DE19740133C2 - Kreiskolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreiskolbenmotor mit mindestens zwei gegeneinander beweglich gelagerten Kolben, die in einem Zylinder drehbar gelagert sind, wobei die Symmetrieachsen der Kolben und des Zylinders koaxial verlaufen, wobei eine Mehrzahl wirksamer Hubräume zwischen jeweils zwei radialen Grenzflächen der beiden jeweiligen Kolben ausgebildet ist, die bei Betrieb des Motors (mit Bezug aufeinander eine Schwingbewegung ausführen, und eine Einrichtung vorgesehen ist, die bewirkt, dass der Schwingebewegung eine Kreisbewegung beider Kolben überlagert ist.

Ein Kreiskolbenmotor ist als sogenannter Wankel-Motor bekannt. Bei diesem Motor ist ein mit einer Mehrzahl abgerundeter Flächen ausgebildeter Kolben in einem Zylinder gelagert, dessen Innenwandung nicht kreisförmig ausgebildet ist, sondern eine Mehrzahl konkaver Aussparungen aufweist. Die Brennkammern dieses Motors werden dabei jeweils zwischen den abgerundeten Flächen des Kolbens und entsprechenden Aussparungen des Zylinders gebildet. Der Nachteil des Wankelmotors ist vor allem sein komplizierter Zusammenbau, der einen hohen Fertigungsaufwand erfordert. Ein weiteres Problem stellt die Abdichtung des Motors dar. Bereits sehr kleine Undichtheiten führen zu einer Verringerung der Motorleistung, zu einer Erhöhung der toxischen Anteile in den Abgasen und zu einem erhöhten Treibstoff- und Ölverbrauch.

Dieser Motor weist zum anderen den Nachteil auf, dass der Hubraum der Brennkammern auf natürliche Weise sehr begrenzt ist und der Kolben bezüglich der Zylinderwand nur schwer abdichtbar ist.

Aus der DE-AS 11 22 549 ist ein Kreiskolbenmotor der eingangs genannten Art bekannt. Dieser bekannte Motor weist jedoch insbesondere im Hinblick auf eine genaue Steuerbarkeit des Drehmomentes an der Abgangswelle des Motors noch Nachteile auf.

Ein ähnlicher Kreiskolbenmotor ist aus der DD 65 706 bekannt. Auch dieser bekannte Motor weist den Nachteil auf, dass eine genaue Steuerbarkeit des Drehmomentes an der Abgangswelle des Motors nicht gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kreiskolbenmotor zu schaffen, dessen Brennkammern leicht abdichtbar und leicht befüllbar und entleerbar sind, bei dem die Expansionsenergie der Verbrennungsgase zu einem hohen Anteil in kinetische Energie gewandelt wird, und bei dem ein gut steuerbares und zeitlich konstantes Drehmoment an der Abgangswelle des Motors gewährleistet ist.

Für einen Kreiskolbenmotor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Grenzflächen der Kolben jeweils annähernd s-förmig ausgebildet sind derart, dass zwischen benachbarten Teilen sich gegenüberstehender Grenzflächen der Kolben jeweils gleiche Abstände vorgegeben sind, dass ein in drei Teile segmentierter, annähernd s- förmig ausgebildeter Einlassschlitz in der Wand des Zylinders vorgesehen ist, der bei einem Winkel von ca. 4° bis ca. 34° beginnt und bei einem Winkel von ca. 30° bis ca. 60° endet, wobei die Winkel im Gegenuhrzeigersinn von der Vertikalen ausgehend angegeben sind, so dass immer ein Winkelbereich von ca. 30° der Zylinderwand schlitzförmig ausgebildet ist, und dass ein in drei Teile segmentierter, annähernd s-förmig ausgebildeter Auslassschlitz in der Wand des Zylinders vorgesehen ist, der bei einem Winkel von ca. -4° bis ca. -34° endet und bei einem Winkel von ca. -34° bis ca. -60° beginnt, wobei die Winkel im Gegenuhrzeigersinn von der Vertikalen ausgehend angegeben sind, so dass immer ein Winkelbereich von ca. 30° der Zylinderwand schlitzförmig ausgebildet ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor ist ein gut steuerbares und zeitlich konstantes Drehmoment an der Abgangswelle des Motors gewährleistet.

Bei dem erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor wird dabei durch das Vorsehen zweier gegeneinander beweglich gelagerter Kolben mit kollinear verlaufenden Achsen, bei denen eine Mehrzahl von Brennkammern zwischen jeweils zwei radialen Grenzflächen der beiden jeweiligen Kolbenflügel ausgebildet ist, erreicht, dass die in den jeweiligen Brennkammern entzündeten Gase jeweils rechtwinklig auf die entsprechenden Grenzflächen der jeweiligen Kolbenflügel wirken. Dadurch wird eine hohe Leistung des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors erzielt. Zum anderen wird durch die Ausbildung von Brennkammern, die zwischen zwei jeweils gegeneinander beweglich gelagerten Kolben ausgebildet sind, erreicht, dass der Hubraum der Brennkammern über den Radius und die Länge des Zylinders beliebig vorgebbar ist und dass Dichtungen zwischen dem Zylinder und den Kolben deswegen leicht ausgeführt werden können, weil sie ähnlich wie bei einem Otto-Motor innerhalb eines im Querschnitt kreisförmigen Hohlzylinders wirksam sind und dementsprechend maschinell leicht herstellbar sind.

Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren ähnlicher Bauart zeichnet sich diejenige des erfindungsgemäßen Motors durch einen sehr einfachen konstruktiven Aufbau aus. Um die Motorsteuerung zu regeln werden keine Teile wie Ventile, Nockenwelle oder Kurbelwelle benötigt. Dadurch ist es möglich, die Fertigungskosten beträchtlich zu senken. Alle wesentlichen Bauteile des Motors haben gut anschleifbare zylindrische Oberflächen und können mit hoher Präzision unter geringen Kosten hergestellt werden. Die Abdichtung des Motors bereitet ebenfalls keine Probleme. Mit herkömmlichen Dichtungselementen kann eine nahezu absolute Dichtheit erreicht werden. Ein weiterer Vorteil des Motors sind seine geringen Abmessungen.

Der erfindungsgemäße Motor ist ein im Viertakt arbeitender Drehkolbenmotor, der wahlweise mit vier oder acht Verbrennungsräumen ausrüstbar ist.

Durch die Anordnung des Einlass- und Auslassschlitzes wird erreicht, dass die zwischen jeweils zwei radialen Grenzflächen der beiden jeweiligen Kolben ausgebildeten Brennkammern optimal mit Brennstoff gefüllt und entleert werden und so entzündbar sind, dass sich ein optimaler Gleichlauf des Motors ergibt.

Vorzugsweise sind zwei Kolben mit jeweils zwei Kolbenflügeln vorgesehen, wobei zwischen den jeweiligen Grenzflächen der insgesamt vier Kolbenflügel vier Verbrennungsräume gebildet sind und bei einer Umdrehung der Motorwelle vier Verbrennungsvorgänge vorgesehen sind.

Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Motor unterschiedliche Massen der Kolben durch Aussparungen und/oder Zusatzmassen an den Kolben und/oder den Zahnrädern ausgeglichen. Dadurch wird die Laufruhe des Motors erhöht.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor die Achse des einen Kolbens als Vollstange ausgebildet und die Achse des anderen Kolbens als Hohlstange ausgebildet, deren lichter Durchmesser so bemessen ist, dass die Vollstange des einen Kolbens in ihr kollinear ausgerichtet beweglich gelagert ist. Dadurch wird erreicht, dass eine gegenseitige Beweglichkeit der beiden Kolben mit kollinear verlaufenden Achsen auf einfache und gleichzeitig robuste Weise hergestellt ist.

Die Grenzflächen der Kolbenflügel des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors sind vorzugsweise annähernd S-förmig gebogen ausgebildet, derart, dass zwischen benachbarten Teilen sich gegenüberstehender Grenzflächen der Kolbenflügel jeweils gleiche Abstände vorgegeben sind.

Dabei sind in dem S-förmigen Verlauf der Grenzflächen der Kolbenflügel Winkelverschiebungen in Rotationsbewegung von ca. 30° erforderlich. Die gegenüberliegende Grenzfläche des Kolbenflügels ist antisymmetrisch gebogen, so dass jeder der vier Kolbenflügel an einem Ende eine lichte Weite von ca. 30° und am anderen Ende eine lichte Weite von ca. 90° in Rotationsrichtung, von der Mittelachse eines jeden Kolbenflügels aus gemessen, hat. Auf diese Weise werden zwischen den Grenzflächen der jeweiligen Kolbenflügel Brennkammern geschaffen, die eine lineare Zunahme des Brennkammervolumens bei einer Auseinanderbewegung der jeweiligen Kolbenflügel und eine lineare Abnahme des Volumens der Brennkammern bei einer Aufeinanderzubewegung der jeweiligen Kolbenflügel zur Folge hat. Durch die annähernd S-förmige Biegung der Grenzflächen der Kolben und die Anordnung der vier Verbrennungsräume wird zudem ein besonders gut steuerbares und zeitlich sehr konstantes Drehmoment an der Abgangswelle des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors bewirkt. Durch eine solche Verbrennungsraumgeometrie ist zudem eine große Klopffestigkeit bei der Verbrennung des Brennstoffes zu erwarten, wodurch auch Brennstoffe wie Wasserstoffgas benützt werden können.

Die Einrichtung zum Bewirken einer der Schwingbewegung (ca. 60°) der Kolben überlagerten Kreisbewegung weist vorzugsweise vier ovale Zahnräder auf, deren Hauptachsen jeweils paarweise senkrecht aufeinanderstehend angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Achse des einen Kolbens mit einem ersten ovalen Zahnrad verbunden ist und die Achse des anderen Kolbens mit einem zweiten ovalen Zahnrad verbunden ist, wobei diese ovalen Zahnräder kollinear hintereinander angeordnet sind und die Hauptachsen dieser ovalen Zahnräder senkrecht aufeinander stehen. Dabei sind vorzugsweise das erste und zweite ovale Zahnrad über ein drittes und viertes ovales Zahnrad miteinander verbunden, wobei das dritte und vierte ovale Zahnrad kollinear hintereinander auf einer Achse angeordnet sind, wobei die Hauptachsen des dritten und vierten ovalen Zahnrades senkrecht aufeinander stehen.

Der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Kreiskolbenmotors in einer Ansicht von schräg vorne;

Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Kreiskolbenmotor in einer, teilweisen gebrochenen, Darstellung von oben;

Fig. 3 den in Fig. 1 dargestellten Kreiskolbenmotor in einer Querschnittsansicht;

Fig. 4 den Zylinderteil des in Fig. 1 dargestellten Kreiskolbenmotors in einer auf eine Ebene projizierten Darstellung, in einer ersten Schwingungsphase;

Fig. 4a den Zylinderteil des in Fig. 4 dargestellten Kreiskolbenmotors in einer geschnittenen Ansicht von vorne, nach dem in Fig. 4 bezeichneten Schnitt B;

Fig. 5 den Zylinderteil des in Fig. 1 dargestellten Kreiskolbenmotors in einer auf eine Ebene projizierten Darstellung, in einer anderen Schwingungsphase;

Fig. 5a den Zylinderteil des in Fig. 5 dargestellten Kreiskolbenmotors in einer geschnittenen Ansicht von vorne, nach dem in Fig. 5 bezeichneten Schnitt B;

Fig. 6 den kurzen Kolben 2 mit der Hohlwelle 7 in einer Ansicht von schräg unten;

Fig. 7 den langen Kolben 1 mit der Vollwelle 6 in einer Ansicht von schräg oben;

Fig. 8a die Abwicklung der Zylinderinnenwand mit den
Durchbrüchen der Ein- und Auslassschlitze, sowie den
Durchbruch für die Anbringung einer Zündkerze;

Fig. 8b die Abwicklung der Zylinderinnenwand mit den Durch­ brüchen der Ein- und Auslassschlitze, sowie den Durchbruch für die Anbringung einer Zündkerze, mit eingezeichneter Lage der entsprechenden Kolbenteile;

Fig. 9 einen Schnitt -A- durch die Kolben und die Zylin­ derwand wie in Fig. 8 benannt, sowie den Durchbruch für die Anbringung einer Zündkerze;

Fig. 10 einen Schnitt -B- durch die Kolben und die Zylin­ derwand wie in Fig. 8 benannt;

Fig. 11 einen Schnitt -C- durch die Kolben und die Zylin­ derwand wie in Fig. 8 benannt.

Bei dem in den Fig. 1 bis 11 dargestellten erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor 100 sind zwei Kolben 1, 2 in einem Zylinder 3 drehbar gelagert, wobei die Symmetrieachsen 4, 5 des Kolbens 1, des Kolbens 2 und des Zylinders 3 kollinear ausgerichtet sind. Die Achse 6 des einen Kolbens 1 ist dabei als Vollstange 6 ausgebildet, und die Achse 7 des anderen Kolbens 2 ist dabei als Hohlstange ausgebildet, deren lichter Durchmesser so bemessen ist, dass die Vollstange 6 drehbar in der Hohlstange 7 gelagert ist. Die Kolben 1, 2 weisen jeweils große S-förmig gebogene Grenzflächen 10, 20 auf, wobei zwischen benachbarten Teilen sich gegenüberstehender Grenzflächen 10, 20 jeweils gleiche Abstände vorgegeben sind. Zwischen den jeweiligen Grenzflächen 10, 20 ist eine Mehrzahl wirksamer Hubräume 8, 9, 11, 12 ausgebildet, die nach außen durch den Zylinder 3, und an den Enden durch die Abdeckplatten 30 und 31 begrenzt sind.

Wie aus Fig. 2; 4; 4a; 5; 5a; 8a; 8b; 9; 10; 11 ersichtlich, ist ein dreigeteilt segmentierter Einlassschlitz 13, 14, 15 entlang der Wand des Zylinders 3 angeordnet, der bei einem Winkel von ca. 4° bis ca. 34° beginnt und von ca. 30° bis ca. 60° endet, gemessen im Gegenuhrzeigersinn von der Vertikalen ausgehend. Die Öffnungen des Einlassschlitzes 13, 14, 15 decken rotatorisch aus der Drehachse gemessen immer einen Bereich von ca. 30° ab. Bei Betrieb des Motors wird durch die Einlassschlitzöffnungen 13, 14, 15 Brennstoff in den zwischen den Kolben 1, 2 ausgebildeten jeweiligen Hubraum 8, 9, 11, 12 eingesaugt, verdichtet und gezündet. Der in der Drehrichtung vorne liegende jeweilige Kolbenflügel des einen Kolbens wird durch die Expansion des Brenngases beschleunigt, und der nachfolgende Kolbenflügel des anderen Kolbens abgebremst. Dadurch wird die Verbrennungsenergie als rotatorische Bewegungsenergie von den Motorbauteilen aufgenommen.

Nach dem Arbeitstakt wird das verbrannte Brenngas durch die annähernd S-förmigen, entlang der Peripherie des Zylinders angeordneten aus Stabilitätsgründen vorzugsweise unterbrochenen Auslassschlitze 16, 17, und 18 durch das sich Annähern der jeweiligen Kolbenflügel hinausgepresst. Der Auslassschlitz endet bei ca. -4° bis ca. -34°, und fängt bei ca. -34° bis ca. -60° an, gemessen im Gegenuhrzeigersinn von der Vertikalen ausgehend (siehe Fig. 8-Fig. 11) und deckt somit immer eine rotatorisch gemessene Öffnung von 30° ab. Auf diese Weise wird eine Schwingbewegung von ca. 60° der Kolben 1, 2 innerhalb des Zylinders 3 bewirkt. Die Schwingbewegung wechselt bei einer Motorumdrehung aufgrund der Wirkung der Einrichtung 110 vier mal, so das ein Verbrennungsraum bei einer Motorumdrehung alle vier Takte durchläuft (Ansaugen - Verdichten - Arbeitstakt - und Ausstoßen). Da zu jedem Zeitpunkt eines Kolbenumlaufs alle vier Verbrennungsräume 8, 9, 11, 12 des erfindungsgemäßen Motors für jeweils eine bestimmte Betriebsphase genutzt werden, werden bei einer Drehung der Kolben 1, 2 vier Verbrennungsvorgänge erzeugt. Dabei durchläuft jeder Verbrennungsraum einen jeweils anderen Takt, so dass zum Beispiel Raum 8 ansaugt, Raum 9 verdichtet, Raum 11 den Arbeitstakt durchläuft und Raum 12 das verbrannte Gas ausstößt. Bei einer Weiterdrehung der Welle 105 um eine viertel Drehung wechseln die Takte in den vier Verbrennungsräumen. Eine in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Einrichtung 110 bewirkt bei dem erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotor 100, dass der Schwingbewegung der Kolben 1, 2 eine Kreisbewegung überlagert wird.

Die Einrichtung 110 weist vier ovale Zahnräder 101, 102, 103 und 104 auf, deren Hauptachsen 101', 102', 103' und 104' jeweils paarweise senkrecht aufeinanderstehend angeordnet sind. Bei der Einrichtung 110 ist die Achse 7 des anderen Kolbens 2 mit einem ersten ovalen Zahnrad 101 verbunden, und die Achse 6 des einen Kolbens 1 mit einem zweiten ovalen Zahnrad 104 verbunden, wobei diese ovalen Zahnräder 101, 104 kollinear hintereinander angeordnet sind und die Hauptachsen 101', 104' dieser ovalen Zahnräder 101, 104 senkrecht aufeinanderstehend angeordnet sind. Das erste ovale Zahnrad 101 und das zweite ovale Zahnrad 104 sind dabei über ein drittes ovales Zahnrad 102 und ein viertes ovales Zahnrad 103 miteinander verbunden, wobei die Zahnräder 102 und 103 kollinear hintereinander auf einer Achse 105 angeordnet sind, wobei die jeweiligen Hauptachsen 102', 103' der Zahnräder 102, 103 senkrecht aufeinanderstehend angeordnet sind.

Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors 100 bewirkt eine Expansion entzündeter, heißer Treibstoffgase beispielsweise in der Brennkammer 8 eine Bewegung der Kolben 1, 2 in Richtung voneinander fort. Das mit der Achse 7 des Kolbens 2 verbundene ovale Zahnrad 101 bewegt sich dabei in der Richtung desjenigen Pfeiles, der in der Fig. 1 auf seiner Oberfläche dargestellt ist. In der in Fig. 1 dargestellten Ausgangsposition bewirkt eine Drehung des Zahnrades 101 um eine kleine Winkelauslenkung eine relativ große Winkelauslenkung des auf der Achse 105 angeordneten Zahnrades 102. Das ebenfalls auf der Achse 105 angeordnete Zahnrad 103 überträgt diese Bewegung auf das mit der Achse 6 des Kolbens 1 verbundene Zahnrad 104. Die unterschiedliche, sich abwechselnde lokale Kraftübertragung der Zahnräder 101 rsp. 104 bewirkt dabei, dass sich der Schwingbewegung der Kolben 1, 2 eine Kreisbewegung überlagert. Die Welle 105 rotiert mit der durchschnittlichen Drehzahl der beiden Kolben 1 und 2. An der Verlängerung der Welle 105 ist die Rotationsenergie des Motors mit konstanter Winkelgeschwindigkeit abnehmbar. An der Verlängerung der Welle 6 ist die Rotationsenergie des Motors mit sich pro Umdrehung ändernder Winkelgeschwindigkeit abnehmbar, wie dies beispielsweise zum Betreiben von Kompressoren wünschenswert ist.

Claims (4)

1. Kreiskolbenmotor (100) mit mindestens zwei gegeneinander beweglich gelagerten Kolben (1, 2), die in einem Zylinder (3) drehbar gelagert sind, wobei die Symmetrieachsen (4, 5) der Kalben (1, 2) und des Zylinders (3) koaxial verlaufen, wobei eine Mehrzahl wirksamer Hubräume (8, 9, 11, 12) zwischen jeweils zwei radialen Grenzflächen (10, 20) der beiden jeweiligen Kolben (1, 2) ausgebildet ist, die bei Betrieb des Motors (100) mit Bezug aufeinander eine Schwingbewegung ausführen, und eine Einrichtung (110) vorgesehen ist, die bewirkt, dass der Schwingebewegung eine Kreisbewegung beider Kolben (1, 2) überlagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen (10, 20) der Kolben (1, 2) jeweils annähernd s-förmig ausgebildet sind derart, dass zwischen benachbarten Teilen sich gegenüberstehender Grenzflächen (10, 20) der Kolben (1, 2) jeweils gleiche Abstände vorgegeben sind, dass ein in drei Teile segmentierter, annähernd s-förmig ausgebildeter Einlassschlitz (13, 14, 15) in der Wand des Zylinders (3) vorgesehen ist, der bei einem Winkel von ca. 4° bis ca. 34° beginnt und bei einem Winkel von ca. 30° bis ca. 60° endet, wobei die Winkel im Gegenuhrzeigersinn von der Vertikalen ausgehend angegeben sind, so dass immer ein Winkelbereich von ca. 30° der Zylinderwand schlitzförmig ausgebildet ist, und dass ein in drei Teile segmentierter, annähernd s-förmig ausgebildeter Auslassschlitz (16, 17, und 18) in der Wand des Zylinders (3) vorgesehen ist, der bei einem Winkel von ca. -4° bis ca. -34° endet und bei einem Winkel von ca. -34° bis ca. -60° beginnt, wobei die Winkel im Gegenuhrzeigersinn von der Vertikalen ausgehend angegeben sind, so dass immer ein Winkelbereich von ca. 30° der Zylinderwand schlitzförmig ausgebildet ist.

2. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Bewirken einer der Schwingbewegung der Kolben (1, 2) überlagerten Kreisbewegung vier ovale Zahnräder (101, 102, 103, 104) aufweist, deren Hauptachsen (101', 102', 103', 104') jeweils paarweise senkrecht aufeinanderstehend angeordnet sind.

3. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (7) des einen Kolbens (2) mit einem ersten ovalen Zahnrad (101) verbunden ist und die Achse (6) des anderen Kolbens (1) mit einem zweiten ovalen Zahnrad (104) verbunden ist, wobei diese ovalen Zahnräder (101, 104) kollinear hintereinander angeordnet sind und die Hauptsachen (101', 104') dieser ovalen Zahnräder (101, 104) senkrecht aufeinander stehen, und dass das erste (101) und zweite (104) ovale Zahnrad über ein drittes (102) und viertes (103) ovales Zahnrad miteinander verbunden sind, die kollinear hintereinander auf einer Achse (105) angeordnet sind und deren Hauptachsen (102', 103') senkrecht aufeinander stehen.

4. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Massen der Kolben (1, 2) durch Aussparungen und/oder Zusatzmassen an den Kolben (1, 2) und/oder den Zahnrädern (101 und 104) ausgeglichen werden.