DE19547625A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel Einspritzmotor, mit einem Gehäu­ se, mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung mit sternförmig zuein­ ander ausgerichteten Zylindern, in welchen Kolben mit hieran angeordneten Pleueln gleitend geführt sind und an welche jeweils mit Ventilen versehene Zylinderköpfe anschließen, welche Ventile für den Fluidaustausch der Zylinder sorgen, und mit einer mit den Pleueln in Wirkverbindung stehenden Kraftübertragungsein­ richtung.

Kolbenmaschinen sind seit langem bekannt. Sie werden als Kraft- und als Arbeitsmaschinen, zum Beispiel Kolbenpumpen, eingesetzt. Kolbenmaschinen zur Kraftbereitstellung sind zum Beispiel Ver­ brennungsmotoren, wie Ottomotoren und Dieselmotoren. Hierbei sind üblicherweise mehrere in Zylinderlaufbüchsen geführte Kol­ ben vorgesehen, die je nach Bauart nebeneinander in Reihe an­ geordnet sind. Diese Anordnung wird allgemein als Reihenmotor bezeichnet und stellt die weitestverbreitete Bauform dar. Andere Bauformen sind sogenannte V-Motoren, bei denen die Zylinder unter einem Winkel < 90° zueinander geneigt sind, und Boxer­ motoren, bei denen die Zylinder in einer Ebene einander gegen­ überliegen mit einer dazwischen angeordneten Kurbelwelle.

Alle genannten Kolbenmaschinen haben infolge der nicht stets gleichmäßig erfolgenden Verbrennung des Kraftstoffes den unruhi­ gen Rundlauf gemein, wobei der aus der Verbrennung resultierende Verbrennungsdruck sich vom Kolben über das beweglich gelagerte Pleuel auf den jeweiligen, exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen der Kurbelwelle überträgt. Hierbei treten Ungleichgewichte auf, die aus der alternierenden Hubbewegung der Kolben, zumindest bei niedrigen Drehzahlen, resultieren und die Laufruhe beeinträchti­ gen sowie den Ausgleich mittels entsprechender Massen, zum Beispiel an den den Kurbelzapfen entgegengesetzten Enden der Kur­ belwangen der Kurbelwelle angeformte Gegengewichte, erfordern. Dies erhöht einerseits die bewegten Massen als auch die Masse des Motors, so daß dessen Leistungsgewicht sich verschlechtert.

Eine weitere, speziell für den Antrieb von Flugzeugen geschaffe­ ne Bauform wird von sogenannten Sternmotoren gebildet, die je­ weils eine sternförmig angeordnete Kolben-Zylinder-Anordnung mit ungerader Zylinderanzahl aufweisen, welche eine zentral angeord­ nete Kurbelwelle beaufschlagen. Diese Art von Verbrennungsmotor, die auf Leichtbau abzielt, wird heute nur vereinzelt und nur bei kleinen Flugzeugen eingesetzt, da ihre Konstruktion aufwendig ist und die Bereitstellung von hochverdichtbarem Ottokraftstoff erfordert. Darüber hinaus ist die Wärmefreisetzung solcher Sternmotoren nicht unerheblich, so daß ihr Einsatz auch unter diesem Gesichtspunkt auf Flugzeuge beschränkt ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfin­ dung, eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, welche mit einer möglichst geringen Zahl von benötigten Teilen einfach herstellbar ist, einen möglichst geringen Raumbe­ darf hat und einen ruhigen Lauf gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs I gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Entsprechend der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kol­ ben-Zylinder-Anordnung symmetrisch ausgebildet ist. Dies führt zu einer Anordnung, die aufgrund der sich jeweils ausgleichenden Kräfte einen sehr ruhigen Lauf gewährleistet, ohne daß zusätzli­ che Ausgleichgewichte erforderlich sind.

Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kraftüber­ tragungseinrichtung von einer drehbar im Gehäuse gelagerten sogenannten Wellenscheibe gebildet ist, deren der Kol­ ben-Zylinder-Anordnung zugewandte Umfangs- oder Ringfläche peri­ odisch angeordnete wellenförmige Anformungen beziehungsweise Einformungen aufweist, deren Abstand zum Zentrum dem Kolbenhub angepaßt ist.

Während bei herkömmlichen Kolbenmaschinen die Kraftübertragung über eine zentral angeordnete Kurbelwelle mit einer der Anzahl von Kolben entsprechenden Zahl von Kurbelzapfen für die Pleuel erfolgt, ist entsprechend der Erfindung die Kraftübertragung mittels der erwähnten Wellenscheibe vorgesehen, wobei hier die Zahl der Kolben sich in der Anzahl der Anformungen an der Wel­ lenscheibe widerspiegelt. Diese Wellenscheibe ermöglicht, daß die zur Kraftumsetzung vorgesehenen Kolben beziehungsweise Zy­ linder der Kolben-Zylinder-Anordnung vorzugsweise in einer ge­ meinsamen Ebene angeordnet sind, so daß eine, bezogen auf die vorgesehene Anzahl der Zylinder, sehr flach gestaltete Kolben­ maschine resultiert.

Als letztes Lösungsmerkmal der Erfindung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die den Kolben jeweils abgewandten freien Enden der Pleuel mit der periodisch verformten Umfangs- beziehungs­ weise Ringfläche der Wellenscheibe zusammenwirken.

Diese erfindungsgemäße Gestaltung der Kraftübertragungsmittel resultiert in einem sehr ruhigen und reibungsarmen Betrieb der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine, da Schwingungen der sonst vorhandenen Kurbelwelle nicht auftreten und die vorhandenen bewegten Massen deutlich reduziert sind. Hierbei ist ein weite­ rer Vorteil darin zu sehen, daß die Ringscheibe, die an die Stelle der sonst üblichen Kurbelwelle tritt, gleichzeitig auch als Schwungmasse genutzt werden kann, was den angestrebten ruhi­ gen Lauf der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine begünstigt.

Ausgehend von dieser Basiserfindung werden nachfolgend drei alternative Gestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Kolben­ maschine näher beschrieben und erläutert. Dabei werden unter der Bezeichnung "Verformung" jeweils die an der radialen inneren Ringfläche der ringförmigen Wellenscheibe gemäß der ersten Va­ riante beziehungsweise die an der äußeren Umfangsfläche der Zentralscheibe gemäß der zweiten Lösungsvariante wie auch die an der axialen Ringfläche gemäß der dritten Lösungsvariante an­ geordneten Ein- beziehungsweise Anformungen gleichermaßen ver­ standen.

Ebenso sind im folgenden mit der Bezeichnung "Umfangsfläche stets sowohl die innere radiale Ringfläche der ringförmigen Wellenscheibe gemäß der ersten Alternative als auch die äußere Umfangsfläche der im Unterschied hierzu als Zentralscheibe be­ zeichneten zentrischen Wellenscheibe gemäß der zweiten Lösungs­ variante sowie die randnah angeordneten axialen Ringflächen der Wellenscheibe gemäß der dritten Lösungsvariante angesprochen.

Lediglich dann, wenn es die Klarheit erfordert, wird speziell auf weitere Einzelheiten eingegangen, da die Wirkungsweise bei allen Lösungsvarianten prinzipiell übereinstimmt.

Gemäß der ersten genannten, im Anspruch 2 beanspruchten Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kraftübertragungseinrich­ tung von einer die Kolben-Zylinder-Anordnung umfassenden drehbar im Gehäuse gelagerten Ringscheibe gebildet ist, deren innere, der Kolben-Zylinder-Anordnung zugewandte Ringfläche mit peri­ odisch angeordneten Anformungen versehen ist, die mit ebenfalls periodischen Einformungen abwechseln und deren resultierende Einformtiefe dem Kolbenhub angepaßt ist, daß die Zylinderköpfe an den radial nach innen weisenden Stirnseiten der Zylinder angeordnet sind und daß die Pleuel jeweils an dem radial nach außen weisenden Kolbenende anschließen, wobei die den Kolben jeweils abgewandten freien Enden der Pleuel mit der periodisch verformten inneren Ringfläche der als Ring ausgebildeten, einge­ formten Wellenscheibe zusammenwirken. Diese Gestaltungsvariante führt zu einer sehr kompakten Kolben-Zylinder-Anordnung, da trotz der Vielzahl an Kolben nur der Durchmesser der Zylinder die Bauhöhe der Kolbenmaschine bestimmt.

Gemäß der zweiten genannten, im Anspruch 3 beanspruchten Lö­ sungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Kraftübertragungseinrichtung von einer drehbar im Gehäuse zen­ trisch gelagerten Zentralscheibe gebildet ist, deren äußere, der Kolben-Zylinder-Anordnung zugewandte Umfangsfläche mit peri­ odisch angeordneten Anformungen versehen ist, die mit periodisch angeordneten Einformungen abwechseln, daß die Zylinderköpfe an den radial nach außen weisenden Stirnseiten der Zylinder an­ geordnet sind, daß die Pleuel jeweils an dem nach innen weisen­ den Kolbenende anschließen und daß die den Kolben jeweils abge­ wandten freien Enden der Pleuel mit der periodisch mit Anformun­ gen versehenen Umfangsfläche der Zentralscheibe zusammenwirken. Auch diese Gestaltungsvariante führt zu einer sehr kompakten Kolben-Zylinder-Anordnung, da trotz der Vielzahl an Kolben nur der Durchmesser der Zylinder die Bauhöhe der Kolbenmaschine bestimmt.

Beiden Lösungsvarianten gemein ist die erfindungsgemäß vorgese­ hene Unterbringung der Kolben-Zylinder-Anordnung in einer ein­ zigen Ebene, woraus eine flache Bauweise für die erfindungs­ gemäße Kolbenmaschine resultiert. Der Unterschied zwischen bei­ den Lösungsvarianten besteht in der Gestaltung der sogenannten Wellenscheibe, die gemäß der ersten Variante als äußere Ring­ scheibe mit an ihrer inneren Ringfläche vorgesehenen Verformun­ gen ausgebildet ist und die Kolben-Zylinder-Anordnung umfaßt und die gemäß der zweiten Variante als Zentralscheibe vorgesehen ist, deren äußere Umfangsfläche die erfindungsgemäßen Verformun­ gen aufweist.

Die dritte angesprochene, im Anspruch 4 beanspruchte Lösungs­ variante verläßt das vorherige Prinzip, gemäß welchem die Zylin­ derachse jeweils radial in bezug auf die Antriebs- beziehungs­ weise Abtriebsachse angeordnet ist, insoweit als bei dieser als Tandemmaschine bezeichneten Kolbenmaschine erfindungsgemäß vor gesehen ist, daß die Zylinder in zwei Ebenen axial zueinander versetzt einander entgegengerichtet auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind, welche die Antriebs- beziehungsweise Abtriebs­ achse konzentrisch umgeben und deren Zylinderlängsachsen hierzu koaxial verlaufen, und daß die Wellenscheibe zwischen den beiden Kolben-Zylinder-Anordnungen angeordnet ist und beidseitig je­ weils auf einer Kreisringfläche angeordnete wellenförmige Anfor­ mungen und Einformungen aufweist, welche mit den den Kolben abgewandten Pleuelenden zusammenwirken.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Pleuel starr geführt. Dabei sind die freien Enden der Pleuel vorzugsweise mit Wälzkörpern, zum Beispiel Rollen, verse­ hen, welche sich an der periodisch verformten Umfangsfläche der Wellenscheibe abstützen. Das Zusammenspiel der Wälzkörper mit der Umfangsfläche der Wellenscheibe tritt gemäß der Erfindung an die Stelle der Lagerung der Pleuel an den betreffenden Kurbel­ zapfen einer herkömmlichen Kurbelwelle, wobei die Pleuel wegen der starren Verbindung mit den Kolben bei der Anlage der Wälz­ körper an der Umfangsfläche keine reibungserhöhenden Zusatz­ kräfte infolge von Fluchtungsfehlern hervorrufen, zum Beispiel durch zwangsweise Doppelführung des Pleuels am Kurbelzapfen und am Kolben im zugeordneten Zylinder.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verformungen an der Umfangsfläche der Wellenscheibe sinusförmig ausgebildet, so daß sich im Betrieb eine der Hubbewegung der Kolben beziehungsweise der hiermit verbundenen Pleuel entspre­ chende harmonische Drehbewegung der Ringscheibe einstellt.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Kol­ ben-Zylinder-Anordnung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine punktsymmetrisch ausgebildet. Dies bedeutet, daß eine gerade Zahl von Zylindern vorgesehen ist und daß die Zylinder jeweils einander paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Mit dieser Gestaltung ist auf einfache Weise ein günstiger Aus­ gleich der Kräfte erreicht, ohne daß zusätzliche Ausgleichs­ massen, insbesondere keine zusätzlichen Ausgleichsgewichte, benötigt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine be­ steht entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der ersten Va­ riante darin, daß die Ventile für den Fluidaustausch der Zylin­ der zentral, das heißt an der dem Zentrum zugewandten Seite der Zylinderköpfe, angeordnet sind, wobei zur Ansteuerung der Venti­ le eine von einer ebenfalls zentral angeordneten Ventilsteuer­ welle betätigte Nockenscheibe dient.

Für die zweite als Lösungsvariante vorgesehene Alternative gilt dementsprechend, daß die Ventile an den außenliegenden Zylinder­ köpfen angeordnet sind und daß auch die Fluidkanäle außen an­ schließen.

Ferner sieht hierzu eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Zylinder über radiale Fluidleitungen mit wenigstens einem im Zentrum angeordneten Fluidkanal verbunden sind.

Dementsprechend ist bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß der zweiten Lösungsvariante vorgesehen, daß die Fluidanschlüsse peripher angeordnet sind, da die Antriebs- beziehungsweise Ab­ triebswelle zentral angeordnet ist.

Gemäß der dritten Lösungsvariante schließlich, die eine kreiszy­ lindrische Gestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine vor­ sieht, sind die Zylinderköpfe mit den Ventilen sowie die Fluid­ anschlüsse für die beiden Zylinderlagen jeweils stirnseitig vorgesehen.

Die bisher beschriebene Kolbenmaschine kann wahlweise als Motor, das heißt als Kraftmaschine, oder als Hochleistungspumpe bezie­ hungsweise als Kompressor eingesetzt werden, wobei der Unter­ schied lediglich in der Art der Kraftübertragung liegt.

Beim Betrieb als Pumpe beziehungsweise als Kompressor wird ex­ tern erzeugte Kraft über die Wellenscheibe in die Kolbenmaschine eingebracht, welche von den Pleueln auf die Kolben übertragen wird, die ihrerseits das in den Zylindern befindliche Fluid verdichten und ausstoßen.

Der Betrieb als Motor erfolgt prinzipiell umgekehrt, wobei nä­ here Einzelheiten nachfolgend erläutert werden. Demgemäß ist in Weiterbildung der vorstehend beschriebenen Erfindung eine als Verbrennungsmotor eingesetzte Kolbenmaschine dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Kraftstoff zufuhr eine Kraftstoffeinspei­ sung vorgesehen ist und daß das Abgas über eine angeschlossene Abgasleitung abströmt.

Je nach ausgewählter Lösungsvariante sind, wie vorstehend be­ reits hinsichtlich der Ventile und der Fluidkanäle erläutert, die Anschlüsse für den Kraftstoff und für das Abgas im Zentrum, am Umfang oder an den Stirnseiten angeordnet.

So weist der Motor mit der Zentralscheibe peripher angeordnete Kraftstoff- und Abgasleitungen beziehungsweise -kanäle auf, während der mit der Ringscheibe versehene Motor zentrisch an­ geordnete Kraftstoff- und Abgasleitungen beziehungsweise -kanäle aufweist, und der Motor nach der Tandembauweise stirnseitig angeordnete Kraftstoff- und Abgasleitungen beziehungsweise -ka­ näle hat.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Einsatz der Kolbenmaschine als Einspritzmotor, insbeson­ dere als Zweitakt-Dieselmotor in Boxeranordnung mit 4 bis 16 Zylindern vorgesehen, wobei jeder einem Zylinder zugeordnete Zylinderkopf mit einer Einspritzdüse versehen ist.

Allerdings ist grundsätzlich auch jede andere Motorenvariante möglich, so zum Beispiel als Ottomotor, bei welchem die Kraft­ stoffversorgung ebenfalls vorzugsweise über Einspritzung er­ folgt, oder als Viertakt-Dieselmotor.

Ferner ist erfindungsgemäß gewährleistet, daß die von den Pleu­ eln übertragene zyklische Hubbewegung der Kolben sich über die Wälzkörper auf die Wellenscheibe überträgt und diese in Drehung versetzt. Dementsprechend dient die Wellenscheibe als Abtrieb für die Kraftübertragung.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei die äußere Umfangsfläche der als Ringscheibe ausgebilde­ ten Wellenscheibe mit einer Zahnung versehen, wobei die Zahnung entweder in die Ringscheibe eingeformt sein kann oder alternativ vorzugsweise von einem mit der Ringscheibe verbundenen Zahnrad gebildet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäß als Motor eingesetzten Kolbenmaschine sieht an drei um 120° zueinander versetzten Positionen weitere Zahnräder vor, welche zur Ablei­ tung der vom Motor erzeugten Kraft dienen. Diese gesamte An­ ordnung befindet sich eingangs bereits angesprochen in einem geschlossenen Gehäuse und wird darin von einer Druckölschmierung beaufschlagt. Dabei sind die Wellen der so vom Motor angetriebe­ nen zusätzlichen Zahnräder in bekannter Weise fluiddicht nach außen geführt, wo entsprechende Verbraucher angeschlossen werden können.

Entsprechend einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Pleuel einstückig mit den Kolben verbunden. Hierbei können die Kolben zwecks der angestrebten starren Führung über die gesamte Zylinderhöhe sich erstreckende Führungsflächen aufweisen und an ihrem dem Zylinderkopf abgewandten Ende mit dem bereits erwähnten Wälzkörper versehen sein, der die Innenfläche der Ringscheibe beziehungsweise die Umfangsfläche der Zentralscheibe beaufschlagt.

Um die auftretenden Reibungskräfte minimal zu halten, ist ent­ sprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Wälzkörper an den Pleueln mittels Wälzlagern angeordnet sind.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Kolbenmaschine als Achtzylindermotor ausgebildet ist und vier jeweils einander gegenüberliegend angeordnete Zylinderpaare aufweist, die in der vorstehend beschriebenen Weise mit Kraft­ stoff versorgt werden.

Sowohl der Betrieb als Ottomotor als auch als Dieselmotor er­ folgt unter Einsatz eines elektronischen Motormanagements, mit­ tels welchem die bedarfsgerechte Kraftstoff- und Verbrennungs­ luftzufuhr gewährleistet ist.

Um die beim Motorbetrieb anfallende Verbrennungswärme abzufüh­ ren, kann sowohl die Kühlung mittels Luft als auch mit flüssigen Medien, insbesondere mit Wasser vorgesehen sein.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ist sehr vielseitig. So ist beispielsweise auch der Einsatz als Flugzeug­ motor möglich, wobei hier insbesondere die Anbringung von Schau­ feln auf dem Umfang der Wellenscheibe sich vorteilhaft auswirkt, da hierdurch zusätzliche Antriebsleistung erzielt werden kann.

Beim Einsatz als Flugzeugmotor ist es besonders vorteilhaft, den an der Wellenscheibe angeordneten Schaufelkranz mit einem Umge­ häuse zu versehen, welches sich nach hinten verjüngt. Durch die heißen Abgase, die in dieses Gehäuse geleitet werden, kann eine zusätzliche Schubkraft bewirkt werden, da sich durch die Hitze des Abgasstroms die durchströmende Luft erhitzt, hierdurch aus­ dehnt und mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit austritt.

Zusätzlich kann eine aktive Geräuschdämpfung erreicht werden, indem aufgrund der symmetrischen Anordnung der Abgasrohre, die im Turbolader zusammengeführt sind, die mit den austretenden heißen Abgasen mitgeführten Schallwellen gegenphasig aufein­ andertreffen und hierbei auslöschen.

Anhand von in der schematischen Zeichnung nicht maßstabsgerecht dargestellten Ausführungsbeispielen sollen die Erfindung, vor­ teilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Alternative der erfin­ dungsgemäßen Kolbenmaschine mit ringförmiger Wellen­ scheibe;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Variante zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zweite Alternative der erfin­ dungsgemäßen Kolbenmaschine mit einer zentral angeord­ neten Wellenscheibe;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Variante zu der in Fig. 3 gezeigten Anordnung;

Fig. 5 eine stirnseitige Draufsicht auf eine dritte Alterna­ tive der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit einer Tandem-Anordnung der Zylinder und axial dazwischen angeordneter Wellenscheibe;

Fig. 6 eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine Seitenansicht auf eine für die Anordnung gemäß Fig. 5 vorgesehene Wellenscheibe und

Fig. 8 eine Abwicklung der Tandem-Anordnung der Kol­ ben-Zylinder-Anordnung gemäß Fig. 5.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 10 in Draufsicht schematisch wiedergegeben, wobei eine von einem nicht dargestellten Deckel gebildete Verkleidung abgenommen ist, so daß der Blick auf die Kolbenmaschine 10 frei ist und deren konstruktiven Aufbau erkennen läßt.

Zunächst fällt der kreisförmige Querschnitt der Kolbenmaschine 10 ins Auge, der von einer sogenannten Wellenscheibe 12 bestimmt ist. Die Wellenscheibe 12 ist im gezeigten Beispiel als Ring­ scheibe ausgebildet, welche eine im Zentrum 11 der Kolbenmaschi­ ne 10 angeordnete von Zylindern 14 und Kolben 16 gebildete Kol­ ben-Zylinder-Anordnung 18 umfaßt. Die Kolben-Zylinder-Anordnung 18 ist radial angeordnet, das heißt, daß die Längsachsen der Zylinder 14 jeweils radial verlaufen, wobei hier nicht näher gezeigte Zylinderköpfe an der zum Mittelpunkt weisenden Stirn­ seite der Zylinder 14 angeordnet sind.

In den nicht näher dargestellten Zylinderköpfen sind in an sich bekannter Weise ebenfalls nicht gezeigte Ventile angeordnet, welche über eine im Zentrum 11 vorgesehene ebenfalls nicht dar­ gestellte Nockenscheibe angesteuert werden. Die zentral angeord­ nete Nockenscheibe wird von einer zentral gelagerten Welle 20 beaufschlagt die ihrerseits in Wirkverbindung mit der Wellen­ scheibe 12 steht, so daß die Steuerzeiten der Ventile mit der jeweiligen Stellung der Wellenscheibe 12 beziehungsweise der Kolben 16 in den Zylindern 14 synchronisiert sind.

Außerdem sind im Zentrum zwei zueinander konzentrische Fluidka­ näle 22, 24 sowie hieran anschließende Fluidleitungen 25 vor­ gesehen, über welche der Fluidaustausch erfolgt. Bei Einsatz der Kolbenmaschine 10 als Verbrennungsmotor dient der engere Fluid­ kanal 22 der Kraftstoffzufuhr, während der andere Fluidkanal 24 zur Bereitstellung der erforderlichen Verbrennungsluft dient. Hierbei ist der Querschnitt des Fluidkanals 24 in axialer Mitte der Kolbenmaschine durch eine Trennwand unterbrochen. Die in dieser Darstellung nicht erkennbare Trennwand dient zur Trennung zwischen der Frischluftzufuhr und der Abgasabfuhr, die axial gesehen zur anderen Stirnseite hin erfolgt.

Die wesentliche Besonderheit der vorliegenden Kolbenmaschine 10 wird verdeutlicht durch die sinusförmige Wellenkontur der inne­ ren Umfangsfläche 13 der ringförmigen Wellenscheibe 12. Deren Innenringfläche 13 ist gleichförmig mit Anformungen 26 und Ein­ formungen 28 versehen, die als Steuerfläche für starr mit den Kolben verbundene Pleuel 30 dienen. An den freien Enden der starren Pleuel 30 gelagerte Wälzkörper 32, vorzugsweise Rollen, die unter Verwendung von Wälzlagern, zum Beispiel Nadellager, an den Pleuelenden 32 gehalten sind, liegen mit ihrer Oberfläche an der Innenringfläche 13 an und rollen an ihr ab.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 10 ist denkbar einfach. Beim Betrieb der Kolbenmaschine 10 als Ver­ brennungsmotor versetzt ein hier nicht dargestellter Anlasser über eine an ihrem äußeren Umfang 34 angeordnete Zahnung 36, die hier nur angedeutet ist, mit einem Ritzel 38 die Wellenscheibe 12 in Drehung. Gleichzeitig wird über die Steuerwelle 20 die Nockenscheibe betätigt und von dieser die Ventile der einzelnen Zylinder 14. Je zwei diametral gegenüberliegende Zylinder 14 bilden ein Paar, bei welchem der Arbeitsablauf, nämlich Ansau­ gen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen, synchron erfolgt. Hieraus resultiert ein Ausgleich der Kräfte. Die Arbeitstakte der hierzu jeweils benachbarten Zylinder 14 sind entsprechend der vorgesehenen Anzahl an Zylinderpaaren zeitlich versetzt.

Infolge der bei der Verbrennung auftretenden Kräfte werden die Kolben 16 und mit ihnen die Pleuel 30 nach außen beaufschlagt, wobei die Pleuel 30 mit den Rollen 32 ihrerseits die sinusförmi­ ge Innenringfläche 13 beaufschlagen. Die auf die Anformungen 28 wirkenden Kräfte verursachen eine Drehung der Wellenscheibe 12, wobei die Kolben 16 in der zugeordneten Einformung 26 ihren unteren Totpunkt erreichen. Anschließend sorgt die darauf folgen­ de Anformung 28 an der Innenringfläche 13 dafür, daß der Kolben 16 wieder nach innen zu seinem oberen Totpunkt bewegt wird.

Dieses Wechselspiel vollzieht sich für alle Paare von Kolben 16 in gleicher Weise zeitversetzt.

Im Pumpbetrieb wird die drehbar gelagerte Wellenscheibe 12 über die an ihrem äußeren Umfang 34 angeordnete Zahnung angetrieben. Sie dreht sich also relativ gegenüber der starr angeordneten Kolben-Zylinder-Anordnung 18 und beaufschlagt mit der Innenring­ fläche 13 der Wellenscheibe 12 die Kolben 16 über die daran befestigten Pleueln 30 beziehungsweise über die an diesen gela­ gerten Rollen 32. Prinzipiell ist der Ablauf der gleiche wie beim Motorbetrieb, wobei lediglich der Fluidstrom entgegenge­ setzt vorgesehen ist.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Kolbenmaschine 40 wie in Fig. 1 dargestellt, wobei für die entsprechenden Merkmale die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet wurden.

Der wesentliche Unterschied gegenüber der Kolbenmaschine 10 gemäß Fig. 1 besteht in einer anderen Profilierung der inneren Ringfläche 13. Während gemäß Fig. 1 vier Zyklen von Anformungen 26 und Einformungen 28 je Umdrehung aufeinanderfolgen, sind es bei der Kolbenmaschine 40 gemäß Fig. 2 deren zwölf, das heißt drei mal soviel.

Da der weitere Aufbau dieser Kolbenmaschine 40 dem der Maschine 10 gemäß Fig. 1 ansonsten entspricht, sind weitere Einzelheiten, wie die Anordnung von Fluidkanälen etc. nicht näher dargestellt.

In den Fig. 3 und 4 sind jeweils Kolbenmaschinen 42, 44 auszugs­ weise gezeigt, die zu der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 10, 40 gemäß Fig. 1 und 2 alternative Lösungen darstellen. Hierbei sind die gleichen Merkmale, wie zuvor erläutert, zwar auch vor­ handen, jedoch an anderer Stelle plaziert. Bei den in Fig. 3 und 4 gezeigten Konstruktionsbeispielen ist die Wellenscheibe je­ weils von einer zentrisch gelagerten Zentralscheibe 46, 48 ge­ bildet, die ebenfalls radial von an Kolben 16 starr befestigten Pleueln 30 beziehungsweise daran angeordneten Rollen 32, jedoch von außen beaufschlagt werden. Die Anordnung in Fig. 3 weist eine Zentralscheibe 42 mit sinusförmig gestalteter Außenprofi­ lierung auf, die von vier Kolben 16 beaufschlagt ist, wobei die Außenkontur entsprechend zweier Halbwellen oval geformt ist.

Demgegenüber weist die Zentralscheibe 44 gemäß Fig. 4 eine sternförmige Außenkontur auf, die aus vier Wellen, das heißt mit je vier Anformungen 26 und Einformungen 28 entsprechend den Wellenbäuchen, zusammengesetzt ist und von acht Kolben 16 beauf­ schlagt wird.

Bei den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Alternativlösungen der erfindungsgemäßen Kolbenmaschinen 42, 44 befinden sich die Mit­ tel für den Fluidaustausch, das heißt Zylinderköpfe mit Ventilen sowie deren Ansteuerung und die Fluidkanäle und Fluidleitungen jeweils am äußeren Umfang der hier nur teilweise dargestellten Kolbenmaschinen 42, 44.

In den Fig. 5 bis 8 ist als dritte Alternative eine erfindungs­ gemäße Kolbenmaschine 50 schematisch gezeigt, bei welcher die Kolben-Zylinder-Anordnung 18 auch auf einem Kreisring angeordnet ist. Abweichend von den bisher in den Fig. 1 bis 4 erläuterten Lösungsprinzipien jedoch verlaufen die Längsachsen der Zylinder 16 jeweils konzentrisch zu einem zentral vorgesehenen Fluidkanal 22, das heißt, während bei den beiden zuvor erläuterten Alterna­ tiven die Kolbenbewegung radial zur Drehachse der Wellenscheibe 12, 46, 48 erfolgt, ist gemäß der dritten Alternative eine axia­ le Kolbenbewegung vorgesehen.

Wie aus der in Fig. 6 dargestellten Seitenansicht der erfin­ dungsgemäßen Kolbenmaschine 50 in Verbindung mit der in Fig. 8 gezeigten Abwicklung ersichtlich ist, weist die Kolbenmaschine 50 zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen 18 mit je acht Zylindern 14 auf, die gegenläufig zueinander angeordnet sind und mit den darin geführten Kolben 14 eine dazwischen angeordnete Wellen­ scheibe 52 mit randnah beiderseits jeweils auf einem Kreisring angeordneten Anformungen 26 und Einformungen 28 beaufschlagen.

Die Profilierung der Anformungen 26 und Einformungen 28 ist auch hier sinusförmig vorgesehen, wie aus der in Fig. 7 gezeigten Seitenansicht der Wellenscheibe 52 beziehungsweise aus der in Fig. 8 dargestellten Abwicklung der Kolbenmaschine 50 zu ersehen ist.

Wie bereits bei den in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Kolben­ maschinen 10, 30 ist auch hier die Wellenscheibe 52 mit einer Zahnung 54 am Umfang 34 versehen, die zum Antrieb der Wellenscheibe 52 im Pumpbetrieb oder als Abtrieb beim Motor­ betrieb dient.

Um die beim Motorbetrieb anfallende Verbrennungswärme abzufüh­ ren, kann sowohl die Kühlung mittels Luft als auch mit flüssigen Medien, insbesondere mit Wasser vorgesehen sein.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine 10, 30, 42, 44 und 50 ist sehr vielseitig. So ist beispielsweise auch der Einsatz als Flugzeugmotor möglich, wobei hier insbesondere die Anbringung von Schaufeln auf dem Umfang der Wellenscheibe 12, 52 sich vorteilhaft auswirkt, da hierdurch zusätzliche Antriebs­ leistung erzielt werden kann.

Beim Einsatz als Flugzeugmotor ist es besonders vorteilhaft, den an der Wellenscheibe angeordneten Schaufelkranz mit einem Umge­ häuse zu versehen, welches sich nach hinten verjüngt. Durch die heißen Abgase, die in dieses Gehäuse geleitet werden, kann eine zusätzliche Schubkraft bewirkt werden, da sich durch die Hitze des Abgasstroms die durchströmende Luft erhitzt und hierdurch ausdehnt mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit austritt.

Die in Fig. 5 gezeigte Stirnansicht kann an sich sowohl für die Zuluft- als auch für die Abgasseite genommen werden, da der Aufbau nahezu identisch ist. Der einzige Unterschied besteht darin, daß an der Rückseite die Zusammenführung der Auspuff­ krümmer in den in der Mittelachse des Motors hinter den rücksei­ tigen Zylindern angeordneten Abgasturbolader erfolgt, während an der Frontseite die Ansaugöffnung für die Ladeseite des Abgastur­ boladers im Zentrum des Motors sitzt. Zur Verbindung der Ab­ gasturbine und der Ladeturbine ist eine zentrisch angeordnete Verbindungsachse vorgesehen.

Die Auspuffrohre laufen an der Außenseite des Motors nach hinten und enden dort in der Abgasturbine. Die Frischluftzufuhr erfolgt über die Ladeturbine in der Mittelachse des Motors zu den An­ saugöffnungen der Zylinder an der Innenseite des Motors, um möglichst kurze Wege zu gewährleisten. Ebenfalls an der Innen­ seite des Motors sitzt neben der Ladeturbine die Einspritzpumpe.

Eine- Variante kann darin bestehen, daß an jedem Zylinderkopf Einzeleinspritzventile angebracht sind, welche mittels eines, zum Beispiel vom Turbolader angetriebenen mehrstufigen Schrau­ benkompressors mit konstantem Druck von 1000 bis 2000 bar ver­ sorgt wird. Diese Ventile werden vorzugsweise elektrisch ange­ steuert.

Bei Einsatz als Pumpe ist vorzugsweise die erste Variante mit außenliegender Wellenscheibe vorzusehen. Hierbei wird das zu fördernde Medium zentral an der Vorderseite der Maschine zu­ geführt. Eine rotierende Walze in Form eines Malteserkreuzes dient dazu, die Ansaugöffnungen von jeweils vier um 90° zuein­ ander versetzten Zylindern jeweils gleichzeitig zu betätigen, zum Beispiel öffnen. Hierzu synchron werden von einer identi­ schen Steuerwalze an der Rückseite der Maschine die Auslaßöff­ nungen der vier anderen, zu den ersten um 45° versetzt angeord­ neten, Zylinder betätigt.

Die Ansteuerung der Steuerwalze erfolgt wie auch bei den anderen vorstehend behandelten Alternativen vorzugsweise mittels Zahn­ riemen, der unmittelbar von einer der Antriebswellen beauf­ schlagt ist und so die Ventilsteuerung entsprechend der jeweili­ gen Kolbenstellung vornimmt.

Selbstverständlich sind die Wellenscheiben in Lagern, vorzugs­ weise Wälzlager, geführt und abgestützt, wobei im Pumpbetrieb auch auf der Rückseite Wälzlager vorzusehen sind.

Claims (21)

1. Kolbenmaschine (10, 40, 42, 44, 50), insbesondere Verbren­ nungsmotor, zum Beispiel Dieselmotor, mit einem Gehäuse, mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung (18) mit sternförmig zueinander ausgerichteten Zylindern (14), in welchen Kolben (16) mit hieran angeordneten Pleueln (30) gleitend geführt sind und an welche jeweils mit Ventilen versehene Zylinderköpfe anschließen, welche Ventile für den Fluidaustausch der Zylinder (14) sorgen, und mit einer mit den Pleueln (30) in Wirkverbindung stehenden Kraft­ übertragungseinrichtung (12, 46, 48, 52), dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung (18) symmetrisch ausge­ bildet ist, daß die Kraftübertragungseinrichtung von einer dreh­ bar im Gehäuse gelagerten Wellenscheibe (12, 46, 48, 52) ge­ bildet ist, deren der Kolben-Zylinder-Anordnung (18) zugewandte Umfangs- oder Ringfläche (13, 43, 45, 53) periodisch angeordnete wellenförmige Anformungen (26) beziehungsweise Einformungen (28) aufweist, deren Abstand zum Zentrum (11) dem Kolbenhub angepaßt ist, daß die zur Kraftumsetzung vorgesehenen Kolben beziehungs­ weise Zylinder der Kolben-Zylinder-Anordnung vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und daß die den Kolben (16) jeweils abgewandten freien Enden der Pleuel (30) mit der periodisch verformten Umfangs- beziehungsweise Ringfläche der Wellenscheibe (12, 46, 48, 52) zusammenwirken.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungseinrichtung von einer die Kolben-Zylinder- Anordnung umfassenden drehbar im Gehäuse gelagerten Ringscheibe (12) gebildet ist, deren innere, der Kolben-Zylinder-Anordnung (18) zugewandte Ringfläche (13) mit periodisch angeordneten Anformungen (26) versehen ist, die mit ebenfalls periodischen Einformungen (28) abwechseln und deren resultierende Einformtie­ fe dem Kolbenhub angepaßt ist, daß die Zylinderköpfe an den radial nach innen weisenden Stirnseiten der Zylinder (14) an­ geordnet sind und daß die Pleuel (30) jeweils an dem radial nach außen weisenden Kolbenende anschließen, wobei die den Kolben (16) jeweils abgewandten freien Enden der Pleuel (30) mit der periodisch verformten inneren Ringfläche (13) der als Ring aus­ gebildeten, eingeformten Wellenscheibe (12) zusammenwirken.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungseinrichtung von einer drehbar im Gehäuse zentrisch gelagerten Zentralscheibe (46, 48) gebildet ist, deren äußere, der Kolben-Zylinder-Anordnung (18) zugewandte Umfangs­ fläche (43, 45) mit periodisch angeordneten Anformungen (26) versehen ist, welche mit periodisch angeordneten Einformungen (28) abwechseln, daß die Zylinderköpfe an den radial nach außen weisenden Stirnseiten der Zylinder (14) angeordnet sind, daß die Pleuel (30) jeweils an dem nach innen weisenden Kolbenende an­ schließen und daß die den Kolben (16) jeweils abgewandten freien Enden der Pleuel (30) mit der periodisch mit Anformungen verse­ henen Umfangsfläche (43, 45) der Zentralscheibe (46, 48) zu­ sammenwirken.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung (18) in zwei Ebenen axial zuein­ ander versetzt einander entgegengerichtet auf koaxialen Kreis­ ringen angeordnet sind, welche die Antriebs- beziehungsweise Abtriebsachse konzentrisch umgeben, daß die Zylinderlängsachsen hierzu achsparallel verlaufen, und daß die Wellenscheibe (52) zwischen den beiden Kolben-Zylinder-Anordnungen (18) angeordnet ist und beidseitig jeweils auf einer Kreisringfläche angeordnete wellenförmige Anformungen (26) und Einformungen (28) aufweist, welche mit den den Kolben (16) abgewandten Pleuelenden (32) zusammenwirken.

5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch­ gekennzeichnet, daß die Pleuel (30) starr geführt sind und daß die freien Enden der Pleuel mit Wälzkörpern (32), zum Beispiel Rollen oder Kugeln, versehen sind, welche sich an der periodisch verformten Umfangsfläche (13, 43, 45, 53) der Wellenscheibe (12, 46, 48, 52) abstützen.

6. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anformungen (26) und Einformungen (28) an der Umfangs- bzw. Ringfläche (13, 43, 45, 53) der Wellen­ scheibe (12, 46, 48, 52) sinusförmig ausgebildet sind.

7. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung (18) punkt­ symmetrisch ausgebildet ist, daß eine gerade Zahl von Zylindern (14) vorgesehen ist und daß die Zylinder (14) jeweils einander paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

8. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile für den Fluidaustausch der Zy­ linder (14) sowie die hiermit verbundenen Fluidleitungen (25) im Zentrum (11) angeordnet sind.

9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile für den Fluidaustausch der Zy­ linder (16) sowie die hiermit verbundenen Fluidleitungen peri­ pher angeordnet sind.

10. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche l oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile für den Fluidaustausch der Zy­ linder (16) sowie die hiermit verbundenen Fluidleitungen jeweils stirnseitig angeordnet sind.

11. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Ventile eine von einer Ventilsteuerwelle (20) betätigte, koaxial zur Antriebs- bezie­ hungsweise Abtriebsachse angeordnete Nockenscheibe mit an ihrem Umfang radial beziehungsweise randnah auf beiden Seiten axial angeformten Nocken vorgesehen ist.

12. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (14) über einzelne Flu­ idleitungen (25) mit wenigstens einem Fluidkanal (22, 24) ver­ bunden sind.

13. Als Verbrennungsmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft­ stoffzufuhr für die Zylinder (14) einer Ebene über eine gemein­ same Kraftstoffversorgung (22) vorgesehen ist und daß das Abgas der Zylinder (14) einer Ebene ebenfalls über eine gemeinsame Abgasleitung abströmt.

14. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einem Zylinder (14) zugeordnete Zylinderkopf mit einer Einspritzdüse versehen ist.

15. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Pleueln (30) übertragene zyklische Hubbewegung der Kolben (16) sich über die Wälzkörper (32) auf die Wellenscheibe (12, 46, 48, 52) überträgt und diese in Drehung versetzt.

16. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen­ scheibe (12, 46, 48, 52) als Abtrieb für die Kraftübertragung dient.

17. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Umfangsfläche (34) der Wellenscheibe (12, 46, 48, 52) mit einer Zahnung (36) versehen ist.

18. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnung (36) von einem mit der Wellenscheibe (12, 46, 48, 52) verbundenen Zahnrad gebildet ist.

19. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuel (30) einstückig mit den Kolben (16) verbunden sind.

20. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Pleueln (30) Wälzlager zur Halterung und Lagerung der Wälzkörper (32) vorgesehen sind.

21. Als Einspritzmotor eingesetzte Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben­ maschine (10, 40, 42, 50) als Achtzylindermotor ausgebildet ist und vier jeweils einander gegenüberliegend angeordnete Zylinder­ paare aufweist.