Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrenn¬ ungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem in diesem axial verschiebliehen Kolben, der über- einen oberen Pleuelabschnitt und einem durch ein Gelenk mit diesem verbundenen unteren Pleuel¬ abschnitt mit der Kurbelwelle verbunden ist und bei der beide Pleuelabschnitte durch einen an dem Gehäuse an¬ greifenden Schwenkhebel an einer motorgehäusefest ein¬ stellbaren Achse abgestützt sind.

Bei einer Verbrennungskraftmaschine (DE-PS 30 30 615) ist es bekannt, den Kolben und die Kurbelwelle durch zwei gelenkig verbundene Pleuelabschnitte miteinander zu verbinden. Außerdem findet bei dieser Verbrennungs- kraftmaschine ein an einem gemeinsamen Gelenk für die beiden Pleuelabschnitte angreifender Schwenkhebel Anwen¬ dung, der mit seinem anderen Ende an einem veränderlich einstellbaren Exzenter abgestützt ist. Bei dieser Ver¬ brennungskraftmaschine führt die Kinematik der beiden Pleuelabschnitte mit dem Schwenkhebel bereits zu einer verlängerten Verweilzeit des Kolbens in seinem oberen Totpunkt und damit zu einem- verbesserten Drehmomentver-.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zu Lei¬ stungssteigerungen und zur Anpassung an unterschied¬ liche Kraftstoffe bei Verbrennungskraftmaschinen der vorgenannten Art zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der obere Pleuelabschnitt an dem dem Kolben abgewand¬ ten Ende eine über das gemeinsame Gelenk der beiden Pleuelabschnitte hinaus geführte axiale Verlängerung aufweist und daß der Schwenkhebel mit dem den Pleuel¬ abschnitten zugewandten Ende an der Verlängerung ge¬ lenkig angreift. Zweckmäßig ist die Stützachse für den Schwenkhebel im Motorblock exzentrisch ausgebildet und radial bzw. radial und axial einstellbar. Auf diese ei- se liegen das gemeinsame Gelenk beider Pleuelabschnitte und das Gelenk von oberem Pleuelabschnitt und Schwenk¬ hebel auf zwei getrennten Bewegungsbahnen, was zu einer verringerten Kolbenbeschleunigung bei gleichem Kolben¬ weg und durch dde< Ausbildung größerer Hebelarme zu einer Erhöhung des Drehmoments führt. Die nunmehrige Kinematik von Pleuelabschnitten und Schwenkhebel erlaubt die Ver¬ lagerung des jeweils wirksamsten Drehmoments auf die wirksamsten Kurbelwellenstellungen, was zu einem kürze¬ ren Zündvorgang, einem geringem Kraftstoffverbrauch und demgemäß zu einer weichen Verbrennung mit einem ruhigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine führt. Darüberhin- aus stellt sich auch eine Verringerung des KoJlbenseiten- drucks, eine verringerte Erwärmung des Motors und ein verminderter Verschleiß ein. Es versteht sich, daß die erfindungsmäßige Ausbildung von Pleuelabschnitten und Schwenkhebel gleichermaßen bei Otto- und Dieselmotoren

bzw. bei beliebigen Arbeitskraftmaschinen,die mit einem Kolben betrieben werden, z. B. Kompressoren oder Pumpen, Anwendung finden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kraft- und Arbeitsmaschine ist dann erzielbar, wenn die Län¬ ge des unteren Pleuelabschnitts etwa das l,3fache der Länge des oberen Pleuelabschnitts beträgt, die Gesamt¬ länge beider Pleuelabschnitte etwa 3% größer als der Abstand zwischen dem kolbenseitigen Pleuellager des oberen Pleuelabschnitts und dem von dem kurbelwellen- seitigen Pleuellager des unteren Pleuelabschnitts be¬ schriebenen Kreis im oberen Totpunkt des Kolbens ist und daß weiter die Länge des Schwenkhebels etwa mit der l,2fachen Länge des oberen Pleuelabschnitts ausgeführt ist, der radiale Abstand der Anlenkstelle des Schwenk¬ hebels von der Zylinderachse etwa das l,0fache der Län¬ ge des oberen Pleuelabschnitts beträgt und der Fußpunkt der Projektion der Anlenkstelle auf die Zylinderachse von der Kurbelwellenachse einen Abstand besitzt, der etwa 1/3 des Abstands des kolbenseitigen Pleuellagers des oberen Pleuelabschnitts von der Kurbelwellenachse im oberen Totpunkt des Kolbens beträgt. Die dadurch ge¬ währleistete relativ lange Verweilzeit des Kolbens in seinem oberen Totpunkt erlaubt die Verbrennung des Kraft stoffs und die Kolbenbewegung optimal aufeinander abzu¬ stimmen, wobei die Verbrennung im oberen Totpunkt be¬ ginnt. Eine solche Verschiebung des Einspritzungsinter¬ valls in Richtung auf einen späteren Zeitpunkt hin ist deswegen möglich, weil der Ko.lben länger im Bereich sei¬ ner oberen Totpunktstellung verweilt. Dies bringt auch

einen verringerten Zündverzug mit verringerten Tempe¬ raturen und Druckbelastungen für den Motor. Versuche haben außerdem gezeigt, daß eine erhebliche Kraftstoff¬ einsparung unter Beibehaltung gleicher Leistungen er- zielbar ist. Schließlich ist auch die Verwendung unter¬ schiedlichster Kraftstoffe möglich, da die Kolbenge¬ schwindigkeit veränderbar und den jeweiligen Kraftstof¬ fen anpaßbar ist. Versuche haben bewiesen, daß Diesel- motore mit der beschriebenen Kinematik ohne Umstellungs- maßnahmen und ohne Leistungsabfall auch mit Benzin be¬ trieben werden können. Außerdem besteht die Möglichkeit, wegen der geringeren Kolbenbelastung Kolben schwächerer Ausbildung oder mit geringerem Gewicht zu verwenden.

In Ausgestaltung der Kraft- oder Arbeitsmaschine ist noch vorgesehen, daß der obere Pleuelabschnitt gabel¬ förmig ausgebildet ist und eine Lagerscheibe verdreh¬ ungsfrei fest trägt, an die der untere Pleuelabschnitt und der Schwenkhebel mit den der Kurbelwelle bzw. der Stützachse abgewandten Enden angelenkt sind. Bevorzugt weisen die Gabelende des oberen Pleuelabschnitts Ab¬ setzungen auf, die durch die Lagerscheibe überragt sind, wobei die Umfangsfl che der Lagerscheibe den unteren Pleuelabschnitt zentrisch stützt und der im Bereich der Absetzungen sich erstreckende Teil der Lagerscheibe ge¬ lenkig mit dem Schwenkhebel exzentrisch verbunden ist. Hierdurch ist auf einfache Weise die geforderte axiale Verlängerung am oberen Pleuelabschnitt und eine schmale Bauart für das durch die Pleuelabschnitte gebildete Pleuel erzielt, wodurch die Pleuelabschnitte und der

Schwenkhebel auch in MehrZylindermaschinen platzsparend

untergebracht werden können. Ferner ist noch vorge¬ sehen, die Stützachse entweder im Motorblock bzw. außerhalb des Motorblocks anzuordnen. Bei der letzt¬ genannten Ausführung durchgreift der Schwenkhebel zur Verbindung mit der Stützachse eine Ausnehmung in der

Motorblockwandung. Zu einem verbesserten Masβenaus.gleic bei der Kraft- und Arbeitsmaschine ist gemäß bevorzug¬ ter Ausführung vorgesehen, daß der obere Pleuelabschnit symmetrisch in der Längsmittelebene einen streifenför- migen Steg mit einem an dem dem Kolben abgewandten Ende angeordneten Zylinderabschnitt fest aufweist, dessen den Steg zu beiden Seiten überragende Teilabschnitte Ringteile des unteren Pleuelabschnitts llagern und daß der obere Zylinderabschnitt in der Stegebene und der untere Pleuelabschnitt zwischen den Ringteilen Ausneh¬ mungen aufweisen, die quer durch einen im Zylinderab¬ schnitt exzentrisch angeordneten Bolzen durchgriffen ist, an dem der Schwenkhebel mit einem Ende angreift. Abgesehen der. so erreichten Gewichtseinsparung insbe- sondere beim oberen Pleuelabschnitt, Bolzen und Schwenk¬ hebel von etwa einem Drittel gegenüber dem Gewicht.- der vorerwähnten Ausführung, erlaubt der Steg Biegebeanspru¬ chungen in Grenzen aufzunehmen und auszugleichen. Fer¬ nerhin wird ein. schmaler Aufbau des Pleuels erzielt, so daß die sowieso geringeren Gegengewichte der Kurbelwel¬ le platzsparend ausbildbar sind.. Außerdem ist vorge¬ sehen, den unteren Pleuelabschnitt durch überfeine Teil¬ länge durch Klemmglieder, z. B. Schrauben miteinander verbundene Hälften zu bilden, die an den kolbenseitigen Enden je einen der Ringteile aufweisen, wobei die gemein same Breite beider Pleuelabschnittshälften gleich oder

kleiner als die axiale Länge des Zylinderabschnitts ist. Die Teilung des unteren Pleuelabschnitts gibt die Voraussetzung für eine Montage der Pleuelabschnit¬ te und des Schwenkhebels. Von besonderem Vorteil hat sich erwiesen, wenn die beiden Ringteile des unteren Pleüelabschnitts anstelle der bisherigen Gleitlager durch Nadellager auf die Teilabschnitte des oberen Pleu¬ elabschnitts, abgestützt sind. Zur Vermeidung von Hal¬ tegliedern zur Verhütung, unerwünschter axialer Bewe- gungen des Bolzens ist vorgesehen, daß dieser mit

Preßsitz durch den Schwenkhebel umfaßt ist und mittels des Schwenkhebels verschiebungsfrei im Zylinderab¬ schnitt gehalten ist. Letztlich besteht noch die Mög¬ lichkeit, die wirksame Länge des Schwenkhebels da- durch veränderlich zu gestalten, daß- der Schwenkhebel mit dem dem Zylinderabschnitt abgewandten Ende an einem auf einer drehbeweglichen Scheibe exzentrisch ausgebildeten Achse oder Welle gelagert ist.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung verdeutlicht. Hierin zeigen: Fig. 1 eine Kraft- oder Arbeitsmaschine schematisch im Schnitt, Fig. 2 eine Kraft- oder Arbeitsmaschine im Schnitt, Fig. 3 Teilstücke von Pleuelabschnitten und Schwenk¬ hebel in Seitenansicht, Fig. 4 und 5 verschiedene graphische Darstellungen, Fig. 6 Pleuelabschnitte und Schwenkhebel gemäß einer anderen Ausführung im Schnitt,

Fig. 7 Pleuelabschnitte und Schwenkhebel der Fig. 6 in Seitenansicht,

Fig. 8 einen oberen Pleuelabschnitt im Schnitt, Fig. 9 einen unteren Pleuelabschnitt in Vorder¬ ansicht und Fig. 10 einen Schwenkhebel in Vorderansicht.

In den Fig. ist mit 1 ein Zylinder, z„ B. einer Ver¬ brennungskraftmaschine bezeichnet, der einen Kolben 2 verschieblich aufnimmt. Der Zylinder 1 ist beim Aus¬ führungsbeispiel am oberen Ende durch einen plattenför- migen Zylinderkopf 3 verschlossen. Die Einrichtungen für die Zuführung von Brennstoff und Luft bzw. Brenn¬ stoffgemisch und der Abführung von Verbrennungsgasen sind aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt.

Der Kolben 2 nimmt einen Kolbenbolzen 4 auf, an dem ein oberer Pleuelabschnitt 5 mit seinem oberen Lager 6 schwenkbeweglich angreift. Der Pleuelabschnitt 5 ist gabelförmig ausgeführt und die Schenkel 7 des Pleuel¬ abschnitts 5 halten im Bereich der freien Enden mittels Bolzen 8 eine Lagerscheibe 9, an die das obere Ende eines unteren Pleuelabschnitts 10 angelenkt ist, der mit seinem unteren Lager 18 an einer Kurbelwelle 11 angreift. Die Schenkel 7 weisen Absetzungen 12 auf, die durch die Lagerscheibe 9 überragt sind. An der Lagerscheibe 9 greift mittels eines Bolzens 13 ein

Schwenkhebel 14 mit einem Ende 14'' gelenkig an, der mit seinem anderen Ende 14 * in einem an einer Stütz¬ achse 15 exzentrisch angeordneten Lager 16 schwenkbar gestützt ist. Wie insbesondere die Fig. 1 und 3 zeigen, ist die Anlenkstelle für den Schwenkhebel 15 am obe¬ ren Pleuelabschnitt 5 um die Verlängerung 27 über die

gemeinsame Anlenkstelle beider Pleuelabschnitte 5 und 10 hinausgeführt. Durch Verdrehen der Stützachse 15 sind die Stellungen des Lagers 16 und damit die wirksame Länge des Schwenkhebels 14 veränderbar.

In Fig. 1 befindet sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt. Bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 bewegt sich das kolbenseitige Pleuellager 6 längs der Zylinderachse 22 und die Lagerscheibe 9 auf einer Bewegungsbahn in Form eines Kreisbogens 17. Der Bolzen 13 bewegt sich auf einer weiteren Kreisbahn 21. Gleichzeitig dreht die Kurbelwelle 11 und mit ihr das kurbelwellenseitige La¬ ger 18 in Richtung des Pfeils 19. Die Lageänderungen der Pleuelabschnitte 5, 10 und des Schwenkhebels 14 im unteren Totpunkt des Kolbens 2 entsprechen den gestri¬ chelten Linien. Die entsprechende Stellung des kurbel- wellenseitigen Lagers 18 ist durch die Buchstaben UT bezeichnet. Es zeigt sich, daß bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 2 aus dem oberen Totpunkt sich die Bewe- gungsbahn 17 für die Lagerscheibe 9 der Zylinderachse 22 annähert und diese im weiteren Verlauf der Abwärts¬ bewegungen des Kolbens 2 schneidet. Hierdurch ist er¬ reicht, daß der Kolben 2 bei seinen Bewegungen aus dem oberen Totpunkt zunächst nur langsam vom Totpunkt ent- fernt wird, während das kurbelwellenseitige Pleuella¬ ger 18 bereits einen relativ großen Kurbelwellenwinkel durchläuft und der untere Pleuelabschnitt 10 eine Stellung erreicht, in der er in der Lage ist, ein großes Drehmoment zu übertragen. Dieser Zusammenhang läßt sich-aus den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kur¬ ven entnehmen. Die Fig. 4 zeigt dabei mit der ausge-

zogenen Linie 23 einen Momentenverlauf bei einer Ver¬ brennungskraftmaschine erfindungsgemäßer Ausbildung. Auf der Abszisse sind die 360° einer Kurbelwellenum¬ drehung und auf der Ordinate. der für konstante Kolben- aufdruckkraft ermittelte Momentenwert aufgetragen. Die gestrichelte Linie 24 gibt den Momentenverlauf bei einem herkömmlichen Vergleichsmotor wieder. Es zeigt sich, daß das maximale Drehmoment mit der Linie 23 bei etwa 45° Kurbelwellenumdrehung und bei der gestrichel- ten Linie bei etwa 65° KurbelwellenUmdrehung erreich¬ bar ist. Geht man mit diesen Werten in die Fig. 3, wel¬ che den Kolbenweg über der Kurbelwellenumdrehung zeigt, wobei die ausgezogene Linie 25 die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine und die gestrichelte Linie 26 für einen herkömmlichen Vergleichsmotor gelten, so er¬ kennt man, daß der Kolben 2 beim Vergleichsmotor (Li¬ nie 26) seinen oberen Totpunkt früher verläßt und spä¬ ter wieder erreicht, also insgesamt sehr viel kürzer im Bereich seiner oberen Totpunktstellung verweilt als der Kolben 2 der erfindungsgemäßen Ausführung (Linie 25) .

Messungen beim Betrieb des Motors mit der beanspruch¬ ten Kinematik von Pleuel und Schwenkhebel haben gezeigt, daß ein um 40 % geringerer Kraftstoffverbrauch bzw. eine entsprechend höhere Leistung erreichbar ist. Darüber- hinaus enthalten die Abgase weniger Schadstoffe. Bei den Abgasen geht der Anteil an Stickoxyd um ca. 55 %, der Anteil an Rußteilchen um ca. 75 % zurück. Wie ge¬ sagt, entstehen auch geringere Spitzendrucke und man erhält durch den kürzeren Zündverzug eine weiöhe Ver¬ brennung, das heißt, annähernd eine Gleichraumverbrenn-

ung. Der Lauf der Brennkraftmaschine wird dadurch ruhiger. Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine kann mit Dieselkraf stoff, Benzin oder anderweiti¬ gen, auch geringwertigen Kraftstoffen, z. B. Pflan- zenδlen erfolgen. Außerdem bleibt der Motor insge¬ samt kühler, wodurch ein verkleinertes Kühlsystem Anwendung finden kann. Versuche haben gezeigt, daß der Motor ggf. sogar ohne Wasserkühlung gefahren wer¬ den kann. Eine vergrößerte Motorδlmenge mit einem notfalls zugeordneten Ölkühler dürfte zur Abführung der verringerten Wärmemenge ausreichen. Hierdurch sind auch Vorteile hinsichtlich des Gefrierschutzes bei Winterbetrieb gegeben.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 bis 10 ist der obere Pleuelabschnitt 30 mit seinem oberen Lager 31 an einem Kolbenbolzen 32 gelagert und an dem dem Kolben abgewandten Ende mit einem Zylinderabschnitt 33 ver¬ sehen. Das Lager 31 und der Zylinderabschnitt 33 sind durch einen symmetrisch zur Längsmittelachse des obe¬ ren Pleuelabschnitts sich erstreckenden Steg 34 mit¬ einander verbunden. An den Teilabschnitten 33* und 33* ' des Zylinderabschnitts 33 sind Ringteile 36 und 36' eines mit seinem Lager34 mit der Kurbelwelle 11 verbundenen unteren Pleuelabschnitt 35 gelagert. Das Lager 31, die Teil¬ abschnitte 33' und 33 ' * sowie das Lager 34 nehmen Na¬ dellager 43 auf. Im Zylinderabschnitt 33 und zwischen den Teilabschnitten 33' und 33'' sind Ausnehmungen 38 und 38' vorgesehen, durch die ein Schwenkhebel 39 hin- durchgreift, der einen in den Teilabschnitten 33' und 33'' drehbar geführten Bolzen 40 mit Preßsitz umfaßt

und mit seinem anderen Ende 39' an einer motorgehäu¬ sefesten Abstützung, z. B. einem auf einer drehbar einstellbaren Scheibe 44 exzentrisch angeordneten Zap¬ fen 41 abgestützt ist. Zur Bildung der Verlängerung 27 am oberen Pleuelabschnitt 30 ist der Bolzen 40 mit seiner Mittelachse bei^der Ausführungsform der Fig. 6 bis 10 zur Mittelachse des Zylinderabschnitts 33 versetzt. Die Ausgestaltung der Pleuelabschnitte 30 und 35 erbringt ein besonders schmales Pleuel mit verringertem Gewicht, wodunch ein günstiger Massenausgleich und eine vorteil¬ hafte Führung der Kurbelwelle 11 zum Pleuel erfolgen kann. Schließlich erbringt der Steg 34 des oberen Pleu¬ elabschnitts 30 zu beiden Seiten Freiräume .45, durch . _: die Kurbelwellenteile, etwa Massenausgleichsgewichte hindurchführbar sind. Außerdem greift der Schwenkhebel 39 im Bereich der Längsmittelebene an den Pleuelab¬ schnitten 30. und! 35 an, wodurch Kippmomente an Schwenk¬ hebel 39 und Pleuelabschnitten 30, 35 vermieden sind. Es versteht sich, daß anstelle des den Schwenkhebel 39 stützenden Zapfens 41 auch eine umlaufende Welle als Stützglied für den Schwenkhebel 39 Anwendung finden kann.

Der untere Pleuelabschnitt 35 ist beim Ausführungsbei- spiel durch Hälften 35',.35'* gebildet, die durch

Klemmglieder, z. B. Schrauben 44 aneinander gehalten sind. Zur Vermeidung überstehender Enden sind Einsen- kungen 46 für die Aufnahme der Schraubenköpfe 47 und Muttern 48 der Klemmglieder vorgesehen.