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Dokumentenidentifikation DE102005046852A1 19.04.2007
Titel Verbrennungsmotor
Anmelder Arnold, Jörg, Dr., Bern, CH
Vertreter Ullrich & Naumann, 69115 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 29.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005046852
Offenlegungstag 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse F16C 3/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01M 1/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Verbrennungsmotor mit einem hin- und herschiebbar angeordneten Kolben, insbesondere Hubkolben, wobei der Kolben mit einer Welle (1), insbesondere Kurbelwelle, zum Antreiben der Welle (1) gekoppelt ist, ist im Hinblick auf einen laufruhigen Betrieb derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Welle (1) als Hohlwelle (2) ausgebildet ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem hin- und herschiebbar angeordneten Kolben, insbesondere Hubkolben, wobei der Kolben mit einer Welle, insbesondere Kurbelwelle, zum Antreiben der Welle gekoppelt ist.

Verbrennungsmotoren der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in den unterschiedlichsten Ausführungsformen. Die bekannten Motoren werden mit beliebigen Treibstoffen wie beispielsweise Benzin oder Diesel oder auch alternativen Treibstoffen betrieben. Die bekannten Motoren finden ihre Anwendung beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, wobei Verbrennungsmotoren mit bis zu zwölf Zylindern und einer entsprechenden Anzahl von Hubkolben üblich sind.

Ein wesentliches Ziel der Motorenentwicklung der letzten Jahre ist die hinsichtlich Treibstoffverbrauch optimierte Gestaltung der Motoren. Hierzu existieren verschiedenste Ansätze hinsichtlich der Optimierung des Verbrennungsprozesses und der Gestaltung der Komponenten eines Verbrennungsmotors. Dabei existieren Überlegungen zur Entwicklung von Verbrennungsmotoren, die bei hohen Drehzahlen arbeiten.

Ein großes Problem bei mit hohen Drehzahlen arbeitenden, so genannten schnell laufenden Hubkolben-Verbrennungsmotoren stellen die Kurbelwellenschwingungen dar, die durch die harten Schläge der Verbrennungsdruckspitzen und die periodische Wechsellast auf den Kurbeltrieb angeregt werden. Durch die geknickte oder gekröpfte Bauform heutiger Kurbelwellen treten neben den radialen Schwingungsformen der Kurbelwelle wie beispielsweise Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen auch Knickschwingungen auf, die an axiale Schwingungen der Kurbelwelle koppeln. Die Torsionsschwingungen überlagern sich zur Wechsellasttordierung der Kurbelwelle über den Arbeitstaktzyklus. Diese Situation legt die maximale Kurbelwellendrehzahl fest und führt bei Überschreitung dieser Kurbelwellendrehzahl zum Kurbelwellenbruch. Die heutige maximal anwendbare Kurbelwellendrehzahl könnte zur Steigerung der Leistungsausbeute bis zu derjenigen Drehzahl bzw. bis zu denjenigen Gaswechselfrequenzen noch wesentlich gesteigert werden, bei denen die Verbrennung unvollständig wird. Die maximal anwendbare Drehzahl der Kurbelwelle ist heute noch durch die mechanische Festigkeitsgrenze der Kurbelwelle bedingt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem ein laufruhiger Betrieb mit konstruktiv einfachen Mitteln erreicht ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist der Verbrennungsmotor derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Welle als Hohlwelle ausgebildet ist.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass durch eine veränderte Ausgestaltung der Kurbelwelle die obige Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst wird. Hierzu ist die Welle im Konkreten als Hohlwelle ausgebildet. Dadurch sind auftretende Resonanzschwingungen und vor allem die Knickschwingungen deutlich vermindert. Des Weiteren sind weitere Arten von Resonanzschwingungen zu höheren Drehzahlen hin verschoben. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor in einem weiteren Drehzahlband bis zu höheren Drehzahlen hin ohne wesentlich störende Schwingungserscheinungen der Kurbelwelle betrieben werden.

Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ein Verbrennungsmotor angegeben, bei dem ein laufruhiger Betrieb mit konstruktiv einfachen Mitteln erreicht ist.

Im Konkreten könnte die Hohlwelle als Rohr oder Präzisionsrohr ausgebildet sein, wobei die übliche gekröpfte Bauform vermieden ist. Dies stellt eine besonders einfache Konstruktion dar.

Durch die Verwendung einer Hohlwelle kann bei gleicher Querschnittsfläche des Wellenmaterials, im Vergleich zu einer herkömmlichen Kurbelwelle, eine wesentlich höhere Torsionssteifigkeit und Biegefestigkeit erreicht werden. Das Verhältnis der Torsionswinkel ϕ11, die durch ein angelegtes gleiches Manteldrehmoment in einer herkömmlichen Vollmaterialwelle und in einer Hohlwelle erzeugt werden, ist: ϕ10 = ((R + d)2 – R2)/((R + d)2 + R2), wobei ϕ10 das Verhältnis der Torsionswinkel bei einer Vollmaterial-Kurbelwelle (Index 1) zu einer Hohlwelle (Index 0) ist, R der Hohlwelleninnendurchmesser ist und d die Hohlwellenwandstärke ist. Ist z.B. die Wandstärke der zylindrischen Hohlwelle gleich dem ganzen, dem halben, dem viertel Innenradius, so ist der Torsionswinkel unter dem immer gleichen angelegten Manteldrehmoment ungefähr gleich dem halben, dem drittel, dem fünftel Torsionswinkel einer Vollmaterialwelle mit gleicher Materialquerschnittsfläche und bei gleichem angelegten Drehmoment. Das Torsionsflächenmoment, also die Geometrie der Welle, geht neben dem Torsionsmodul und der Torsionslänge direkt in die Größe der Rückstellkraft bei der Torsionsschwingung und damit in die freie ungedämpfte Schwingungsdauer bzw. Resonanzschwingungsfrequenz der Welle ein. Ähnliches gilt für die Biegesteifigkeit bzw. Biegeresonanzschwingung einer Hohlwelle im Vergleich zu einer Vollmaterialwelle mit gleicher Materialquerschnittsfläche. Die Wandstärke der Hohlwelle kann zur Steigerung der Torsionssteifigkeit und Biegesteifigkeit jedoch nicht beliebig dünn gehalten werden, da sonst Formschwingungen des Hohlwellenrohrprofils auftreten können.

Im Hinblick auf einen besonders laufruhigen Betrieb könnte die Hohlwelle mittels mindestens eines Lagerelements gelagert sein. Dies garantiert eine sichere Führung der Hohlwelle während des Betriebs des Motors und während ihrer Drehungen.

Im Konkreten könnte das Lagerelement in besonders einfacher Weise als Ringmanschette ausgebildet sein. Eine derartige Ringmanschette könnte die Hohlwelle umgreifen und mit einem Motorblock gekoppelt sein.

Im Hinblick auf einen sicheren Antrieb der Welle mittels der Kolben könnte auf der Hohlwelle mindestens ein Exzenterelement zur Kopplung mit dem Kolben angeordnet sein. Eine Hin- und Herbewegung des Kolbens könnte hierdurch auf einfache Weise einen Drehantrieb der Welle gewährleisten.

In konstruktiv besonders einfacher Weise könnte das Exzenterelement als Exzenterscheibe ausgebildet sein. Je nach Größe der Exzentrizität der Anordnung der Exzenterscheibe auf der Hohlwelle ergibt sich ein unterschiedlicher vorgebbarer Kolbenhub.

Im Hinblick auf eine besonders einfache Montage der Exzenterscheibe auf der Hohlwelle könnte die mindestens eine Exzenterscheibe auf die Hohlwelle aufgeschoben sein. Hierzu weist die Exzenterscheibe einen der Querschnittsfläche der Hohlwelle angepassten Durchgang auf.

Die mindestens eine Exzenterscheibe könnte im Hinblick auf einen besonders sicheren Betrieb des Verbrennungsmotors auf der Hohlwelle fixiert sein. Eine derartige Fixierung könnte mittels einer Verkeilung realisiert sein.

Im Hinblick auf eine besonders sichere Kopplung zwischen Kolben und Hohlwelle könnte zwischen dem Kolben und der Hohlwelle eine Pleuelstange wirken, die mit der Exzenterscheibe oder dem Exzenterelement gekoppelt ist.

Im Hinblick auf eine sichere Kopplung zwischen der Pleuelstange und der Exzenterscheibe könnte die Pleuelstange an ihrem hohlwellenseitigen Ende eine Aufnahme für die Exzenterscheibe aufweisen. Die Exzenterscheibe könnte in die Aufnahme eingefügt und von der Aufnahme vollständig umgeben sein. Im Konkreten könnte die Aufnahme einen im Wesentlichen kreisförmigen Durchgang oder eine im Wesentlichen kreisförmige Ausnehmung für die Exzenterscheibe aufweisen. Hierdurch ist eine sichere Lagerung der Exzenterscheibe in der Aufnahme der Pleuelstange gewährleistet.

Zur Gewährleistung eines sicheren und laufruhigen Betriebs des Verbrennungsmotors könnte zwischen der Pleuelstange oder Aufnahme und der Exzenterscheibe ein vorzugsweise als Gleit-, Wälz- oder Nadellager ausgebildetes Lager angeordnet sein. Hierdurch kann ein übermäßiger Verschleiß der Pleuelstange und/oder der Exzenterscheibe während der Relativbewegung dieser beiden Bauteile zueinander vermieden werden.

Die oben beschriebene erfindungsgemäße Hohlwelle, die bei einer Ausstattung mit Exzenterelementen auch als Exzenterwelle bezeichnet werden kann, lässt sich in besonders vorteilhafter Weise mit einem so genannte Schleppbüchsenmotor kombinieren, der in der DE 101 07 096 A1 beschrieben ist. Ein derartiger Schleppbüchsenmotor weist bei Verwendung einer herkömmlichen Kurbelwelle die Eigenart auf, dass die dort verwendeten zwei Pleuelstangen je Zylinder eine weitere doppelte Kröpfung je Zylinder benötigen. Dadurch wird der Abstand zweier Kurbelwellenhauptlager je Zylinder, also der Abstand des linken und des rechten Hauptlagers je Zylinder, größer. Bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Exzenterwelle anstelle einer herkömmlichen Kurbelwelle entfällt die Kröpfung und die beiden Pleuelstangen bzw. die beiden Pleuelstangenexzenterscheiben je Zylinder können sehr dicht nebeneinander angeordnet werden. Sowohl Kurbelwellenhauptlager als auch Exzenterwellenhauptlager stellen Schwingungsknotenpunkte für die auftretenden stehenden Biegeschwingungswellen auf der Kurbelwelle oder der Exzenterwelle dar. Durch ein Zusammenrücken der Schwingungsknotenpunkte wird die Fundamentalfrequenz bzw. die erste auftretende Resonanzfrequenz zu kürzeren Wellenlängen hin und damit zu höheren Drehzahlen hin verschoben.

Durch die höhere Biegesteifigkeit und Torsionssteifigkeit der Exzenterwellenkonstruktion zusammen mit der Möglichkeit, entsprechend der charakteristischen schmalzylindrigen Bauform des Schleppbüchsenmotors zwei sehr dicht beieinander liegende Hauptlager auf der Exzenterwelle anzuordnen, können die Eigenresonanzen der Exzenterwelle zu wesentlich höheren Drehzahlen hin verschoben werden, als dies für eine normale Kurbelwellenkonstruktion möglich ist. Des Weiteren werden kröpfungsbedingte Knickschwingungen in einer Exzenterwelle vollkommen vermieden. Durch die spezielle Konstruktion einer Exzenterhohlwelle können die Kurbelwellenschwingungen weiter hydrodynamisch gedämpft werden, falls die Hohlwelle mit einer wie unten beschrieben unter Zentrifugalspannung stehenden Ölbefüllung kombiniert wird.

Ein Schwungmassen-Wuchtausgleich kann ebenfalls mittels entsprechend dimensionierter Exzenterwellenscheiben erfolgen, die beispielsweise neben den Pleuelexzenterscheiben angeordnet werden könnten. Eine Boxerkonstruktion des Schleppbüchsenmotors könnte interessant sein, da hier die Drehmassen sehr klein gehalten werden können, weil beispielsweise auf Schwungausgleichsmassen auf der Kurbelwelle oder der Exzenterwelle verzichtet werden können und der Motor wegen der fehlenden üblichen Zylinderkopfkonstruktion trotzdem sehr schmal baut. Ein Schleppbüchsenmotor mit Exenterwelle baut allerdings wegen der breiteren Exzenterwelle im Vergleich zu einer Kurbelwelle etwas breiter als ein Schleppbüchsenmotor mit herkömmlicher Kurbelwelle.

Unter der Voraussetzung, dass die Hohlwelle der Exzenterwelle vollständig in der Exzenterscheibe der Exzenterwelle angeordnet ist, ist der innere Baudurchmesser B eines Motorblocks um die Exzenterwelle herum: B = 2E + DE = H + DE, wobei E die Exzentrizität ist, d.h. der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Exzenterscheibe und dem Mittelpunkt der Hohlwelle, und DE der äußere Durchmesser der Exzenterscheibe der Exzenterwelle ist. H ist der Kolbenhub H = 2E. Der Schleppbüchsenmotor mit Exzenterwelle baut im Bereich des Motorfußes ungefähr um den Durchmesser einer Exzenterscheibe breiter als ein Schleppbüchsenmotor mit herkömmlicher Kurbelwelle.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Exzenterwelle im Vergleich zu einer herkömmlichen Kurbelwelle sind die wesentlich geringen Fertigungskosten. Es kann beispielsweise auf Schmiedewerkzeugbau, Schmieden, Einsatzhärten, Aufcromen, Präzisionsschleifen und dergleichen verzichtet werden. Die Exzenterwelle könnte nur aus abgedrehten Normalstahlbauteilen bestehen. Bei der Verwendung von Normwälzlagern oder Normgleitlagerbahnen und Gleitlagerschalen zur Pleuelstangenlagerung auf den Exzenterscheiben müssen selbst diese nicht besonders aufwendig bearbeitet werden.

Die erfindungsgemäße Konstruktion der Exzenterwelle als Hohlwelle bietet die Möglichkeit, auf ein separates Ölförderaggregat wie beispielsweise eine Zahnradförderpumpe mit allen zusammenhängenden Nachteilen wie beispielsweise Verschleißanfälligkeit, Reparaturanfälligkeit, geringe Fördereffizienz, geringe Ölförderdrücke gegen beispielsweise Ölfilter, Geräusch- und Vibrationserzeugung, zusätzliche notwendige Antriebskonstruktion wie Zahnrad-, Riemen- oder Kettenantrieb und zusätzliche Aggregate oder Bauteilkosten der Motorenkonstruktion zu verzichten. Hierzu könnte der Innenraum der Hohlwelle als Zuführung für ein Schmiermittel genutzt oder mit einem Schmiermittel befüllt sein. Während der Drehung der Hohlwelle könnte diese als Zentrifugalpumpe genutzt werden, bei der das zu fördernde Schmiermittel in die Hohlwelle einlaufen kann und durch die Wellenrotation beschleunigt und unter Zentrifugaldruck gesetzt wird. Dabei könnte in der Hohlwelle mindestens ein sich von ihrem Innenraum bis in Ihren Außenbereich erstreckender Durchgang oder Schmiermittelkanal ausgebildet sein, so dass das Schmiermittel unter einem erzeugten Druck durch den Durchgang oder Schmiermittelkanal als Schleuderschmiermittel in den Motoreninnenraum austreten oder abgeführt werden kann.

Zur vorteilhaften und kontrollierten Weiterleitung des Schmiermittels aus der Hohlwelle könnte in dem Exzenterelement oder in der Exzenterscheibe mindestens ein Durchgang oder Schmiermittelkanal ausgebildet sein, der mit dem Durchgang oder Schmiermittelkanal der Hohlwelle strömungsverbunden angeordnet ist. Ein derartiger Durchgang oder Schmiermittelkanal oder derartige Durchgänge oder Schmiermittelkanäle könnten bezüglich der Längsachse der Hohlwelle radial ausgebildet sein. Im Konkreten könnten die Durchgänge oder Schmiermittelkanäle durch die Exzenterscheiben radial gebohrt sein.

In weiter vorteilhafter Ausgestaltung könnte der Durchgang oder Schmiermittelkanal oder könnten die Durchgänge oder Schmiermittelkanäle mit dem Lager zwischen Pleuelstange und Exzenterelement oder Exzenterscheibe strömungsverbunden sein. Hierdurch könnten die exzenterelementseitigen Pleuellager und auch kolbenseitige bzw. schleppbüchsenseitige Pleuellager auf elegante und wirkungsvolle Weise mit Schmiermittel versorgt werden.

Insbesondere zur sicheren Versorgung eines kolbenseitigen oder schleppbüchsenseitigen Pleuellagers könnte die Pleuelstange einen inneren Schmiermittelkanal aufweisen. Ein derartiger innerer Schmiermittelkanal könnte sich vom hohlenwellenseitigen Ende der Pleuelstange bis zum kolbenseitigen Ende der Pleuelstange erstrecken. Im Konkreten könnte die Pleuelstange oder könnten die Pleuelstangen über innere, längsgebohrte Schmiermittelkanäle verfügen, die das Schmiermittel aus den Schmiermittelauslassöffnungen der Exzenterelemente oder Exzenterscheiben über Schmiermitteldurchlassbohrungen in den exzenterscheibenseitigen Pleuelgleitlagerbahnen aufnehmen und zwischen die kolbenseitigen oder schleppbüchsenseitigen Pleuellagerschalen leiten. Nach außen führende Schmiermittelkanalbohrungen am kolbenseitigen oder schleppbüchsenseitigen Ende der Pleuelstangen könnten Schmiermittel zur Kolbenbodenkühlung abgeben.

Alternativ oder zusätzlich könnte das Schmiermittel auch durch Kanäle, Durchgänge oder Bohrungen in der Hohlwelle in Ringmanschetten gedrückt werden, die die Hohlwelle an bestimmten Stellen azimutal vollständig, d.h. um 360°, oder nur teilweise umfassen und in denen die Hohlwelle läuft. Hierzu könnte das Lagerelement oder die Ringmanschette eine Nut, insbesondere Ringnut, zur Aufnahme von Schmiermittel aufweisen. Die Nut oder Ringnut könnte mit einem in dem Lagerelement oder in der Ringmanschette ausgebildeten Schmiermittelkanal strömungsverbunden sein. Im Konkreten könnte eine Ringmanschette eine Ringnut aufweisen, unter der die Hohlwellen-Schmiermittelaustrittsdurchgänge entlang laufen. Die Ringnut könnte wiederum mit einem oder mehreren Schmiermittelkanälen verbunden sein, an die beispielsweise Schmiermitteldruckschläuche angeschlossen sein könnten.

Zur Förderdruckerhöhung könnte eine Ringmanschette auch auf einer mit radialen Schmiermittelaustrittbohrungen oder -durchgängen versehenen Zentrifugenscheibe laufen, die wiederum zentrisch auf der Hohlwelle der Exzenterwelle angeordnet ist. Mit anderen Worten könnte das Lagerelement oder die Ringmanschette auf einer mit radialen Schmiermittel-Durchgängen versehen Scheibe angeordnet sein. Eine derartige Scheibe könnte zentrisch auf der Hohlwelle angeordnet sein.

Mittels einer derartigen Scheibe oder Zentrifugenscheibe wird der Kreisbahnradius bzw. der Zentrifugalbahnradius vergrößert, was wiederum den Förderdruck erhöht. Der Druck p, den diese Zentrifugalpumpe mit der Drehzahl . erzeugt, beträgt: p = 4/3&pgr;&rgr;.2[(D/2)3 – (D/2 – d – h)3]/D, wobei &rgr; die Schmiermitteldichte ist, . die Drehfrequenz (.= 1/T) der Exzenterwelle ist, D der Zentrifugalbahnradius, beispielsweise der Zentrifugenscheibenradius, ist, d die Wandstärke der Hohlwelle der Exzenterwelle ist und h die Schichtdicke der Ölfilmlage auf der Innenwand der Hohlwelle ist.

Für die angenommenen Konstruktionswerte, Hohlwellenaußendurchmesser 15 cm, Exzenterscheibendurchmesser 31 cm, Exzentrizität 8 cm bzw. Hub 16 cm, Hohlwellenwandstärke 1 cm, Ölstegbreite 1 cm, Schmieröldichte 0,8 g/cm3, liefert die Exzenterwelle bei 1.000, 2.000, 3.000, 4.000, 5.000, 6.000, 7.000, 8.000 Umdrehungen pro Minute einen Öldruck von 1,59, 6,37, 14,35, 25,5, 39,85, 57,39, 78,12, 102,03 bar. Die Exzenterwelle kann ohne jeglichen Verschleiß sehr hohe Schmiermittelförderdrücke erzeugen. Aufgrund dieser extrem hohen möglichen Schmiermitteldrücke können für alle Pleuellager Gleitlager verwendet werden, die wesentlich temperaturfester sind als Wälzlager.

Das weggeförderte Schmiermittel sammelt sich am Boden des Motorgehäuses. Der Schmiermittelspiegel bzw. die gesamte Schmiermittelmenge ist so bemessen, dass das zurücklaufende Schmiermittel wieder in die Exzenterhohlwelle einlaufen kann. In der Exzenterhohlwelle sollte eine bestimmte Schmiermittelschichtdicke an der rotierenden Hohlwelleninnenwand aufrechterhalten werden, um einen kontrollierten Schmiermittelförderdruck zu gewährleisten. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass mindestens ein offenes Ende der Hohlwelle einen Innenrand oder Innensteg aufweist. Mit anderen Worten kann hierdurch ein offenes Ende der zylindrischen Hohlwelle verjüngt oder abgeschlossen werden. Die Breite des Innenrands oder Innenstegs könnte der geforderten Dicke der Schmiermittellage entsprechen. Unterhalb dieses Rands bzw. dieses Hohlwellenabschlussstegs kann sich an der Hohlwelleninnenwand die geforderte Schmiermitteldicke aufbauen, wobei etwaiger Schmiermittelüberschuss durch die Zentrifugalkraft über diesen Rand oder Steg hinweg wieder aus der Hohlwelle herausgeschleudert wird.

Hinsichtlich eines sicheren Betriebs des Verbrennungsmotors könnte in der Hohlwelle ein Filterelement angeordnet sein, das zur Schmiermittelreinigung dient. Im Konkreten könnte das Filterelement als in die Hohlwelle passendes Rohr aus Filtermaterial ausgebildet sein. Ein derartiges Rohr könnte in einfacher Weise in die Hohlwelle eingeschoben werden. Als Filtermaterial bietet sich ein Filterfließ z.B. Filterzellulose an. Dabei könnte das in die Hohlwelle eintretende Schmiermittel zuerst in das Rohr einlaufen und dann das Filtermaterial unter der Wirkung der Zentrifugalkraft durchdringen, bis es sich an der Hohlwelleninnenwand sammelt oder dort durch die Durchgänge oder Schmiermittelkanäle abfließt. Bei der Verwendung eines derartigen Filterelements könnte gegebenenfalls auf den Hohlwellenendsteg oder Innenrand verzichtet werden, da das Filterelement ebenfalls eine kontrollierte Schmiermittelschichtdicke an der Hohlwelleninnenwand sicherstellt.

Ein weiterer Vorteil der Schmiermittellage auf der Hohlwelleninnenwand ist die durch die Schmiermittellage bedingte Schwingungsabsorption oder Schwingungsdämpfung und deren Unwuchtausgleich der Exzenterwelle. Die Integration der erfindungsgemäßen Exzenterwelle als Schmiermittel-Förderaggregat spart den Leistungsbedarf herkömmlicher Motorenkonstruktionen für den Schmiermittelförderpumpenantrieb ein.

Zum Unwuchtausgleich könnte in vorteilhafter Weise und im Hinblick auf einen besonders laufruhigen Betrieb des Verbrennungsmotors auf der Hohlwelle mindestens eine Ausgleichsmasse zum Schwingungsausgleich angeordnet sein.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 in einer schematischen und teilweise geschnitten Vorderansicht den Bereich der Kurbelwelle eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,

2 in einer schematischen Seitenansicht den Bereich aus 1 und

3 in einer schematischen und perspektivischen Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hohlwelle des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.

1 zeigt in einer schematischen und teilweise geschnittenen Vorderansicht den Bereich der Kurbelwelle eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor weist einen hin- und herschiebbar angeordneten Kolben, insbesondere Hubkolben, auf, wobei der Kolben mit einer Welle 1, insbesondere Kurbelwelle, zum Antreiben der Welle 1 gekoppelt ist. Im Hinblick auf einen laufruhigen Betrieb mit konstruktiv einfachen Mitteln ist die Welle 1 als Hohlwelle 2 ausgebildet.

Im Konkreten ist die Hohlwelle 2 als Rohr oder Präzisionsrohr ausgebildet.

Auf der Hohlwelle 2 ist ein Exzenterelement 3 zur Kopplung mit dem Kolben angeordnet. Im Konkreten ist das Exzenterelement 3 als Exzenterscheibe 4 ausgebildet, die auf die Hohlwelle 2 aufgeschoben ist. Die Exzenterscheibe 4 ist auf der Hohlwelle 2 mittels einer Verkeilung fixiert.

Zwischen dem hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten Kolben und der Hohlwelle 2 wirkt eine Pleuelstange 5, die mit der Exzenterscheibe 4 gekoppelt ist. Zur Kopplung der Pleuelstange 5 mit der Exzenterscheibe 4 weist die Pleuelstange 5 an ihrem hohlwellenseitigen Ende eine Aufnahme 6 für die Exzenterscheibe 4 auf. Die Aufnahme 6 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Durchgang für die Exzenterscheibe 4 auf.

Zwischen der Pleuelstange 5 bzw. der Aufnahme 6 und der Exzenterscheibe 4 ist ein Gleitlager angeordnet, dass hier der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht gezeigt ist.

In vorteilhafter Weise kann der Innenraum 7 der Hohlwelle 2 als Zuführung für ein Schmiermittel genutzt oder mit einem Schmiermittel wie beispielsweise Öl befüllt sein. In der Hohlwelle 2 ist mindestens ein sich von dem Innenraum 7 der Hohlwelle 2 bis in den Außenbereich der Hohlwelle 2 erstreckender Durchgang 8 oder Schmiermittelkanal ausgebildet. Durch einen derartigen Durchgang 8 kann ein in den Innenraum 7 der Holwelle 2 eingebrachtes Schmiermittel während der Rotation der Hohlwelle 2 mittels Zentrifugalwirkung gezielt im Motorbereich verteilt werden.

Zur Schmierung des zwischen Pleuelstange 5 und Exzenterscheibe 4 befindlichen Lagers ist in der Exzenterscheibe 4 mindestens ein Durchgang 9 oder Schmiermittelkanal ausgebildet, der mit dem Durchgang 8 oder Schmiermittelkanal der Hohlwelle 2 strömungsverbunden angeordnet ist. Bei der Anordnung der Exzenterscheibe 4 auf der Hohlwelle 2 ist darauf zu achten, dass diese Strömungsverbindung zwischen dem Durchgang 8 und dem Durchgang 9 vorliegt. Dann ist eine einfache und sichere Schmierung des Lagers zwischen der Pleuelstange 5 und der Exzenterscheibe 4 gewährleistet.

Im Hinblick auf eine besonders sichere Schmierwirkung sind die Durchgänge 8 und 9 bezüglich der Längsachse der Hohlwelle 2 radial ausgebildet.

Die Pleuelstange 5 weist ebenfalls einen inneren Schmiermittelkanal 10 auf, der sich vom hohlwellenseitigen Ende der Pleuelstange 5 bis zum nicht gezeigten kolbenseitigen Ende der Pleuelstange 5 erstreckt. Über diesen Schmiermittelkanal 10, den Durchgang 9 und den Durchgang 8 kann eine Schmiermittelversorgung aus dem Innenraum 7 der Hohlwelle 2 bis zum Bereich des Kolbens erfolgen.

2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht den Bereich der als Hohlwelle 2 ausgebildeten Welle 1 aus 1. Dabei ist die Pleuelstange 5 ebenfalls von der Seite aus zu sehen. Neben der mit der Pleuelstange 5 zusammenwirkenden Exzenterscheibe 4 ist auf der Hohlwelle 2 noch mindestens ein Lagerelement 11 in Form einer Ringmanschette 16 zur Führung der Hohlwelle 2 angeordnet. Die Ringmanschette 16 ist um eine Scheibe 17 oder Zentrifugalscheibe angeordnet, die mit der Hohlwelle 2 gekoppelt ist, und weist eine um die Scheibe 17 verlaufende Ringnut 12 zur Aufnahme von Schmiermittel aus dem Innenraum 7 der Hohlwelle 2 durch einen Durchgang 8 in der Hohlwelle 2 und durch einen radialen Schmiermittelkanal 18 in der Scheibe 17 auf. Die Ringnut 12 ist mit einem in der Ringmanschette 16 ausgebildeten Schmiermittelkanal 13 strömungsverbunden. Hierdurch kann Öl aus dem Innenraum 7 der Hohlwelle 2 gezielt in den Außenbereich der Hohlwelle 2 befördert oder über an den Schmiermittelkanal 13 angekoppelte Schläuche gezielt zu weiteren Aggregaten oder zu schmierenden Stellen befördert werden.

Auf der Hohlwelle 2 ist des Weiteren eine Ausgleichsmasse 15 zum Schwingungsausgleich angeordnet.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer als Hohlwelle 2 ausgebildeten Welle 1, die einen Innenraum 7 aufweist, dessen Durchmesser durch einen Innenrand 14 an einem offenen Ende der Hohlwelle 2 reduziert ist. Der Innenrand 14dient zur Verhinderung eines Auslaufens von in den Innenraum 7 eingebrachtem Schmiermittel. Der Innenrand 14 gewährleistet während der Rotation der Hohlwelle 2 quasi eine konstante Schichtdicke an Schmiermittel an der Innenwandung des Innenraums 7 der Hohlwelle 2. Eine derartige quasi konstant gehaltene Schichtdicke gewährleistet eine zuverlässige Ölversorgung durch in der Hohlwelle 2 ausgebildete Durchgänge 8.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.


Anspruch[de]
Verbrennungsmotor mit einem hin- und herschiebbar angeordneten Kolben, insbesondere Hubkolben, wobei der Kolben mit einer Welle (1), insbesondere Kurbelwelle, zum Antreiben der Welle (1) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) als Hohlwelle (2) ausgebildet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (2) als Rohr ausgebildet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (2) mittels mindestens eines Lagerelements (11) gelagert ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (11) als Ringmanschette (16) ausgebildet ist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hohlwelle (2) mindestens ein Exzenterelement (3) zur Kopplung mit dem Kolben angeordnet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Exzenterelement (3) als Exzenterscheibe (4) ausgebildet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Exzenterscheibe (4) auf die Hohlwelle (2) aufgeschoben ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Exzenterscheibe (4) auf der Hohlwelle (2) fixiert ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung mittels einer Verkeilung realisiert ist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolben und der Hohlwelle (2) eine Pleuelstange (5) wirkt, die mit der Exzenterscheibe (4) oder dem Exzenterelement (3) gekoppelt ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (5) an ihrem hohlwellenseitigen Ende eine Aufnahme (6) für die Exzenterscheibe (4) aufweist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (6) einen im Wesentlichen kreisförmigen Durchgang oder eine im Wesentlichen kreisförmige Ausnehmung für die Exzenterscheibe (4) aufweist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pleuelstange (5) oder Aufnahme (6) und der Exzenterscheibe (4) ein vorzugsweise als Gleit-, Wälz- oder Nadellager ausgebildetes Lager angeordnet ist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (7) der Hohlwelle (2) als Zuführung für ein Schmiermittel genutzt oder mit einem Schmiermittel befüllt ist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hohlwelle (2) mindestens ein sich von ihrem Innenraum (7) bis in ihren Außenbereich erstreckender Durchgang (8) oder Schmiermittelkanal ausgebildet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Exzenterelement (3) oder in der Exzenterscheibe (4) mindestens ein Durchgang (9) oder Schmiermittelkanal ausgebildet ist, der mit dem Durchgang (8) oder Schmiermittelkanal der Hohlwelle (2) strömungsverbunden angeordnet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (8, 9) oder Schmiermittelkanal oder die Durchgänge (8, 9) oder Schmiermittelkanäle bezüglich der Längsachse der Hohlwelle (2) radial ausgebildet ist oder sind. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (8, 9) oder Schmiermittelkanal oder die Durchgänge (8, 9) oder Schmiermittelkanäle mit dem Lager strömungsverbunden ist oder sind. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (5) einen inneren Schmiermittelkanal (10) aufweist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schmiermittelkanal (10) vom hohlwellenseitigen Ende der Pleuelstange (5) bis zum kolbenseitigen Ende der Pleuelstange (5) erstreckt. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (11) oder die Ringmanschette (16) eine Nut, insbesondere Ringnut (12), zur Aufnahme von Schmiermittel aufweist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut oder Ringnut (12) mit einem in dem Lagerelement (11) oder in der Ringmanschette (16) ausgebildeten Schmiermittelkanal (13) strömungsverbunden ist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (11) oder die Ringmanschette (16) auf einer mit radialen Schmiermittel-Durchgängen (18) versehenen Scheibe (17) angeordnet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (17) zentrisch auf der Hohlwelle (2) angeordnet ist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein offenes Ende der Hohlwelle (2) einen Innenrand (14) oder Innensteg aufweist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hohlwelle (2) ein Filterelement angeordnet ist. Verbrennungsmotor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement als in die Hohlwelle (2) passendes Rohr aus Filtermaterial ausgebildet ist. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hohlwelle (2) mindestens eine Ausgleichsmasse (15) zum Schwingungsausgleich angeordnet ist.






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