swivel angle (W) of the respective connecting rods (6, 6 ') is at least 50 ° when the center of the working stroke is reached.

Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (3a) über die Ebene (K) der beiden Kurbelwellen (8, 8') hinauserstreckt ist und daß die Pleuelstangen (6, 6') im Arbeitshub auf Zug beansprucht werden.Piston engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the piston rod (3a) extends beyond the plane (K) of the two crankshafts (8, 8 ') and in that the connecting rods (6, 6') are subjected to tension in the working stroke will.

Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Kurbelwellenzapfen (7, 7') zwei Pleuelstangen (6, 6') in entgegengesetzter Richtung zweier entgegengesetzt angeordneter Zylinder (1, 1') angreifen.Piston engine according to one of claims 1 to 4, 6, 7, characterized in that two connecting rods (6, 6 ') act on the crankshaft journal (7, 7') in the opposite direction of two oppositely arranged cylinders (1, 1 ').

Kolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu inehreren Zylindern (1) gehörenden Kurbelwellen (8, 8') zur Bildung einer mehrzylindrischen Maschine mittels Übertragungsgliedern miteinander verbunden sind.Piston engine according to one of claims 1 to 8, characterized in that the crankshafts (8, 8 ') belonging to several cylinders (1) are connected to one another by means of transmission members to form a multi-cylinder machine.