DE2730910A1

DE2730910A1 - Axialkolbenmotor

Info

Publication number: DE2730910A1
Application number: DE19772730910
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-08
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1979-01-25

Description

273091D

PATENTANWÄLTE Λ. I *J VJ <J IU DipL-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK

Dlpl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL \

281134 ^2 GR ESCHENHEIMER STR. 39

^TELEFONt0e"⁾ 267014 ^ 6000 FRANKFURT AM MAIN 1

7. Juli 1977 Gu/Schu

Stefan Füle

Schwalheimer Straße 23 6350 Bad Nauheim

Axialkolbenmotor

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor mit innerer Verbrennung mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Abtriebswelle, die von mehreren, über den Umfang des Gehäuses verteilt angeordneten und in Arbeitszylindern axial beweglichen Arbeitskolben angetrieben wird, deren Kolbenstangen wellenförmig geführt sind.

Einen solchen Axialkolbenmotor beschreibt ein Aufsatz in der Zeitschrift VDI Nachrichten Nr. 3 vom 17. Januar 1975, Seite 10. Gegenüber anderen herkömmlichen Verbrennungsmotoren hat dieser Axialkolbenmotor einen guten Wirkungsgrad und niedrige Schadstof fanteile im Abgas. Bei dem vorbekannten Axialkolbenmotor werden die Kolbenstangen an ihrem vom Jeweiligen Arbeitskolben abgewandten Ende über eine gemeinsame Kurbelscheibe geführt, deren Achse bezüglich der Abtriebswelle geneigt gelagert ist. Beim Betrieb dieses Motors führt die Kurbelscheibe eine Taumelbewegung durch, die über die Kolbenstangen in eine hin- und hergehende Bewegung der Arbeitskolben übertragen wird. Die unteren, an der Kurbelscheibe geführten Enden der Kolbenstangen führen dabei eine komplizierte Bewegung aus, die sich im wesentlichen aus einer sinusförmigen Bewegung in der Bewegungsebene der Arbeitskolben und einer diese Bewegung überlagernden Kreisbewegung mit geneigter Ebene zusammensetzt.

Außerdem erfolgt die Verbrennung bei dem vorbeschriebenen Axialkolbenmotor in einer für alle Zylinder gemeinsamen und von den Zylindern getrennten Brennkammer. Dadurch bedingt ergeben sich Probleme bezüglich des Gaswechsels zwischen den Arbeitsräumen und der Brennkammer. Um befriedigende Ergebnisse erzielen zu können, muß dort eine speziell konstruierte Brennkammer verwendet werden. Die erwähnte Führung der Kolbenstangen an der geneigten, gemeinsamen Kurbelscheibe bringt

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ebenfalls Probleme mit sich, insbesondere führt sie zu einer nicht kontinuierlichen Übertragung der Momente. Fernerhin kann jeder Kolben pro Umdrehung nur einen Arbeitshub ausführen, was sich wiederum nachteilig auf die Leistungsdichte des vorbeschriebenen Motors auswirkt. Diesem Nachteil hat man durch Vorschaltung eines Verdichters abzuhelfen gesucht, jedoch ist dieser Verdichter wiederum ein getrenntes Bauteil, so daß der vorbeschriebene Motor relativ großvolumig und schwer baut. Zu denselben Nachteilen führt im übrigen auch die getrennte Ausbildung von Brennkammer und Arbeitsräumen.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Axialkolbenmotor der eingangs genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß eine kompakte Bauweise mit minimalem Materialaufwand und einer großen Lauf,-ruhe vereinigt wird. Insbesondere soll für eine kontinuierliche MomentenUbertragung zwischen den Arbeitskolben und der Abtriebswelle gesorgt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitszylinder gleichzeitig als Brennkammern dienen und jede der in axialer Richtung geführten Kolbenstangen mit ihrem dem Arbeitskolben abgewandten Ende an einer wellenförmigen Führungsbahn geführt ist.

Weil die Arbeitszylinder gleichzeitig als Brennkammern dienen, entfällt die gesondert ausgebildete Brennkammer mit den damit verbundenen konstruktiven Problemen bezüglich des Gaswechsels zwischen den Arbeitsräumen und dieser Brennkammer. Der neuartige Axialkolbenmotor wird dadurch konstruktiv einfach und kompakt. Durch die erwähnte Führung eines jeden Arbeitskolbens auf der Führungsbahn wird es möglich, jeden

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Arbeitskolben pro Umdrehung mehrere Arbeitshübe ausführen zu lassen. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Leistungsdichte. Die Lauf ruhe wird besonders groß, weil durch eine entsprechende Ausbildung der Führungsbahn dafür gesorgt werden kann.

Diesbezüglich wird es bevorzugt, wenn die wellenförmige Führungsbahn aus stetig gegenüber der Drehachse des Motors abwechselnd geneigten Stücken besteht, die ringförmig ausgebildet sind. Bei der Führung der Kolbenstangen an den geneigten Stücken der Führungsbahn werden diese weder beschleunigt noch verzögert, die Beschleunigung bzw. Verzögerung erfolgt nur am Anfang und Ende der Neigungsstrecke, wodurch sich eine kontinuierlich-konstante MomentenUbertragung ergibt, die zu der großen Laufruhe beitragt.

Der Wirkungsgrad des neuartigen Motors wird weiterhin erhöht, wenn von der Abtriebswelle ein Kreiselverdichter angetrieben ist. der die Brennluft vorverdichtet. Dieser Kreiselverdichter benötigt nur sehr wenig zusätzlichen Raum.

Es dient demselben Zweck, wenn im Strömungsweg der Abgase eine von den Abgasen durchströmte Abgasturbine vorgesehen ist, die drehfest auf der Abtriebswelle aufsitzt. Auch diese Abgasturbine benötigt nur wenig zusätzlichen Raum.

Mit dem neuartigen Motor lassen sich sehr hohe Drehzahlen erreichen. Dies ist unter anderem dadurch bedingt, daß die Führungsbahn in Richtung zu den Arbeitskolben teilweise geschlossen ist, wie es eine bevorzugte Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung vorsieht. In der Führungsbahn laufen Kugeln, die am unteren Ende jeweils einer Kolbenstange in einem Reiter mit Spiel allseitig drehbar gelagert sind. Diese Kugeln können daher auch bei hohen Drehzahlen des Motors nicht von der Führungsbahn an ihrem oberen Umkehrpunkt

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abheben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 - einen Axialschnitt durch einen Axialkolbenmotor nach der Erfindung;

Fig. 2 - in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus der Abwicklung der Führungsbahn dieses Motors mit dem unteren Ende einer Kolbenstange mit Reiter.

In Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 des Axialkolbenmotors gezeigt, in dem eine Abtriebswelle 2 drehbar gelagert ist. Hierzu sind Axiallager 3 und Radiallager 4 vorgesehen.

Drehfest an Flanschen 5, die mit der Abtriebswelle 2 einstückig ausgebildet sind, befinden sich Führungsbuchsen 6. über den Umfang der Maschine gleichmäßig verteilt sind mehrere solcher Führungsbuchsen angeordnet. Beim gezeichneten AusfUhrungsbeispiel sind dies vier Stück. In jeder der Führungsbuchsen ist eine Kolbenstange 7 axial verschiebbar geführt. Hierzu läuft die Kolbenstange in Dichtungen 8. An einem Ende jeder Kolbenstange sitzt ein Kolben 9 mit Kolbenringen. Die Verbindung erfolgt über jeweils einen Kupplungssatz 10.

An anderen Ende jeder Kolbenstange 7 ist ein Reiter 11 be festigt (vgl. auch Fig. 2), der mit Spiel eine Kugel 12 hält. Die Kugel läuft auf einer wellenförmigen Führungsbahn 13, die aus einer unteren Halbschale 14 und einer oberen Teilschale gebildet wird, die miteinander verschraubt sind. Durch die obere Teilschale wird verhindert, daß die Kugel auch bei hohen Frequenzen von der Führungsbahn 13 abhebt. Diese Führungsbahn besteht aus stetig geneigten Teilstücken, die ringförmig gestaltet sind.

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Im Raum 16 befindet sich Öl, so daß die Kugeln 12 allseitig geschmiert auf einem Ölfilm gleiten, wobei sie sich frei drehen können.

Die Kolben 9 arbeiten mit Arbeitszylindern 17 zusammen, die zusammen mit den Kolben und einem oberen Abschluß Brennräume 18 der Maschine ausbilden. Die Innenwände der Brennräume werden von Zylinderbuchsen 19 gebildet, die sich nach vorne (in der Ansicht der Fig. 1 nach links) an einem gemeinsamen Verschleißring 20 abstützen. Dem Verschleißring gegenüber liegt eine Verschleißplatte 21. Die Verschleißplatte ist gehäusefest, während der Verschleißring mit der Abtriebswelle 2 drehfest ausgebildet ist. Bei der axialen Bewegung der Kolben 9 wird die Zylinderbuchse 19 mittels Reibung gegen den Verschleißring 20 gedrückt,bzw. in die entgegengesetzte Richtung, wodurch sich die Dichtung des ArbeitsZylinders · selbsttätig nachstellt. Die Zylinderbuchsen 19 sitzen über Radialdichtungen 22 in einer Führungsbuchse 23, die ähnlich der Führungsbuchse 6 an einem Flansch 24 der Abtriebswelle 2 befestigt ist.

In einem Spalt in Strömungsrichtung vor den Kolben 9 befindet sich ein Kreiselverdichter 25, der aus eingangsseitigen Leitschaufeln 26, einem Laufrad 27 und ausgangsseitigen Leitschaufeln 28 besteht.

In Strömungsrichtung hinter den Arbeitszylindern ist ein Abgasrohr 29 vorgesehen, welches einen Abgaskanal 30 ausbildet, in dem die Abgase zu einer Abgasturbine 31 geleitet werden. Diese wird von einem Ringkanal 32 mit Abgasen beschickt. Die Abgase durchströmen dann ein Leitrad 33 der Abgasturbine und anschließend ein Langrad 34. Das Langrad sitzt an einer Langradnabe 35, die mittels einer Spannhülse 36 und einer Schraubenmutter 37 auf der Abtriebswelle 2 drehfest befestigt ist.

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In Strömungsrichtung hinter dem Langrad 34 befindet sich ein Leitrad 38 der Abgasturbine. Die Abgase gelangen dann in einen Sammelkanal 39 mit einem Abgasanschluß 40.

Über den Umfang der Maschine verteilt sind Öffnungen 41 im Abgasrohr 29 vorgesehen, die - nach Durchströmung der Abgasturbine 31 - gemeinsam in den Sammelkanal 39 einmünden. Der Anzahl der Doppelhübe beim Zweitaktmotor und der halben Anzahl der Doppelhübe beim Viertaktmotor ist eine solche öffnung zugeordnet. Bei laufendem Motor gleitet der Verschleißring 20 an der Verschleißplatte 21. Beide haben öffnungen, die stets dann miteinander fluchten, wenn die Abgase über die betreffende öffnung 41 im jeweiligen Abgasrohr 29 ausgestoßen werden sollen. Die Abgase werden bei Zweitaktausführung durch die vorverdichteten Frischgase verdrängt.

Bei Viertaktausführung erfolgt die Verdrängung durch den vorlaufenden Kolben, wobei der Verbrennungshub kürzer ist als der · Frischgasbeschickungshub. Dreht sich im weiteren Verlauf des Arbeitsprozesses die Abtriebswelle mit den Kolben und Zylindern weiter, so wird die Fluchtung der öffnungen aufgehoben, wodurch die Brennräume 18 wieder geschlossen werden, und die Brenngase werden verdrängt. Dieses Spiel wiederholt sich für jeden Arbeitszylinder mit Kolben zyklisch. Bei einer vollen Umdrehung der Abtriebswelle 2 führt jeder Zylinder mindestens einen vollen Zyklus durch, und zwar gesteuert durch die Führungsbahn 13. Die Haschine kann also

als Zweitakt- oder auch als Viertaktmotor ausgebildet sein. Das zündfähige Gemisch wird entweder über eine Zündkerze oder nach dem Dieselverfahren gezündet. Hierzu ist bei Pos. 42 eine Einspritzdüse für jeden Zylinder angedeutet. Neben dieser Einspritzdüse kann auch ein Vorglühkopf oder eine Zündkerze vorgesehen sein.

Die Außenwände der Arbeitszylinder 17, 19 werden durch ein Kühlmittel gekühlt, welches über einen Einlaßstutzen 43 an die Außenwand der Zylinder gelangt. Es strömt dort an der Zylinderaußenwand entlang und verläßt in einem Kreislauf diese Außenwand durch einen Auslaßstutzen 44.

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Öl, welches zum schmieren und kühlen der aufeinander laufenden Scheiben 20, 21 dient, wird über einen Einlaßstutzen 45 zugeführt. Dieses öl wird ebenfalls in einem Kreislauf umgepumpt und verläßt eine ölkammer längs des Verschleißringes 20 über einen Auslaß 46.

In den Raum 16 gelangt öl durch einen Einlaß 47. Diesen Raum verläßt es durch einen Auslaß 48. Die Strömungsrichtung der beschriebenen Kühl- bzw. Schinierkreisläufe kann auch umgekehrt werden. Pos. 49 bezeichnet ein· ölablaßschraube, bei deren öffnen das im Raum 16 befindliche öl ausgewechselt werden kann.

Die Halbschale 14 ist über mehrere Schrauben 50 mit dem Gehäuse 1 verschraubt.

Drehfest auf der Abtriebswelle 2 sitzt ein ala Kegelrad ausgebildetes Abtriebsrad 51 mit einer Paßfeder 52. Mit dem Abtriebsrad 51 kämmt ein weiteres Abtriebsrad 53» welches ebenfalls als Kegelrad ausgebildet ist. Dieses ist in Lagern 54 des Gehäuses 1 drehbar gelagert.

An der Abtriebswelle 2 1st fernerhin ein Flanschanschluß vorgesehen. Außerdem ist am Gehäuse ein Flanschanschluß 56 angebracht.

Ankerschrauben 57 mit aufgeschraubten Muttern 58 verbinden lösbar das Gehäuse 1 mit dem Gehäusedeckel 59.

Der Brennstoff in die Brennräume wird eingespritzt oder eingesprüht. Als Brennstoff kommen alle brennbaren flüssigen oder gasförmigen Stoffe in Betracht. Es 1st eine Selbstzündung oder Fremdzündung vorgesehen. Der Drehmomentenverlauf 1st zeitlich konstant, insbesondere bedingt durch die Ausbildung der Führungsbahn 13 mit den darin laufenden Kugeln 12, die ihrer-

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seits die axiale Bewegung der Kolbenstangen 7 steuern. Zwischen den Folgezylindern erfolgt ein fasenverschiebungsfreier Brennvorgang, wodurch das schwingungsfreie Betriebsverhalten mit hohem Gleichmäßigkeitsgrad unterstützt wird.

Der beschriebene Motor wird mit einem Hilfsaggregat angelassen. Der vorgeschaltete Kreiselverdichter 25 beschickt bzw. spült die Zylinderräume mit vorgespannter Luft. Nach Rücklauf werden die Kolben aus der Zylinderbuchse am Hübende herausgezogen, so daß der Strömungsweg durch die Zylinder frei ist. Hierzu ist in der unteren Stellung der Kolben ein Ringspalt 60 zwischen diesen Kolben und der Unterseite der Zylinderbuchsen ausgebildet. Gegebenenfalls befördert das Einspritzaggregat 42 den Brennstoff in den Verdichtungsraum, wo der Brennstoff verbrennt. Die Abgase werden durch die über den Kreiselverdichter vorgespannte Luft aus dem Brennraum · (Zylinderraum) herausgedrängt und geben einen Teil ihrer Energie an die den Brennräumen nachgeschaltete Abgasturbine ab. Die Strömungsverhältnisse werden durch die Ausbildung des Sammelkanals 39 als Lavaldüse begünstigt.

Der neuartige Motor bietet eine optimale Nutzleistung, d.h. die Nutzleistung liegt über dem Bereich eines herkömmlichen Verbrennungsmotors.

D»r Patentanwalt

Dr. Dv Gudel

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Claims

Patent- bzw. Schutzansprüche

1. Axialkolbenmotor mit innerer Verbrennung mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Abtriebswelle, die von mehreren, über den Umfang des Gehäuses verteilt angeordneten und in Arbeitszylindern axial beweglichen Arbeitskolben angetrieben wird, deren Kolbenstangen wellenförmig geführt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitszylinder (17) gleichzeitig als Brennkammern dienen und jede der in axialer Richtung geführten Kolbenstangen (7) mit ihrem dem Arbeitskolben (9) abgewandten Ende an einer wellenförmigen Führungsbahn (13) geführt ist.

2. Axialkolbenmotor nach Anspruch 1,

da durch gekennzeichnet, daß die wellenförmige Führungsbahn (13) aus stetig gegenüber der Drehachse (Welle 2) des Motors abwechselnd geneigten Stücken besteht, die ringförmig ausgebildet sind.

3. Axialkolbenmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arbeitskolben (9) bei jeder Umdrehung mehrere Arbeitshübe ausführt.

4. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß von der Abtriebswelle (2) ein Kreiselverdichter (25) angetrieben ist, der die Brennluft vorverdichtet.

5. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg der Abgase eine von den Abgasen

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durchströmte Abgasturbine (31) vorgesehen ist, die drehfest auf der Abtriebswelle (2) aufsitzt.

6. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahn (13) in Richtung zu den Arbeitskolben (9) teilweise geschlossen ist.

7. Axialkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Führungsbahn (13) Kugeln (12) laufen, die am unteren Ende jeweils einer der Kolbenstangen (7) allseitig drehbar gelagert sind.

Der Patentanwalt

^fy

Dr. /i>. Gudel

- Beschreibung

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