DE102009004012A1

DE102009004012A1 - Schwenkkolben-Motor, Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009004012A1
Application number: DE200910004012
Authority: DE
Inventors: Horst Weisbeck
Original assignee: Weißbeck Horst
Current assignee: Weißbeck Horst
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2010-07-08

Abstract

Ziel ist es, einen Motor zu entwickeln, der es durch seine Gestaltung ermöglicht, einen besseren Ausnutzungsgrad des Kraftstoffes zu erreichen und ein größeres Drehmoment zu gewinnen. Dieser Motor verzichtet auf die bisher üblichen Bauteile, Zylinder, Kolben, Pleuel, Kurbelwelle und Ventile. Der gesamte Taktablauf sollte kontinuierlich in einem Kreisprozess ablaufen. Damit wird der Motor von der Abhängigkeit zwischen Hubweg und Kurbelwellenelongation völlig befreit und es ergeben sich viele neue Gestaltungsmöglichkeiten. Hauptziel bleibt die Einsparung von ca. 20% Kraftstoff mit allen Konsequenzen und das Gewinnen eines hohen Drehmomentes. Das wird durch die Variabilität von (R) und die Trennung in Kammern durch Ausschwenken der Schwenkkolben erreicht, wodurch der Motorprozess erst möglich wird. Dadurch ergibt sich eine bedeutende Reduzierung der sich bewegenden Massen und des gesamten mechanischen Aufwandes. Die Herstellung der Bauteile kann technologisch stark vereinfacht werden. Anwender können alle Industriezweige sein, die mit der Herstellung stationärer und freizügig einsetzbarer Motoren befasst sind. Außerdem ist dieses Prinzip auch als Pumpe zu benutzen.

Description

1. Schwenkkolben-Motor, Brennkraftmaschine
2.1. Aufgabenstellung
Ziel ist es einen Motor zu entwickeln der es durch seine Gestaltung ermöglicht einen besseren Ausnutzungsgrad des Kraftstoffes zu erreichen und ein größeres Drehmoment zu gewinnen. Dieser Motor verzichtet auf die bisher üblichen Bauteile, Zylinder, Kolben, Pleuel, Kurbelwelle und Ventile. Dadurch ergibt sich eine bedeutende Reduzierung der sich bewegenden Massen und des gesamten mechanischen Aufwandes. Die Herstellung der Bauteile soll technologisch stark vereinfacht werden. Anwender können alle Industriezweige die mit der Herstellung stationärer und freizügig einsetzbarer Motoren befasst sind, sein.
Außerdem ist dieses Prinzip auch als Pumpe zu benutzen.
2.2. Stand der Technik
Die klassischen Verbrennungsmotoren beruhen auf einen in einem Zylinder laufenden Kolben, der über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Die nach der Zündung entstehende Bewegungsenergie wird über Kolben und Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen. Mit dieser Konstruktion wird gleichzeitig die Auslenkung der Kurbelwelle festgelegt, die immer genau der halben Länge des Hubweges entspricht. Dies ist eine unabänderliche Bedingung dieser Bauart. Mit der Festlegung der Parameter Hubweg und Kolbendurchmesser ist die Geometrie für die Leistung eines Motors eindeutig bestimmt. Gegenwärtig beträgt die Kraftstoffausnutzung 30 bis 40%. Ziel ist es eine weitere Verbesserung der Energieausnutzung um ca 20% zu erreichen und durch die Konstruktion ein möglichst hohes Drehmoment zu gewinnen.
Beim Viertaktmotor mit vier Zylindern entfällt auf jede Umdrehung der Kurbelwelle nur ein Arbeitstakt. Jede Umdrehung der Kurbelwelle hat zwei Totpunktstellungen zur folge. Diese beiden Totpunkte liegen genau auf der Bewegungsachse des Zylinders.
In diesen Punkten ist die Kraftübertragung gleich Null. Die größte Kraftwirkung auf die Kurbelwelle tritt in etwa 90° Stellung der Kurbelwelle ein. Das ist etwa auch 90° nach dem Zündzeitpunkt. Während der Drehbewegung der Kurbelwelle ändert sich der Winkel zwischen Kurbelwelle und Pleuel von 0° bis 180° (oberer und unterer Totpunkt) Dabei kehrt sich die Bewegungsrichtung des Kolbens jeweils um. Da die Energie des eingesetzten Kraftstoffes im gesamten Wirkzeitraum nicht nur rechtwinklig auf die Kurbelwelle wirkt, wird die Energieausbeute dadurch verringert. Außerdem wirken Reibung und Umkehrung der Massenbewegung von Kolben und Pleuel dem Wirkungsgrad entgegen.
Die gegenwärtigen Bemühungen zielen auf eine um ca 20% bessere Energieausnutzung in Verbrennungsmotoren, die man in einem Kreisprozeß zu erreichen will.
Der technische Höchststand wird noch immer durch den Wankelmotor bestimmt.
Mit der Entwicklung des Kreiskolbenmotores hat Wankel erfolgreich den Weg der Vereinfachung und Massereduzierung eines Verbrennungsmotores beschritten. Die beiden drehbaren verzahnten Innenteile drehen sich im Verhältnis 2:3 und bilden die genaue Innenführung. Diese Lösung hat sich bewährt. Dichtprobleme und hoher Treibstoffbedarf haben das Interesse an dieser Lösung gebremst. Lediglich die Firma Mazda bietet den PKW RX 8 mit Kreiskolbenmotor an und beabsichtigt diese Lösung zukünftig als Hypridantrieb herauszubringen.
Eine weitere oft beschriebene Kreisprozesslösung zeigt das Zellenrad. Diese Lösung wird als Pumpe oder Verdichter schon lange genutzt. Konnte sich aber bis heute als Motor nicht durchsetzen. Die Schwierigkeit besteht darin, die plattenförmigen Lamellen im Kreisprozess an den Wänden genau zur Anlage zu bringen. Dabei treten die gleichen Probleme, Dichtung, Schmierung usw auf. Im DE 35 28 139 wird deshalb für die Lamellen (Desmoflügel genannt) eine Zwangsführung vorgesehen. Dieser Führungszwang erhöht allerdings die Reibung wiederum. In DE 197 51 495 wird auf die Zwangsführung der Lamellen, Zellteiler genannt, verzichtet. Ein weiteres Beispiel ist in DE 40 29 144 beschrieben.
3. Beschreibung des Prinzipes des Schwenkkolbenmotores
In einem ovalen Gehäuse (1) mit einem einer Trochoide ähnlichen Form, dreht sich eine Zentralwelle (13), fest verbunden mit einer runden Trägerscheibe (2) mit entsprechenden Ausnehmungen (3). In diesen Ausnehmungen bewegen sich passgenau geformte Teile (4), Schwenkkolben genannt. Die runde Trägerscheibe (2) ist in der Trochoide zentrisch drehbar gelagert. In ihren Ausnehmungen (3), es können mehrere sein, befindet sich die entsprechende Anzahl Schwenkkolben (4), die formschlüssig eingepasst sind und in den Ausnehmungen um einen Punkt (5) beweglich gelagert sind, so dass sie nur eine Schwenkbewegung in radialer Richtung ausführen, ohne den vorgesehenen Raum volltändig verlassen zu können. Dreht sich die Trägerscheibe, so bewegen sich die Schwenkkolben (4) infolge der Zentrifugalkraft oder Federkraft (19) in Richtung Wandung der Trochoide. Dadurch entstehen Kammern (7), die ihr Volumen infolge der Drehbewegung der Trägerscheibe ändern. Dieses wechselnde Volumen der Kammern lässt sich entsprechend der Arbeitstakte einer Brennkraftmaschine nutzen. Werden vier Kolben angeordnet, ergeben sich vier Kammern die in der Abfolge ansaugen, verdichten expandieren und ausstossen, dem Arbeitsablauf eines Viertaktmotors deutlich zeigen. Die Anzahl der Schwenkkolben ist variabel und kann 2 oder mehr betragen.
3.1. Beispiel eines viertakt Schwenkkolbenmotores 1
Wird die Trägerscheibe (2) mit vier Ausnehmungen (3) und entsprechend mit vier Schwenkkolben (4) bestückt, entstehen vier Kammern in denen im Laufe einer Umdrehung die vier Arbeitstakte eines Viertakmotores ablaufen können. In den Kammern folgen nacheinander die Funktionen: Ansaugen, (6) Verdichten, (7) Expandieren (8) und Ausstoßen (9). Diese Arbeitstakte folgen im Rhythmus einer ¼ Drehung (90°) aufeinander. Für den Ansaugvorgang erhält diese Kammer eine Ansaugöffnung. (10) In der Verdichtungskammer sorgt eine Zündkerze (12) für den erforderlichen Zündfunken oder eine Einspritzpumpe für den Dieselkraftstoff, damit der Arbeitsgang Expandieren folgen kann. Es folgt der Ausstoß der verbrannten Gase durch eine dafür vorgesehene Öffnung. (11)
Während in einem Vierzylinder-Viertaktmotor herkömmlicher Bauart die vier Arbeitstakte sich auf zwei Kurbelwellenumdrehungen verteilen, können bei diesem Schwenkkolbenmotor alle vier Takte innerhalb einer Umdrehung ablaufen, was sich vorteilhaft auf das Drehmoment auswirkt. Wird der Radius R vergrößert nimmt das Drehmoment zu. Gleichzeitig entsteht Freiraum für die Unterbringung weiterer Schwenkkolben, so das noch mehr Arbeitstakte pro Umdrehung möglich werden. 3
3.2. Beispiel eines Schwenkkolbenmotores als Diesel- oder Zweitaktmotor 2
Für dieses Beispiel sind in dem Gehäuse (1) in der Trägerscheibe (2) nur drei Ausnehmungen (3) mit drei Schwenkkolben (4) angeordnet. Dadurch entstehen auch nur drei Kammern, in denen nacheinander die Takte ablaufen. In der ersten Kammer erfolgt das Außstossen des verbrauchten Gemisches, in der zweiten das Ansaugen des frischen Gemisches. Darauf folgen die Takte verdichten und expandieren. Ein überschneiden der Gaswechselvorgänge gibt es hierbei nicht, demzufolge auch keine Frischgasverluste.
Bei einen Dieselmotor tritt an die Stelle der Zündkerze die Einspritzpumpe Auch bei einem Dieselmotor ist eine Vergrößerung möglich. So ist z. B. Eine Trägerscheibe mit 7 Ausnehmungen und 7 Schwenkkolben denkbar. Da beim Dieselmotor oder Benzineinspritzmotor nur Luft angesaugt und verdichtet wird, kann folgender Ablauf gestaltet werden. Nur in jeder zweiten Kammer wird Kraftstoff eingespritzt dadurch ergibt sich bei 7 Schwenkkolben folgende Abfolge. Bei der ersten Umdrehung zünden nur die Kammern 1, 3, 5, 7, nacheinander. Bei der zweiten Umdrehung zünden die Kammern 2, 4, 6, nacheinander, bevor mit der 1. Kammer der Zyklus neu beginnt. Diese Zündfolge ist vergleichbar mit der in einem 7 Zylinder Sternmotor in der Luftfahrt. Dieses Prinzip ist bei allen ungeraden Zylinderzahlen anwendbar. Speziel beim Dieselantrieb sind höhere Verdichtungen erforderlich. Es ist deshalb ein zusätzlicher Turbolader vorzusehen, der vom Motor mit angetrieben wird. Das Volumen in den Zellen wird von der Exzentrizität (e) und der Größe der Schwenkkolben bestimmt. 2. Außerdem von der Breite des Motors, die ja ebenfalls frei wählbar ist. Die Größe (R) kennzeichnet den Radius zwischen dem Zentrum, und der Krafteinleitung aus der Expansion des Kraftstoffes. (R) ist bestimmend für das Drehmoment. Der Motor wird auf beiden Seiten mit zwei Flanchscheiben (14) in denen die Zentralwelle (13) gelagert ist dicht abgeschlossen. Ein Mantelring (16) umschließt den Motor und gibt Raum (15) für Kühlmittel. frei. 5
Die innere Abdichtung der Zellen wird durch die relativ großen Spaltlängen nicht als sehr kritisch angesehen. Wenn nötig lassen sich Dichtleisten (17) oder Dichtrollen (18) in die Bauteile einarbeiten. 4
3.3. Nachteile der Schwenkkolbenbauweise
Die Aufschlagfläche des Schwenkkolbens ist zum Zündzeitpunkt relativ klein, wächst aber bis zum Maximum kurz vor dem Auslassschlitz.
Die Reibung die hierbei auf Flächen auftritt muß durch eine gute Zentralschmierung (20) (vom Zentrum her) kompensiert werden. Die Gleitflächen an der Trochoide auf der die Schwenkkolben gleiten sind mit verschleißfesten Material zu belegen.
3.4. Vorteile der Schwenkkolbenbauweise
Mit dieser Bauweise tritt eine wesentliche technische Vereinfachung des Motors ein. Seine Herstellung wird wesentlich kostengünstiger. Bei gleichen Energieeinsatz ist ein wesendlich höheres Drehmoment zu erwarten. Dieser Motor ist als Antrieb für einen Antriebssatz bestehend aus Verbrennungsmotor-Dynamomaschine-Elektromotor mit einer Pufferbatterie denkbar. Eine Lösung wie sie für einen Hybridantrieb in einem PKW eingesetzt wird. Damit werden alle technischen Möglichkeiten konsequent genutzt. Entlastung der Umwelt durch niedrigen Energieeinsatz bei gleichzeitiger Reduzierung des Schadstoffausstoßes. Kleine Baugröße und durch geringe Exzentrizität, ruhiger leiser Lauf mit nur wenig Schwingungen.
Weitere Bestandteile eines Verbrennungsmotores (Vergaser, Zündvorrichtung, Einspritzung sowie Anlasser) sind nicht dargestellt.
Wird eine solche Konstruktion angetrieben, kann sie auch als Förderpumpe genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3528139 [0009]
- DE 19751495 [0009]
- DE 4029144 [0009]

Claims

Motor in einem trochoidenförmigen festen Gehäuse (1) mit einer auf einer Zentralwelle (13) befestigten drehbaren Trägerscheibe (2) mit Ausnehmungen (3) an deren Peripherie, in denen entsprechende Schwenkkolben (4) formschlüssig eingepasst sind, die jedoch bis zur Trochoidenwand ausschwenken können. Infolge Zentrifugalkraft mit Federunterstützung (19) liegen die Schwenkkolben an der Gehäusewand an und bilden Kammern (7) mit unterschiedlichen Volumen. Radial oder axial angebrachte Öffnungen (10) (11) gestatten Frischgase anzusaugen bzw. Abgase auszustoßen. Je nach Bauart sind Zünd- oder Einspritzvorrichtungen vorzusehen. 1
Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das durch die Hauptmaße Radius (R), Exzentrizität (e) und Anzahl der Schwenkkolben (4) die Größe der Kammern (6) und damit das erreichbare Drehmoment bestimmt sind. 3
Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das die Schwenkkolben, (4) die während der Drehbewegung die Kammern (6) entstehen lassen, zur Gewichtsersparnis als Hohlkörper ausgebildet werden und die Gleitflächen mit verschleißfesten Material beschichtet sind.
Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das in die Schwenkkolben Dichtleisten (17) oder Dichtrollen (18) eingelassen sein können, deren Anpressdruck ggf durch Federdruck verstärkt werden kann. 4
Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das er für Benzin, Diesel sowie gasförmige Energieträger geeignet ist. Der Energieträger kann sowohl durch Ansaugen als auch durch Einspritzen aufgenommen werden.
Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das die Anordnung mehrerer Motoren gekoppelt nebeneinander möglich ist, wenn es für die geforderte Leistung notwendig ist.
Motor, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das vom Zentrum aus eine Zentralschmierung (20) die Leichtgängigkeit des Motors sichert. 5
Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das mittels geeigneter Kühlflüssigkeit (15) bzw Luft eine ausreichende Kühlung während des Betriebes gewährleistet wird. 5
Motor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das er mittels Antrieb auch als Pumpe verwendet werden kann.