DE202011107909U1

DE202011107909U1 - Kolbenloser Motor mit innerer Verbrennung und Kurbeltrieb und verbessertem mechanischem Wirkunsgrad aufgrund niedrigerer Motorreibung infolge Entfall des in einem Zylinder gleitenden Kolben

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Publication number: DE202011107909U1
Application number: DE201120107909
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Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2021-11-17

Abstract

Kolbenloser Motor mit Kurbeltrieb und variabler Brennraumgeometrie, dadurch gekennzeichnet dass der Motor über einen elastischen Brennraummantel verfügt in den eine Bodenplatte zur Ersatz des üblichen Kolbens fest integriert ist wodurch eine gleitreibungsfreie Volumenänderung eines abgeschlossenen Raumes möglich ist.

Description

Stand der Technik: Motor mit einem in einem Zylinder gleitenden Kolben
Die gegenwärtig verwendeten Kraft- und Arbeitsmaschinen wie z. B. Verbrennungsmotoren oder Pumpen weisen neben zahlreichen anderen Bauteilen einen sogenannten Kolben (5) auf, der den in einem Zylinder (4) durch die Verbrennung ansteigenden Gasdruck in eine gerichtete Kraft umwandelt die wiederum auf Pleuelstange (3) und Kurbelwelle (2) wirkt und somit ein Drehmoment erzeugt, welches an einem ausgewählten Punkt der Kurbelwelle (2) zwecks Verrichtung von Arbeit abgenommen werden kann. Der typische Aufbau eines herkömmlichen 4-Takt Motors mit innerer, intermittierender Verbrennung ist in 1 gezeigt. Dieser Motortyp wird auch als Hubkolbenmotor bezeichnet.

Der Kolben (5) muss mehrere Aufgaben erfüllten, die zum Teil einen erheblichen Zielkonflikt darstellen.

1) Übertragung großer Kräfte	⇔	leichte und Bauweise
2) Gute Abdichtung des Brennraumes	⇔	geringe Reibung im Zylinder
3) Höhe Wärmebeständigkeit	⇔	Aluminiumbauweise wg. Gewicht
4) Gute Laufruhe = kleines Laufspiel	⇔	geringe Reibung
5) Gutes Ölabstreifvermögen	⇔	hinreichende Schmierung

Die genannten Punkte sind im Rahmen des heutigen Standes der Technik nur mit Einschränkungen in der Lebensdauer und unter Aufwendung komplexer Bauweise gelost. So ist z. B. die Gasabdichtung des Kolbens (5) durch dessen Kolbenringe nur bedingt zufriedenstellend, da die Gasleckagen (Blow-By-Gas) mit einer aufwendigen Ölabscheide-Vorrichtung behandelt, d. h. von Schmieröl befreit, und anschließend aufgrund ihrer Toxizität wieder der Verbrennung zugeführt werden müssen (⇒ gesetzliche Vorschrift). Die Gasleckagen sorgen überdies aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften für eine beschleunigte Alterung des Motorschmierstoffes (i. d. R. Motorenöl), wodurch dieser regelmäßig ausgetauscht und kostenpflichtig entsorgt oder aufgearbeitet werden muss. Da der Schmierstoff bis zu den obersten Kolbenringen geführt werden muss um diesen Bereich vor übermäßigem Verschleiß zu schützen, ist die maximal erzielbare Motorleistung durch die maximal zulässige Temperatur, die der Schmierstoff an diesen Stellen erreichen darf begrenzt. Die gewichtsbedingte Ausführung der Kolben (5) in Leichtmetall zeigt gleichfalls Mängel hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit, wie in der Fachliteratur unter dem Begriff „Kolbenschäden” als sogenannte „Spaltbrüche” oder „Anschmelzungen” hinreichend bekannt. Der Wunsch nach geringer Geräuschentwicklung des im Zylinder gleitenden Kolbens (5), insbesondere beim sogenannten Anlagewechsel in der Nähe der Totpunkte, wird in der Regel durch außermittige Anordnung des Kolbenbolzens bzw. durch sehr geringe Einbauspiele unter Inkaufnahme erhöhter Reibung nur unzufrieden stellend erfüllt, da dies i. d. R. mit einem verminderten Wirkungsgrad der Maschine erkauft wird. Letztlich ist allgemein die Gleitreibung des sich im Zylinder (4) bewegenden Kolbens (5) als energetischer Verlust im Rahmen der Energieumwandlung (chemisch ⇒ thermisch ⇒ mechanisch) zu sehen und somit als prinzipiell nachteilig zu bewerten.
Neue Technologie des kolbenlosen Motors
Mit der Erfindung des kolbenlosen Motors mit der Besonderheit einer Kraftübertragung durch einen Kurbeltrieb werden mehrere bauartbedingte Mängel des heutigen Hubkolbenmotors mit in einem Zylinder gleitendem Kolben, beseitigt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Schutzansprüchen 1, 2 und 3 beschrieben. Der durch das elastische Well-Rohr mit integrierter Bodenplatte gebildete elastische Brennraum weist praktisch keine Leckage auf und minimiert durch den Entfall eines in einem Zylinder gleitenden Kolbens die Gesamtreibung des Motors wodurch dessen Wirkungsgrad verbessert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 dargestellt.
Der kolbenlose Motor verfügt ähnlich dem Motor mit Kolben über einen Zylinderblock (1) (auch Kurbelgehäuse genannt) sowie über eine Kurbelwelle (2) und eine Pleuelstange (3) zur Umsetzung einer linear, oszillierenden Bewegung in eine rotierende Bewegung. In gleicher Weise wie der Motor mit Kolben besitzt er einen Zylinderkopf (6) und Steuerorgane (7, 8, 9) wodurch der Brennraum (5a) „nach oben” abgedichtet und der Gaswechsel gesteuert wird.
Die wesentliche Innovation des kolbenlosen Motors besteht aus dem neuartigen Konzept der Darstellung einer Volumenänderung, die hier nicht wir im Motor mit Kolben durch eine Verdrängungsbewegung eines in einem Zylinder gleitenden Kolbens, sondern durch das elastische Kontrahieren und Expandieren eines flexiblen, temperatur- und druckbeständigen Well-Rohres (4a) (ähnlich eines Faltenbalges oder Kompensators), der eine hohe chemische Beständigkeit aufweist realisiert wird. Der für den motorischen Prozess erforderliche, gas dichte Brennraum wird durch den Zylinderkopf (6) (oben) einerseits und durch eine in das Well-Rohr integrierte, stabile Bodenplatte (5a) (unten) andererseits, an der auch das obere Pleuelauge drehbar gelagert ist, dargestellt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Motor ist hier eine nahezu 100%ige Gasabdichtung des Brennraumes möglich, insbesondere sind Gasleckagen in dem Bereich in dem sich üblicherweise der Kolben bzw. die Kolbenringe befinden ausgeschlossen. Da die Kontraktion des Wellrohres (4a) nur in den elastischen Grenzen des Werkstoffes erfolgen darf, ist das sogenannte Verdichtungsverhältnis dieser Konstruktion limitiert. Um dennoch ein zur Erreichung eines hohen thermischen Wirkungsgrades hohes Verdichtungs- und damit Temperaturniveau erreichen zu können, wird die Unterseite der Bodenplatte (5a) gleichsam mit einem Well-Rohr (4a) verbunden, das an seinem anderen Ende wiederum mit dem Kurbelgehäuse (1) des Motors verbunden ist. Auf diese Weise wird bei geeigneter Wahl der beiden Wellrohrdurchmesser (Durchmesser des unteren Wellrohres größer als Durchmesser des oberen Wellrohres) eine Vorverdichtung des angesaugten Gases ermöglicht, wodurch nahezu jedes beliebige Verdichtungs- und Temperaturniveau im Brennraum erreicht werden kann. Der kolbenlose Motor kann somit nach verschiedenen Brennverfahren wie z. B. Otto- oder Dieselverfahren betrieben werden. Das so vorverdichtete Gas im Bereich der Kurbelwelle (2) kann nun entweder durch gesonderte Leitungen und/oder Kanäle (14) zu den bekannten Einlassventilen (7) oder vorteilhafter Weise durch ein Ventil (12) in der Bodenplatte (5a) direkt von der Kurbelkammer des Motorgehäuses (2) in den Verbrennungsraum gepumpt werden. Zur definierten Befestigung des Zylinderkopfes (6) am Motorblock (2) werden Stehbolzen, Rohre oder eine einfaches, zylindrisches Rohr (5c) eingesetzt wobei diese jeweils mit Zylinderkopf (6) und Motorblock (2) fest verschraubt werden.
Mit dem hier beschriebenen kolbenlosen Motor ergeben sich somit folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Motoren mit gleitendem Kolben:

1) weniger Bauteile durch Entfall der Kolbenringe
2) keine Ölschmierung im Bereich des Zylinders da Gleitreibung ausgeschlossen ist
3) keine Begrenzung der maximalen Motorleistung durch Schmiermittelgrenzen
4) niedrigerer Energie/Kraftstoffverbrauch durch besseren Gesamtwirkungsgrad
5) besserer mech. Wirkungsgrad durch Entfall der Reibungsverluste: Kolben ⇔ Zylinder
6) Entfall der komplexen Oberflächenbearbeitung eines Zylinderrohres
7) geringere Betriebskosten durch Entfall der „Ölwechsel”
8) niedrigere Emissionen da keine unerwünschte Verbrennung von Schmierstoff
9) keine Brennraumverschmutzung durch Schmierstoffrückstände
10) keine Schädigung des Abgaskatalysators durch Schmierölverunreinigungen
11) höhere Lebensdauer und Betriebssicherheit durch weniger Verschleißteile
12) niedrigere Produktionskosten aufgrund einfacheren Aufbaues
13) umweltschonend weil mit minimalem Schmierstoffverbrauch
14) niedrigeres Geräuschniveau da keine spielbedingtes Kolbengeräusch
15) Vorverdichtung des Zylindervolumens durch Pumpwirkung im Kurbelgehäuse.

Bildverzeichnis:
1 heutiger Verbrennungsmotor (Stand der Technik) mit gleitendem Kolben
2 Kolbenloser Motor mit Kurbeltrieb und elastischem Zylinder zur Volumenänderung
3 Kolbenloser Motor zu Beginn Expansionstaktes (Brennraumvolumen klein)
4 Kolbenloser Motor gegen Ende des Expansionstaktes (Brennraumvolumen groß)

Claims

Kolbenloser Motor mit Kurbeltrieb und variabler Brennraumgeometrie, dadurch gekennzeichnet dass der Motor über einen elastischen Brennraummantel verfügt in den eine Bodenplatte zur Ersatz des üblichen Kolbens fest integriert ist wodurch eine gleitreibungsfreie Volumenänderung eines abgeschlossenen Raumes möglich ist.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass ein flexibler Brennraum (5b) durch einen Zylinderkopf (6), ein flexibles Well-Rohr (4a) und eine Bodenplatte (5a) gebildet wird, wobei die Bodenplatte (5a) beweglich mit dem oberen Pleuellager und dieses über eine Pleuelstange (3) mit dem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle (2) verbunden ist, wodurch eine oszillierende Bewegung der Bodenplatte (5a) in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle (2) umgesetzt wird.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass die Veränderung des Brennraumvolumens (5b) im Wesentlichen durch eine Längenänderung eines elastischen, flexible Wellrohres (4a) das zwischen Bodenplatte (5a) und Zylinderkopf (6) angeordnet ist erfolgt.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass der Motor über keinerlei Schmierungsbedarf im Bereich des Brennraumes (5b) in der Nähe des Kolbens bzw. der diesen substituierende Bodenplatte (5a) verfügt.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass der Motor keine Gasleckagen im Bereich des Brennraumes (5b) in der Nähe des Kolbens bzw. der diesen substituierenden Bodenplatte (5a) verfügt.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass ein weiteres Well-Rohr (4b) auf der dem Brennraum (5b) gegenüberliegenden Seite dichtend angeordnet ist, welches einen größeren Durchmesser als das den Brennraum bildende Well-Rohr (4a) aufweist und welches mit dem Kurbelgehäuse (2) eine Kammer bildet, wodurch eine Vorverdichtung des angesaugten Mediums erfolgen kann.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass das vorverdichtete Medium entweder über ein Rohr (14) und ggf. einen Wärmetauscher oder direkt über ein im Kolben befindliches Ventil (12) in den Brennraum überführt werden kann, wodurch eine Vorverdichtung des Mediums im Brennraum (5b) erreicht werden kann.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass ein Membran-Einlassventil (13) oder eine Drehschiebersteuerung im Bereich des Kurbelgehäuses (2) integriert sein kann, wodurch die Füllung des Kurbelgehäuses (2) mit dem Arbeitsmedium optimiert werden kann.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass eine Anwendung der hier „kolbenloser Motor” genannten Erfindung sowohl als Kraft- als auch als Arbeitsmaschinen, auch bekannt als „Motoren” bzw. „Pumpen”, erfolgen kann.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass der kolbenlose Motor aufgrund des Entfalls eines in einem Zylinder gleitenden Kolbens prinzipiell keine Reibungsverluste in diesem Bereich des Motors aufweist.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass der kolbenlose Motor im Zwei- oder Viertaktverfahren arbeitet.
Motor nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet dass der kolbenlose Motor nach dem Otto- oder Dieselverfahren oder einem Hybridverfahren aus beiden arbeitet.