DE3936649A1 - Kurbelwelle mit variablem kurbelzapfen und damit realisierbare otto-motoren mit variablem verdichtungsraum - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurbelwelle mit varia­ blem Kurbelzapfen und damit realisierbare Otto-Motoren mit variablem Verdichtungsraum. Kurbelwellen dienen dazu, eine oszillierende Bewegung in eine Drehbewegung oder eine Dre­ hung in eine Oszillation umzuwandeln.

Insbesondere bei Verstellpumpen ist eine Verstellung der Hublänge gewünscht.

Aber auch bei Otto-Motoren wäre eine Verstellung der Hublän­ ge bei laufendem Motor von Vorteil. Bei Otto-Motoren, insbe­ sondere solchen mit drei Wege-Katalysator und engem Lambda- Fenster, geht die Leistungsregelung im Teillastbereich über die Luftfüllung des Zylinders (Quantitätsregelung). Im unte­ ren Teillastbereich fällt damit der Mitteldruck des Motors und damit der Wirkungsgrad stark ab.

Ziel der Erfindung ist es, eine Kurbelwelle anzugeben, die vergleichsweise einfach eine Verstellung der Hublänge bzw. des oberen Totpunktes eines Kolbenhubes zuläßt. Für Pumpen oder Hydraulikmotoren wird somit eine Verstellbarkeit reali­ siert.

Bei Otto-Motoren ist das Ziel des Konzeptes, auch im unteren Teillastbereich des Mitteldrucks im Zylinder durch Verklei­ nerung des Verdichtungsraumes hoch zu halten.

In einer weiteren Ausführung läßt sich nur bei einem Teil der Kolben der Hub verändern und so bei Otto-Motoren eine echte Zylinderabschaltung erreichen.

In DE 36 44 721 A1 wird eine Kurbelwelle beschrieben, bei der durch ein Anheben der Wellenzapfen der obere Totpunkt der Kolben gleichfalls nach oben verschoben wird. Der Nach­ teil dieser Lösung ist, daß damit die Fluchtung zwischen Ab­ triebswelle des Motors und Antriebswelle des Getriebes ver­ ändert wird.

In DE 37 25 900 A1 wird eine Lösung beschrieben, bei der mit einer zweiten zur Kurbelwelle parallel liegenden und mit dieser drehenden Welle Excenter auf den Kurbelzapfen ver­ dreht werden und damit ebenfalls der obere Totpunkt verän­ dert wird.

Diese Lösung erfordert aber einen erheblichen Bauaufwand und Bauraum, so daß sie für einfachere Otto-Motoren kaum geeignet ist.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht mit einfachen Mitteln ei­ ne Verstellung des Excenters und kann somit, in Verbindung mit anders geformten Kolben bei vorhandenen Motorblöcken eingesetzt werden.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Verstellung des um den Kurbelzapfen liegenden Excenters mit Hilfe eines besonderen zu den Wellenzapfen koaxial liegenden Umlaufgetriebes er­ folgt und ein Teil der Verstelleinrichtung innerhalb oder koaxial zu den Wellenzapfen der Kurbelwelle liegt.

Das Konzept wird anhand von Fig. 1 erläutert.

Die Veränderung des Verdichtungsraumes V_c wird durch eine Verstellung der Kurbelwelle erreicht.

Der Kurbelzapfen 1 einer Kurbelwelle wird mit einem Excen­ terrohr 2 umgeben, dessen Achse exzentrisch zur Achse des Kurbelzapfens liegt.

Das untere Auge 4 der Pleuelstange 3 greift um das Exzen­ terrohr 2.

Die obere Reihe a) zeigt die Kolbenstellungen bei Vollast. Dann liegt die Exzentrizität des Exzenterrohres "innen", d. h. die Achse des Exzenterrohres liegt zwischen der Achse des Kurbelzapfens 1 und der Achse des Wellenzapfens 5. In diesem Fall ist der Verdichtungsraum V_c des Zylinders maximal.

Die untere Reihe b) zeigt die Kolbenstellungen bei Teillast. Dann liegt die Exzentrizität des Exzenterrohres "außen", d. h. die Achse des Exzenterrohres wird von der Verlängerung einer Geraden geschnitten, die die Achse des Kurbelzapfens 1 und die Achse des Wellenzapfens 5 schneidet. In diesem Fall ist der Verdichtungsraum V_c des Zylinders minimal.

Die unterschiedliche Füllung des Zylinders wird mit Hilfe der Drossel in der Saugleitung wie bei heutigen Otto-Motoren vorgenommen oder aber - falls das zu ungenau sein sollte - über die Regelung der Steuerzeiten der Ventile.

Im zweiten Fall wird bei Teillast beim Saughub etwa in Stel­ lung "Fig. 1, b), II;" oder in Stellung "Fig. 1, b) IV;" das Einlaßventil wieder geschlossen.

Eine Möglichkeit für die Verstellmechanik der Kurbelwelle soll anhand der Fig. 2 und 3 skizziert werden.

Die Wellenzapfen 5 einer Kurbelwelle sind hohl. In diesen hohlen Wellenzapfen liegen die Wellenzapfenelemente 6 der Verstellmechanik als verdrehbare Stangen.

Die Kurbelzapfen 1 der Kurbelwelle sind von den Exzenter­ rohren 2 umgeben.

Zwischen Wellenzapfenelement 6 und Exzenterrohr 2 wirkt ein Getriebe 7 derart, daß, wenn man das Wellenzapfenelement 6 relativ zum Wellenzapfen 5 verdreht, sich auch das Exzenter­ rohr 2 relativ zum Kurbelzapfen 1 dreht und umgekehrt.

Beispielsweise könnte das Getriebe 7 aus Zahnrädern oder aus Zahnriemen und Zahnriemenscheiben bestehen.

In den Fig. 2 und 3 sind Exzenterrohr 2 und Wellenzapfen­ element 6 an jedem Ende mit je einer Scheibe 8, 9 versehen und diese Scheiben mit Stahlseilen 11, 12 verbunden. Jedes Stahlseil ist an jeder der beiden zugehörigen Scheiben 8, 9 an einem Punkt 13, 14 befestigt.

Die Befestigungspunkte 13, 14 der Exzenterrohrscheibe 8 und der Wellenzapfenscheibe 9 liegen diametral zueinander.

Dreht man entsprechend Fig. 3 die Scheibe 9 um eine halbe Drehung relativ zum Wellenzapfen, wird auch die Scheibe 8 um eine halbe Drehung relativ zum Kurbelzapfen 1 gedreht.

Die Verstellung des ersten Wellenzapfenelements 16 erfolgt auch bei drehender Kurbelwelle mit Hilfe eines speziellen Umlaufgetriebes.

Am freien Ende 17 trägt die Kurbelwelle ein Zahnrad 19, das erste Wellenzapfenelement 16 trägt ein gleiches Zahnrad 20. Das Zahnrad 19 der Kurbelwelle bildet zusammen mit dem gehäusefesten Steg 21 und dem Außenrad 23 ein erstes Plane­ tengetriebe.

Das Zahnrad 20 des Wellenzapfenelements 16 bildet zusammen mit dem Steg 22 und dem Außenrad 23 ein zweites Planetenge­ triebe.

Die beiden Planetengetriebe haben das gleiche Bauverhältnis.

Für dieses zusammengesetzte Planetengetriebe läßt sich zwi­ gen, daß dafür die Drehzahlgleichung gilt:

n₁₉ - n₂₀ = µ*n₂₂
mit
n₁ = Drehzahl der Welle i
µ = Faktor des neuen Bauverhältnisses.

Der Steg 22 des zusammengesetzten Planetengetriebes stellt damit die Einstellwelle der Kurbelwelle dar.

Wenn man den Steg 22 gehäusefest - also unbewegt - läßt, sind auch die Wellenzapfenelemente 6, 16 relativ zu den Wel­ lenzapfen 5 und die Exzenterrohre 2 relativ zu den Kurbel­ zapfen 1 unbewegt.

Sie haben gleiche Drehzahl.

Durch Verdrehen des Steges 22 relativ zum Gehäuse 21 lassen sich die Exzenterrohre 2 relativ zum Kurbelzapfen 1 einstel­ len.

Fig. 4 zeigt das Konzept einer Kurbelwelle, mit deren Hilfe ein oder mehr Zylinder eines Mehrzylindermotors abgekuppelt werden kann.

Die Verstelleinrichtung, die mit Hilfe der Zahnräder 30, 31 am einen Wellenende 32 betätigt wird, ist eine Stange 33, die koaxial zu den Wellenzapfen 34 der Kurbelwelle liegt und im Bereich der Kurbelzapfen 35 Zahnräder 36 aufweist. Diese Zahnräder 36 greifen durch einen Schlitz 37 im Kurbelzapfen in die Innenverzahnung 38 des Exzenterrohres 40. Durch Rela­ tivverdrehen der Stange 33 relativ zu den Wellenzapfen 34 wird das Exzenterrohr 40 auf dem Kurbelzapfen verdreht.

Fig. 4a zeigt die maximale Hublänge von der Achse 41 des oberen Exzenters zur Achse 42 des unteren Exzenters. Dies wäre die Stellung, wenn die Zylinder eingeschaltet sind.

Die Fig. 4b zeigt die Stellung bei ausgeschalteten Kolben. Die Exzenterrohre 40 sind so verdreht, daß sich ihre Achsen mit der Achse 44 der Wellenzapfen decken. Bei drehender Kur­ belwelle werden in dieser Stellung die zu den beiden gezeig­ ten Kurbelzapfen gehörigen Kolben nicht hin- und herbewegt. Das Exzenterrohr dreht sich im Auge der Pleuelstange.

Fig. 5 bis Fig. 8 zeigen die Einzelteile einer erfindungs­ gemäßen Kurbelwelle, wie sie zur einfachen Montage ausge­ führt sein könnten.

Fig. 5 zeigt das Prinzip der konventionellen Kurbelwelle 50, die rechte Seite der Figur ist als Draufsicht, die linke als axialer Schnitt gezeigt. Die Kurbelwelle 50 hat inner­ halb der Wellenzapfen 51 eine axiale Bohrung 52. Die Wangen 53 weisen umlaufende Gleitbahnen 54 auf, in denen die Stahl­ bänder zur Verstellung der Exzenter geführt werden sollen. Weiterhin weisen die Wangen Anschlaglager 55, 56 zum Abstüt­ zen der Exzenterwelle und der Innenwelle in den beiden Ex­ trempositionen auf.

Eine derartige Welle kann weiterhin ein Schmiede- oder Guß­ teil sein, welches nachbearbeitet wird.

Fig. 6 zeigt die Innenwelle 60 mit ihrem Zahnrad 61 und Bohrungen 62. Die Innenwelle 60 wird von links in die Kur­ belwelle 50 so eingeschoben, daß die Bohrungen 62 auf Höhe der Anschlaglager 56 zum Abstützen der Innenwelle liegen.

Fig. 7 zeigt die weitere Montage. In den Bohrungen 62 wer­ den senkrecht dazu Zapfen 65 befestigt, mit deren Hilfe die Innenwelle 60 mit den Stahlbändern 66 verbunden wird. Gleichzeitig halten die beiden Zapfen den Innenwellenab­ schnitt im Wellenlager. Nach Montage der Zapfen wird die In­ nenwelle im Bereich der Kurbelzapfen 68 herausgeschnitten.

Fig. 8 zeigt dann die fertig montierte Kurbelwelle. Die Ex­ zenterrohre 70 werden um den Kurbelzapfen 68 gelegt und an den Stahlbändern 66 befestigt. Ebenso werden die Zapfen 65 mit einer Stange 75 an den Stahlbändern 66 befestigt.

Die erfindungsgemäße Kurbelwelle ist geeignet, bei vorhan­ denen Otto-Motoren den Verdichtungsraum zu verändern, da ja nur die Kurbelwelle ausgetauscht werden muß und die Steue­ rung und äußere Regelung 16, 19, 20, 21, 22, 23 angebaut werden muß.

Bei Motoren mit einer Form des Verdichtungsraumes V_c, der ein weiters Anheben des Kolbens nicht mehr zuläßt, muß der Kolben gegen einen Kolben ausgetauscht werden, der einen Verdrängungskörper aufweist, welcher in den Verdichtungsraum V_c hineinragt. Bei dieser Stellung ist dann der Verdich­ tungsraum V_c kleiner als beim Ausgangsmotor, man hat dann die Teillaststellung.

Bei Vollaststellung wird der Kolben weniger weit als beim Ausgangsmotor angehoben.

Weiterhin muß bei einem Motor in der Teillaststellung darauf geachtet werden, daß die Ventile nicht an den Kolben ansto­ ßen. Dazu ist gegebenenfalls eine Steuerzeitenverstellung in Abhängigkeit von der Einstellung des Kurbelwelle notwendig.

Claims (10)

1. Kurbelwelle, bei der der Abstand der Achse 41, 42 des unte­ ren Auges 4 eines Pleuels 3 von der Achse der Wellenzapfen 5; 34; 51 durch ein Getriebe 7, 16; 30, 33, 35, 36, 38, 40; 54, 55, 56, 60, 61, 65, 66, 68, 70; bei drehender Kurbelwelle ver­ stellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftfluß des Getriebes vom einen Ende 17; 32 der Kurbelwelle zu den Elementen 1,2; 35, 40; 68,70, die die Ab­ standsänderung bewirken, über Getriebeelemente 1, 2, 6, 7,8, 9, 11, 12, 13, 14, 16; 33, 36 37, 38, 40; 54, 55, 56, 60, 65, 66, 68, 70 erfolgt, die mit der Kurbelwelle umlaufen oder drehen und nur bei Verstellung des Getriebes diese Elemente sich rela­ tiv zur Kurbelwelle bewegen und die Verstellkraft von außen zu dem Getriebe über ein erstes Getriebeelement 16, 20; 30; 61 erfolgt, das relativ zur Kurbelwelle durch die Verstellung einer sich am Gehäuse 21 abstützende Verstelleinrichtung 22, 23 bewegt wird.

2. Kurbelwelle unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Abstandes der Achsen 41, 42 der Pleuelstangen 4 von den Achsen der Wellenzapfen 5; 34; 51 mit Hilfe von ex­ zentrisch verdrehbaren Elementen 2; 40; 70 erfolgt.

3. Kurbelwelle unter Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrehbaren Elemente 2; 40; 70 um weniger als eine Umdrehung verdrehbar sind und in den beiden Extremstellungen von Anschlaglagern 55 gegen ein Weiterverdrehen gestützt werden.

4. Kurbelwelle unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebeelement 20; 30; 61 mit dem die Verstellkraft in die mit der Kurbelwelle umlaufenden Teile geleitet wird, eine Bewegung parallel zur Wellenzapfenachse oder eine Rela­ tivverdrehung zum Wellenzapfen oder eine Schraubbewegung re­ lativ zur Wellenachse ausführen kann.

5. Kurbelwelle unter Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebeelement (20; 30; 61 mit dem die Verstellkraft in die mit der Kurbelwelle umlaufenden Teile geleitet wird. Teil eines Umlaufgetriebes mit der Drehzahlgleichung
n₁₉ - n₂₀ = µ*n₂₂ ist (n₁ = Drehzahl der Welle i; µ = ratio­ nale Zahl).

6. Kurbelwelle unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sie innerhalb eines Otto-Motors zur Verstellung des obe­ ren Kolbentotpunktes verwendet wird.

7. Kurbelwelle unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Kolbenmaschine zur Abschaltung einzelner Zylinder verwendet wird.

8. Kurbelwelle unter Patentanspruch 6, 7, die in einem Otto-Mo­ tor verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstellung des Abstandes der Achse 41, 42 des Pleuelauges 4 von der Achse der Wellenzapfen 5; 34; 51 abhän­ gig von der Füllung des Zylinders mit gasförmigem Medium er­ folgt.

9. Kurbelwelle unter Patentanspruch 6, 8, die bei einem vor­ handenen Motorenaufbau und/oder Zylinderkopf verwendet wer­ den soll, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit Kolben verwendet wird, die mit Verdrängungskörpern versehen sind, die bei oberer Kolben­ stellung OT des Ausgangsmotors den Verdichtungsraum V_c des Ausgangsmotors verkleinern, so daß dann die Teillaststellung eingenommen wird, und bei Vollaststellung den Kolben im obe­ ren Totpunkt OT weniger weit anheben.

10. Kurbelwelle unter Patentanspruch 6, 8, 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einer Einrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten der Ventile des Otto-Motors verwendet wird.