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WO2024217964A1 - Tangential-verbrennungsmotor mit hydraulikeinrichtung - Google Patents

Tangential-verbrennungsmotor mit hydraulikeinrichtung Download PDF

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Publication number
WO2024217964A1
WO2024217964A1 PCT/EP2024/059756 EP2024059756W WO2024217964A1 WO 2024217964 A1 WO2024217964 A1 WO 2024217964A1 EP 2024059756 W EP2024059756 W EP 2024059756W WO 2024217964 A1 WO2024217964 A1 WO 2024217964A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
drive
piston
combustion engine
internal combustion
pistons
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/059756
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mustafa FEHMI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FNF Innovation SHPK
Original Assignee
FNF Innovation SHPK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FNF Innovation SHPK filed Critical FNF Innovation SHPK
Publication of WO2024217964A1 publication Critical patent/WO2024217964A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • F02B71/045—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby with hydrostatic transmission
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/047—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with rotary main shaft other than crankshaft with rack and pinion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/08—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts, not specific to groups F01B1/00 - F01B7/00 with rotary main shaft other than crankshaft with ratchet and pawl
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/32—Engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding main groups

Definitions

  • the present invention relates to a novel internal combustion engine.
  • one of the main objectives is to use the energy obtained from the fuel used as effectively as possible, i.e. to achieve as high an efficiency as possible in order to save fuel.
  • Reciprocating piston engines are known in the prior art, in which the work done by the expansion of the gases generated by fuel combustion in a cylinder is transferred to a piston and then through a connecting rod to a crankshaft, whereby the connecting rod has a joint connection to the piston and the crankshaft (crank drive). In this way, the oscillating movement of the piston is converted into a rotary movement, i.e. a torque is generated.
  • the present invention aims to further increase the efficiency of conventional combustion engines in order to enable more fuel-efficient operation.
  • the present invention therefore provides an internal combustion engine comprising
  • the internal combustion engine is designed so that the drive pistons in the two cylinders move back and forth in opposite directions, which is characterized in that - the first drive piston is mechanically coupled to a first pressure piston,
  • the second drive piston is mechanically coupled to a second pressure piston
  • the first and second drive pistons are operatively connected to the drive element
  • the internal combustion engine has a hydraulic unit in which the first pressure piston and the second pressure piston are movably arranged and which contains a fluid, preferably a liquid, in a space between the pressure pistons, wherein the internal combustion engine is further designed such that a return stroke movement of the first pressure piston is induced in the hydraulic unit by means of a forward stroke movement of the first drive piston, whereby a forward stroke movement of the second pressure piston is induced in the hydraulic unit and thus a return stroke movement of the second drive piston is induced, and wherein the operative connection between the drive pistons and the drive element is designed such that the force generated by the back and forth movement of the drive pistons is transmitted tangentially to the drive means and the drive element sets the shaft in a continuous rotational movement.
  • the combustion engine according to the invention can be of any size, from relatively small versions such as an engine for a motorcycle, to car, boat and aircraft engines, to very large versions such as ship engines. Its compact shape enables space-saving installation options.
  • the working principle of the engine according to the invention is similar to that of conventional combustion engines: the power is generated by the explosive combustion of a fuel in the combustion chambers of the cylinders and is transferred into a torque of a shaft.
  • an ignitable fuel-oxygen, normally fuel-air, mixture is introduced into the combustion chambers of the cylinders, where compressed and then ignited near the piston position with minimum distance to the cylinder head (Pmin). The resulting gases expand explosively and cause the piston to move towards the position with maximum distance to the cylinder head Pmax.
  • the hydraulic unit provided according to the invention enables the force acting on the pressure pistons to be transmitted to the drive pistons in the cylinders by means of the hydraulic fluid in the hydraulic unit.
  • the hydraulic unit can thus be viewed as a pressure boosting unit and can support the movement of the drive pistons by providing additional force, which can reduce fuel consumption and enable a piston thrust movement that is improved in terms of fuel consumption and efficiency. This can consequently enable an increase in combustion efficiency and thus in the efficiency of the internal combustion engine.
  • the hydraulic fluid is located in an interior space of the hydraulic unit between the pressure pistons.
  • This interior space of the hydraulic unit can also be referred to as the volume that the hydraulic unit forms between the pressure pistons, which are movably arranged in the hydraulic unit.
  • the hydraulic fluid used is preferably a liquid such as a mineral oil or water-based fluid.
  • the hydraulic unit is usually designed in the area of the stroke of the pressure pistons so that the pressure pistons seal with the inner walls of the hydraulic unit.
  • the movement of the drive pistons in the first cylinder and in the second cylinder is in opposite directions in the internal combustion engine according to the present invention, i.e. when the first drive piston in the first cylinder moves from a position Pmin,1 TO Pmax,1, the second drive piston moves simultaneously in the other cylinder from the position Pmax,2 to Pmin,2.
  • the transmission of the force generated by the thrust movement of the respective drive pistons to the drive element is carried out in such a way that the force is always tangentially, i.e. at a sine angle of 90°, to the shaft.
  • the internal combustion engine according to the present invention can also be referred to as a “tangential internal combustion engine” or simply “tangential engine” due to the special design and arrangement of the cylinders and the special transmission of the forces generated during fuel combustion into a torque.
  • the design of the tangential motor ensures that the tangential forces always act or are transmitted at the maximum possible sinusoidal angle of 90°, i.e. during the entire working process.
  • the motor according to the invention therefore offers the advantage that both the highest possible torque can be achieved even at low speeds and the most constant possible torque can be achieved at different speeds. This enables the motor according to the invention to be more efficient than conventionally designed reciprocating piston engines and thus also saves fuel. This can also have a beneficial effect on the environment.
  • the hydraulic unit works in such a way that the force resulting from the forward stroke of the first drive piston acts on the first pressure piston through the mechanical coupling, causing it to move in the reverse drive direction, i.e. it moves in such a way that hydraulic fluid in the hydraulic unit is pressed into the space of the hydraulic unit in the direction of the second pressure piston.
  • the second pressure piston moves in the opposite direction, i.e. in the forward drive direction, out of the space of the hydraulic unit.
  • Forward and reverse drive directions or forward stroke and reverse stroke are understood to refer to the movement of a piston in its respective unit (cylinder or hydraulic unit).
  • Forward drive or “forward stroke” refers to a movement of the piston in the direction out of the unit
  • reverse drive or “reverse stroke” refers to a movement of the piston into the unit.
  • propulsion or “pre-stroke”.
  • the “front side of a piston” is understood to mean the side of the piston facing the respective unit (e.g. the cylinder), and the “back side of a piston” is understood to mean the side of the piston facing away from the respective unit (e.g. the cylinder).
  • the second pressure piston in the hydraulic unit moves in the reverse direction, i.e. in the opposite direction to the first pressure piston.
  • Oil and Hydraulage movement means a movement of the pressure pistons in the hydraulic unit such that, for example, the first pressure piston moves in the forward direction and thus induces a movement in the reverse direction of the second pressure piston, and vice versa.
  • the opposing movement of the pressure pistons in the hydraulic unit is supported by the mechanical coupling of the pressure pistons with the respective drive pistons in the cylinders, which are arranged so that they can move in opposite directions.
  • the pressure pistons are each mechanically coupled to the drive pistons, i.e. the first drive piston is mechanically coupled to the first pressure piston and the second drive piston is mechanically coupled to the second pressure piston.
  • the first drive piston and the first pressure piston run in the same longitudinal direction and thus synchronously in one direction and/or the second drive piston and the second pressure piston run in the same longitudinal direction and thus synchronously.
  • the rear side of the first drive piston is rigidly connected to the rear side of the first pressure piston and/or the rear side of the second drive piston is rigidly connected to the back of the second pressure piston. This allows improved stability to be achieved and efficient power transmission from the respective drive piston to the respective pressure piston and vice versa.
  • the rigid connection between the respective drive pistons and the respective pressure pistons is provided by a rigid, linear rod, for example a connecting rod.
  • the pressure pistons are attached to rods of the drive pistons, in particular to connecting rods of the drive pistons. This can advantageously enable increased stability and simplified and compact production.
  • first drive piston and the first pressure piston are designed as a one-piece or one-part first piston unit via a rod, in particular a connecting rod.
  • This first piston unit can alternatively also be designed in several parts.
  • second drive piston and the second pressure piston are designed as a one-piece or one-part second piston unit via a rod.
  • This second piston unit can alternatively also be designed in several parts.
  • the drive pistons in the cylinders are movable such that when the first drive piston of the first cylinder is at a position with a minimum distance to an upper end of the first cylinder, the second drive piston in the second cylinder is at a position with a maximum distance to the upper end of the second cylinder.
  • the hydraulic unit is preferably arranged such that the pressure pistons move such that when the first pressure piston is at a position with a minimum distance to an upper end of the hydraulic unit, the second pressure piston in the hydraulic unit is at a position with a maximum distance to an upper end of the hydraulic unit.
  • the drive element comprises a first freewheel and a second freewheel.
  • Freewheels usually have an outer and an inner side, which can be designed, for example, as an outer and inner ring, which can lock against each other (drive mode) or run freely (freewheel mode).
  • the freewheels of the drive element are identical in construction.
  • the drive pistons are operatively connected to an outer side of the freewheels, wherein the operative connection is such that the back and forth movement of the drive pistons is transmitted tangentially to the outer side of the freewheel(s).
  • the back and forth movement of the drive pistons is transferred into a rotary back and forth movement of the outside of the first freewheel and an opposite rotary back and forth movement of the second freewheel. This enables the shaft to rotate in one direction.
  • the inner sides of the freewheels are usually connected to the shaft in such a way that they rotate or lock in the same direction.
  • the outer sides of the freewheels are coupled together in such a way that they move in opposite directions.
  • the outer sides of the freewheels are coupled by a gear connection, wherein the gear located between the freewheels engages in the toothings present on the lateral outer surfaces of the freewheels.
  • both drive pistons are operatively connected to the outside of one of the freewheels, for example the first freewheel.
  • An advantageous development of the internal combustion engine can provide that the operative connection of the drive pistons with the freewheels/one of the freewheels is formed by means of a toothing.
  • the front side of the outside of the freewheels/one of the freewheels has a toothing, into which toothed racks connected to a drive piston engage.
  • both of the freewheels connected to the drive pistons Racks engage with the teeth on the outside of the first freewheel.
  • the force is transferred tangentially via the racks to the outside of the freewheel associated with the cylinder, which in turn transfers the force into a torque on its inside.
  • the torque is then transferred to the shaft via the inside of the locking freewheel, which is connected to the shaft.
  • Gears and corresponding racks can be easily implemented and offer high operational reliability and reliable power transmission.
  • gears, racks or gears as well as any bearings of the motor according to the invention are supplied with lubricant in a conventional manner.
  • the rotational back and forth movement of the first freewheel takes place over an angular range of at least 60°, preferably of at least 90°, particularly preferably of at least 120°, and most preferably of at least 150° or more.
  • the rotary back and forth movement of the first freewheel or both freewheels takes place over an angular range between 60° and 270°, preferably between 120° and 240°, particularly preferably between 150° and 210°.
  • the rotary back and forth movement of the first freewheel or both freewheels by a Angle range from 160° to 200°, preferably from 170° to 190°, more preferably from 175° to 185, most preferably 180°.
  • the internal combustion engine according to the invention is designed such that the direction of movement of the drive pistons and/or the pressure pistons are parallel in opposite directions, whereby they can be arranged in a space-saving manner and also enables efficient operation of the internal combustion engine.
  • the drive pistons and/or the pressure pistons are arranged mirror-symmetrically about a center plane in the internal combustion engine.
  • the hydraulic unit has at least one bend, preferably two bends, and can be designed to be correspondingly compact. It can be particularly preferably provided that the hydraulic unit is designed to be essentially U-shaped.
  • the hydraulic unit can have a cylindrical section in each of which a pressure piston is movably arranged according to the above statements.
  • the respective cylinder sections are fluidically connected to one another, so that a one-piece or one-piece hydraulic unit is obtained in which both pressure pistons are movably arranged in cylinder sections in a force-transmitting manner.
  • a substantially U-shaped hydraulic unit can be obtained.
  • the hydraulic unit preferably forms an interior space which comprises at least two cylinder sections and a further section connecting the cylinder sections.
  • the hydraulic unit has two longitudinally linear legs.
  • the first leg has an upper end and a lower end.
  • the first pressure piston is movably arranged in the first leg.
  • the second leg has an upper end and a lower end.
  • the second pressure piston is movably arranged in the second leg.
  • the legs can be designed as cylinder sections.
  • the hydraulic device has at least one opening for filling and/or emptying fluid, preferably a liquid, in particular an oil, which opening is arranged in a connecting section of the substantially U-shaped hydraulic device, preferably in a closable manner.
  • a liquid in particular an oil
  • the cylinders and therefore also the drive pistons have a circular cross-section.
  • the respective drive pistons are of identical construction.
  • the sections of the hydraulic system in which the pressure pistons move and therefore also the pressure pistons generally have a circular cross-section.
  • the respective pressure pistons are of identical construction.
  • the front sides of the drive piston or the drive pistons have a larger area than the front side of the pressure piston respectively connected to the drive piston, more preferably the area of the front sides of the pressure piston/the pressure pistons is 75% or less, more preferably 50% or less, and more preferably 33% or less of the area of the front side of the drive piston respectively connected thereto.
  • the area of the front sides of the pressure piston(s) is preferably 10% or more, more preferably 20% or more, of the area of the front side of the respective drive piston connected thereto.
  • the combustion engine according to the invention can comprise exactly two cylinders, but also more than two cylinders.
  • a multiple of 2 cylinders is present, for example 2, 4, 6 cylinders, etc.
  • the combustion engine according to the invention can be designed, for example, as a 2-stroke engine or as a 4-stroke engine.
  • the scavenging i.e. the expulsion of combustion gases and the supply of fresh gas in the cylinder
  • the scavenging can be carried out in a known manner, e.g. by cross-flow scavenging, direct current scavenging e.g. with a poppet valve, or reverse scavenging.
  • each two cylinders there is one hydraulic unit with two pressure pistons each as described above.
  • two hydraulic units with a total of four pressure pistons are therefore provided.
  • the present invention further relates to a method for operating an internal combustion engine in one of the embodiments described here and to the use of an internal combustion engine in one of the embodiments described here for driving a motor vehicle, aircraft or ship.
  • the invention also relates to a motor vehicle, aircraft or ship, comprising at least one internal combustion engine according to the invention.
  • Fig. 1 shows a simplified schematic sectional view of a front view of an embodiment of the internal combustion engine according to the invention.
  • Fig. 2 shows a view of one side of the ensemble of shaft, freewheel and cylinder of the embodiment of the internal combustion engine according to the invention.
  • the embodiment of the internal combustion engine according to the invention shown in the figures has two identical cylinders 11, 12, in each of which there is a drive piston 9, 10 with a connecting rod 13, 14.
  • the internal combustion engine has a first cylinder 11 for fuel combustion with a first drive piston 9 movably arranged therein and a second cylinder 12 for fuel combustion with a second drive piston 10 movably arranged therein.
  • the first drive piston 9 is mechanically coupled to a first pressure piston 23.
  • the second drive piston 10 is mechanically coupled to a second pressure piston 24.
  • the first drive piston 9 and the second drive piston as well as the cylinders 9, 10 are identical in construction and arranged parallel to each other.
  • the first pressure piston 23 and the second pressure piston 24 are identical in construction.
  • the pressure pistons 23, 24 are smaller than the drive pistons 9, 10. Apart from different sizes, the drive pistons 9, 10 and the pressure pistons 23, 24 have the same geometric shape.
  • the drive pistons 9, 10 each have piston pins 7, 8.
  • the first drive piston 9 has two piston pins 7, the second drive piston 10 has two piston pins 8.
  • the first drive piston 9 has a connecting rod 13.
  • the second drive piston has a connecting rod 14.
  • the connecting rod 13 is connected to one of the piston pins 7.
  • the connecting rod 14 is connected to one of the piston pins 8.
  • the connecting rod 13 of the first drive piston 9 is connected to the first pressure piston 23 at an end facing away from the piston pin 7.
  • the first drive piston 9 is mechanically coupled to the first pressure piston 23 at its piston pin 21 by means of the connecting rod 13.
  • the connecting rod 14 of the second drive piston 10 is connected to the second pressure piston 24 at an end facing away from the piston pin 8.
  • the second drive piston 10 is mechanically coupled to the second pressure piston 24 at its piston pin 22 by means of the connecting rod 14.
  • a first structural unit comprising the first drive piston 9, piston pin 7, first pressure piston 23, piston pin 21 and connecting rod 13, is preferably designed to be rigid.
  • a second structural unit comprising the second drive piston 10, piston pin 8, second pressure piston 24, piston pin 22 and connecting rod 14, is preferably designed to be rigid. The first and second structural units are therefore identical in construction.
  • the internal combustion engine also has a shaft 30 on which the drive element 31 is arranged.
  • the drive element comprises two annular freewheels 37, 38 which are operatively connected to one another via a gear 42 and which have toothings on their outer rings on the front 39, 40 and on the side.
  • the first drive piston 9 and the second drive piston 10 are operatively connected to the drive element 31.
  • this operative connection is achieved via gears in the form of racks 15, 16.
  • the racks 15 and 16 engage with the teeth 39 on the side of the outer ring of the first freewheel 37 for power transmission.
  • the racks 15, 16 are connected to the rear side of the associated drive piston by means of piston pins 7, 8.
  • the connection between the racks 15, 16 and the piston pins 7, 8 is designed as a rigid connection.
  • the internal combustion engine has a hydraulic unit 26.
  • the hydraulic unit 26 comprises a fluid 25.
  • the fluid 25 is located in the interior of the hydraulic unit 26 between the pressure pistons 23, 24.
  • the first pressure piston 23 and the second pressure piston 24 are each arranged to be movable in cylindrical, straight longitudinal sections.
  • An opening 28 is provided for filling the hydraulic unit 26 and/or for emptying the hydraulic unit 26.
  • the drive element 31, which is operatively connected to the drive pistons 9, 10, is designed such that it sets the shaft 30 in a continuous rotational movement through the movement of the drive pistons 9, 10.
  • an exhaust gas pump 19, 20 can be present for each cylinder 11, 12.
  • a valve 17, 18 can be present for each cylinder.
  • the fuel-air mixture is ignited by means of a spark plug 1, 2 located in the combustion chamber 5, 6 of the cylinder 11, 12.
  • ignition takes place in the first cylinder 11 of the engine at a position close to Pmin of the first drive piston 9.
  • the first drive piston 9 in the first cylinder 11 moves in the direction "into the cylinder" due to the force generated by the explosive combustion process and thus makes a so-called "pre-stroke”.
  • This pre-stroke movement induces a return stroke movement of the first pressure piston 23 in the hydraulic unit 26, which induces a forward stroke movement of the second pressure piston 24 and thus a return stroke movement of the second drive piston 10 mechanically coupled to it.
  • the drive pistons 9, 10, which move back and forth in the cylinders 11, 12 between the positions Pmin (i.e. the position of the drive piston with the minimum distance to the cylinder head) and Pmax (i.e. the position of the drive piston with the maximum distance to the cylinder head), are sealed in the usual way against the combustion chamber 5, 6, e.g. by piston rings.
  • the drive element 31 comprises a first freewheel 37 and a second freewheel 38.
  • the drive pistons 9, 10 are operatively connected to the outer ring of the first freewheel 37 by means of toothed racks.
  • the toothed racks 15 and 16 engage at engagement points 32, 33 in the toothing 29 of the drive element 31 for power transmission.
  • the inner rings of the freewheels 37, 38 are each connected to the shaft 30 in such a way that they run freely or lock in the same direction.
  • the force is transferred tangentially to the outer ring of the first freewheel via the racks 15, 16, which in turn transfers the force into a torque on its inside and thus into a torque on the shaft 30 connected to the inside of the freewheel, i.e. in this direction the freewheel is in the driving mode (locking direction).
  • the second freewheel is in the idle mode (freewheel direction).
  • the first drive piston 9 has reached or just exceeded a position Pmax and the second drive piston has reached or just exceeded a position Pmin
  • the ignitable mixture in the second cylinder is ignited. This causes the second drive piston to move in the forward direction.
  • the rack 16 the force is then transmitted tangentially to the outside of the first freewheel. This is in idle mode; the force is transmitted via the gear 42 to the outside of the second freewheel, which is in locking mode and transmits the force to the shaft 30.
  • the cylinders 11, 12 and hydraulic unit 26 are attached to one of the fastening devices 44.
  • the drive element has a support device in which the shaft 30 is mounted in the bearings 35 and 36.
  • the shaft 30 can be connected to a working machine at its end 34.
  • a stabilization unit (not shown in detail) with a toothing can be provided, which is mechanically coupled to the drive element, preferably a toothed drive element, for stabilization, for example via a chain or a belt or the like.
  • a drive piston is operatively connected to the drive element and a drive piston is operatively connected to the stabilization unit, which is mechanically coupled to the drive element.
  • This operative connection can be achieved by a toothing, in particular by a rack.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, aufweisend - eine Welle (30), an der ein Antriebselement (31) angeordnet ist, - einen ersten Zylinder (11) zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordneten ersten Triebkolben (9) und - einen zweiten Zylinder (12) zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordnetem zweiten Triebkolben (10), - wobei der Verbrennungsmotor so eingerichtet ist, dass sich die Triebkolben (9, 10) in den beiden Zylinder (11, 12) gegensinnig hin- und herbewegen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass - der erste Triebkolben (9) mit einem ersten Druckkolben (23) mechanisch gekoppelt ist, - der zweite Triebkolben (10) mit einem zweiten Druckkolben (24) mechanisch gekoppelt ist, - der erste und der zweite Triebkolben (9, 10) mit dem Antriebselement (31) wirkverbunden sind, und - der Verbrennungsmotor eine Hydraulikeinheit (26) aufweist, in der der erste Druckkolben (23) und der zweite Druckkolben (24) bewegbar angeordnet sind und die in einem Innenraum (25) zwischen den Druckkolben (23, 24) ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, enthält, wobei der Verbrennungsmotor weiterhin so eingerichtet ist, dass mittels einer Vorhubbewegung des ersten Triebkolbens (9) eine Rückhubbewegung des ersten Druckkolbens (23) in der Hydraulikeinheit (26) induziert wird, wodurch eine Vorhubbewegung des zweiten Druckkolbens (24) in der Hydraulikeinheit induziert wird und damit eine Rückhubbewegung des zweiten Triebkolbens (10) induziert wird, und wobei die Wirkverbindung zwischen den Triebkolben (9,10) und dem Antriebselement (31) so eingerichtet ist, dass die durch die Hin-und Herbewegung der Triebkolben (9, 10) erzeugte Kraft tangential auf das Antriebsmittel (31) übertragen wird und das Antriebselement (31) die Welle (30) in eine kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Verbrennungsmotors, die Verwendung dieses Verbrennungsmotors zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffs und ein Kraftfahrzeug, Flugzeug oder Schiff, das diesen u Verbrennungsmotor umfasst.

Description

Tangential-Verbrennungsmotor mit Hydraulikeinrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Verbrennungsmotor.
Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ist es eines der Hauptziele, die durch den eingesetzten Kraftstoff erhaltene Energie so effektiv wie möglich zu nutzen, d.h. einen so hohen Wirkungsgrad wie möglich zu erzielen, um dadurch Kraftstoff einzusparen.
Im Stand der Technik bekannt sind Hubkolbenmotoren, in denen die durch die Ausdehnung der durch die Kraftstoffverbrennung erzeugten Gase in einem Zylinder verrichtete Arbeit an einem Kolben, und weiter durch eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen wird, wobei die Pleuelstange jeweils eine Gelenkverbindung zum Kolben und zur Kurbelwelle aufweist (Kurbeltrieb). So wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt, d.h. ein Drehmoment erzeugt.
Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Effizienz von herkömmlichen Verbrennungsmotoren weiter zu steigern, um einen kraftsstoffsparenderen Betrieb ermöglichen zu können.
Die vorliegende Erfindung stellt daher einen Verbrennungsmotor zur Verfügung, aufweisend
- eine Welle, an der ein Antriebselement angeordnet ist,
- einen ersten Zylinder zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordneten ersten Triebkolben und
- einen zweiten Zylinder zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordnetem zweiten Triebkolben,
- wobei der Verbrennungsmotor so eingerichtet ist, dass sich die Triebkolben in den beiden Zylinder gegensinnig hin- und herbewegen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass - der erste Triebkolben mit einem ersten Druckkolben mechanisch gekoppelt ist,
- der zweite Triebkolben mit einem zweiten Druckkolben mechanisch gekoppelt ist,
- der erste und der zweite Triebkolben mit dem Antriebselement wirkverbunden sind, und
- der Verbrennungsmotor eine Hydraulikeinheit aufweist, in der der erste Druckkolben und der zweite Druckkolben bewegbar angeordnet sind und die in einem Raum zwischen den Druckkolben ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, enthält, wobei der Verbrennungsmotor weiterhin so eingerichtet ist, dass mittels einer Vorhubbewegung des ersten Triebkolbens eine Rückhubbewegung des ersten Druckkolbens in der Hydraulikeinheit induziert wird, wodurch eine Vorhubbewegung des zweiten Druckkolbens in der Hydraulikeinheit induziert wird und damit eine Rückhubbewegung des zweiten Triebkolbens induziert wird, und wobei die Wirkverbindung zwischen den Triebkolben und dem Antriebselement so eingerichtet ist, dass die durch die Hin-und Herbewegung der Triebkolben erzeugte Kraft tangential auf das Antriebsmittel übertragen wird und das Antriebselement die Welle in eine kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann beliebige Größe haben von relativ kleinen Ausführungen wie beispielsweise einem Motor für ein Kraftrad, über KFZ-, Boot- und Flugzeugmotoren bis hin zu sehr großen Ausführungen wie beispielsweise Schiffmotoren. Er ermöglicht durch seine kompakte Form platzsparende Einbaumöglichkeiten.
Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Motors gleicht dem von herkömmlichen Verbrennungsmotoren: Die Kraft wird durch die explosionsartige Verbrennung eines Kraftstoffs in den Brennkammern der Zylinder erzeugt und in ein Drehmoment einer Welle übertragen.
Dazu wird ein zündfähiges Kraftstoff-Sauerstoff-, normalerweise Kraftstoff- Luft-, Gemisch in die Brennkammern der Zylinder eingeführt, dort komprimiert und dann nahe der Kolben-Position mit minimaler Distanz zum Zylinderkopf (Pmin) gezündet. Die dadurch entstehenden Gase dehnen sich explosionsartig aus und verursachen jeweils die Bewegung des Kolben in Richtung der Position mit maximaler Distanz zum Zylinderkopf Pmax.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Hydraulikeinheit ermöglicht die Übertragung der auf die Druckkolben wirkenden Kraft mittels des sich in der Hydraulikeinheit befindlichen Hydraulikfluids auf die Triebkolben in den Zylindern. Die Hydraulikeinheit kann somit als Druckverstärkungseinheit aufgefasst werden und kann durch die Bereitstellung einer zusätzlichen Kraft die Bewegung der Triebkolben unterstützen, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduzierbar werden kann und eine hinsichtlich Kraftstoffverbrauch bzw. Effizienz verbesserte Kolben-Schubbewegung ermöglicht wird. Dies kann folglich eine Steigerung der Verbrennungseffizienz und damit des Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ermöglichen.
Das Hydraulikfluid befindet in einem Innenraum der Hydraulikeinheit zwischen den Druckkolben. Dieser Innenraum der Hydraulikeinheit kann auch als Volumen bezeichnet werden, das die Hydraulikeinheit zwischen den Druckkolben, die in der Hydraulikeinheit bewegbar angeordnet sind, ausbildet.
Als Hydraulikfluid wird vorzugsweise eine Flüssigkeit, wie z.B. eine Flüssigkeit auf Mineralöl- oder auf Wasserbasis eingesetzt.
Die Hydraulikeinheit ist üblicherweise im Bereich der Hubwege der Druckkolben so ausgestaltet, dass die Druckkolben mit Innenwänden der Hydraulikeinheit abdichten.
Die Bewegung der Triebkolben im ersten Zylinder und im zweiten Zylinder ist im Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung gegensinnig, d.h. wenn sich der erste Triebkolben im ersten Zylinder von einer Position Pmin,1 ZU Pmax,1 bewegt, bewegt sich der zweite Triebkolben simultan im anderen Zylinder von der Position Pmax, 2 zu Pmin, 2.
Die Übertragung der durch die Schubbewegung der jeweiligen Triebkolben erzeugte Kraft auf das Antriebselement erfolgt so, dass die Kraft immer tangential, d.h. in einem Sinus-Winkel von 90°, auf die Welle übertragen wird.
Der Verbrennungsmotor gemäß vorliegender Erfindung kann aufgrund der besonderen Ausgestaltung und Anordnung der Zylinder und der besonderen Übertragung der bei der Treibstoffverbrennung entstehenden Kräfte in ein Drehmoment auch als „Tangential-Verbrennungsmotor“, oder einfacher „Tangentialmotor“, bezeichnet werden.
Durch die Ausgestaltung des Tangentialmotors wird bewirkt, dass die Tangentialkräfte immer, d.h. während des gesamten Arbeitsprozesses, im maximal möglichen Sinuswinkel von 90 ° wirken bzw. übertragen werden. Somit bietet der erfindungsgemäße Motor die Vorteile, dass sowohl ein möglichst hohes Drehmoment auch bei niedrigen Drehzahlen, also auch ein möglichst konstantes Drehmoment bei verschiedenen Drehzahlen erreicht werden kann. Dies ermöglicht eine gegenüber herkömmlich ausgestalteten Hubkolbenmotoren höhere Effizienz des erfindungsgemäßen Motors und dadurch auch eine Einsparung von Kraftstoff. Dies kann sich auch vorteilhaft auf die Umwelt schonend auswirken.
Die Funktionsweise der Hydraulikeinheit ist die, dass durch die sich aus dem Vorhub des ersten Triebkolbens ergebende Kraft durch die mechanische Kopplung auf den ersten Druckkolben einwirkt, so dass sich dieser in Rücktriebsrichtung bewegt, d.h. so bewegt, dass in der Hydraulikeinheit befindliches Hydraulikfluid in den Raum der Hydraulikeinheit hinein in Richtung des zweiten Druckkolben gedrückt wird. Dadurch bewegt sich der zweite Druckkolben gegensinnig, d.h. in Vortriebsrichtung, in Richtung aus dem Raum der Hydraulikeinheit heraus.
Vor- und Rücktriebsrichtung bzw. Vorhub und Rückhub werden auf die Bewegung eines Kolbens in seiner jeweiligen Einheit (Zylinder oder Hydraulikeinheit) bezogen verstanden. Dabei bezeichnet „Vortrieb“ oder „Vorhub“ eine Bewegung des Kolbens in Richtung aus der Einheit heraus, und „Rücktrieb“ oder „Rückhub“ eine Bewegung des Kolbens in die Einheit hinein. Z.B. wird die Bewegung des Triebkolbens nach Zündung des Gasgemisches in Richtung aus dem Zylinder heraus als „Vortrieb“ oder „Vorhub“ bezeichnet
Unter der „Vorderseite eines Kolbens“ wird die der jeweiligen Einheit (z.B. dem Zylinder) zugewandte Seite des Kolbens, und unter Rückseite eines Kolben die der jeweiligen Einheit (z.B. Zylinder) abgewandte Seite des Kolbens verstanden.
Durch eine Bewegung des ersten Druckkolbens in Vortriebsrichtung und der damit verursachten Bewegung des Hydraulikfluids, das sich im Innenraum der Hydraulikeineinheit befindet ist, bewegt sich der zweite Druckkolben in der Hydraulikeinheit, in Rücktriebsrichtung, also gegensinnig zum ersten Druckkolben.
Unter „gegensinniger Bewegung“ wird eine Bewegung der Druckkolben in der Hydraulikeinheit verstanden, derart, dass z.B. der erste Druckkolben sich in Vortriebsrichtung bewegt und so eine Bewegung in Rücktriebsrichtung des zweiten Druckkolbens induziert, und umgekehrt.
Die gegensinnige Bewegung der Druckkolben in der Hydraulikeinheit wird durch die mechanische Kopplung der Druckkolben mit den jeweiligen Triebkolben in den Zylindern, die gleichermaßen gegensinnig bewegbar angeordnet sind, unterstützt.
Im erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor sind die Druckkolben mit den Triebkolben jeweils mechanisch gekoppelt, d.h. der erste Triebkolben ist mit dem ersten Druckkolben mechanisch gekoppelt und der zweite Triebkolben mit dem zweiten Druckkolben.
Vorzugsweise laufen der erste Triebkolben und der erste Druckkolben in gleicher Längsrichtung und somit synchron in eine Richtung und/oder laufen der zweite Triebkolben und der zweite Druckkolben in gleicher Längsrichtung und somit synchron.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Rückseite des ersten Triebkolbens mit der Rückseite des ersten Druckkolbens starr verbunden ist und/oder die Rückseite des zweiten Triebkolbens mit der Rückseite des zweiten Druckkolbens starr verbunden ist. Dadurch kann eine verbesserte Stabilität erreichtt werden und eine effiziente Kraftübertragung des jeweiligen Triebkolbens auf den jeweiligen Druckkolben und umgekehrt.
Bevorzugte besteht die starre Verbindung zwischen den jeweiligen Triebkolben und den jeweiligen Druckkolben durch eine starre, lineare Stange, beispielsweise eine Pleuelstange.
Vorzugsweise sind die Druckkolben an Stangen der Triebkolben angebracht, insbesondere an Pleuelstangen der Triebkolben. Vorteilhaft kann eine erhöhte Stabilität und vereinfachte sowie kompakte Herstellung ermöglicht werden.
Vorgesehen werden kann insbesondere auch, dass der erste Triebkolben und der erste Druckkolben über eine Stange, insbesondere Pleuelstange, als einstückige oder einteilige erste Kolbeneinheit ausgestaltet ist. Diese erste Kolbeneinheit kann alternativ auch mehrteilig ausgebildet sein. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass der zweite Triebkolben und der zweite Druckkolben über eine Stange als einstückige oder einteilige zweite Kolbeneinheit ausgestaltet ist. Diese zweite Kolbeneinheit kann alternativ auch mehrteilig ausgebildet sein.
Üblicherweise sind die Triebkolben in den Zylindern derart beweglich, dass, wenn sich der erste Triebkolben des ersten Zylinders an einer Position mit minimaler Distanz zu einem oberen Ende des ersten Zylinders befindet, sich der zweite Triebkolben im zweiten Zylinder an einer Position mit maximaler Distanz zum oberen Ende des zweiten Zylinders befindet.
Ergänzend dazu ist die Hydraulikeinheit vorzugsweise so eingerichtet, dass sich die Druckkolben so bewegen, dass, wenn sich der erste Druckkolben an einer Position mit minimaler Distanz zu einem oberen Ende der Hydraulikeinheit befindet, sich der zweite Druckkolben in der Hydraulikeinheit an einer Position mit maximaler Distanz zu einem oberen Ende der Hydraulikeinheit befindet.
Vorzugsweise umfasst das Antriebselement einen ersten Freilauf und einen zweiten Freilauf. Üblicherweise haben Freiläufe jeweils eine Außen- und eine Innenseite, die beispielsweise als Außen- und Innenring ausgebildet sein können, die gegeneinander sperren (Mitnahmemodus) oder freilaufen (Freilaufmodus) können.
Üblicherweise sind die Freiläufe des Antriebselements baugleich.
Die Triebkolben sind in dieser Ausführungsform mit einer Außenseite der Freiläufe wirkverbunden, wobei die Wirkverbindung so beschaffen ist, dass die Hin- und Herbewegung der Triebkolben tangential auf die Außenseite des Freilaufs/der Freiläufe übertragen wird.
Die Hin- und Herbewegung der Triebkolben wird dabei in eine rotatorische Hin- und Herbewegung der Außenseite des ersten Freilaufs und eine gegensinnige rotatorische Hin- und Herbewegung des zweiten Freilaufs übertragen. Dies ermöglicht die Rotation der Welle in eine Richtung.
Die Innenseiten der Freiläufe sind dabei üblicherweise mit der Welle so verbunden, dass sie in derselben Richtung freilaufen bzw. sperren.
Üblicherweise sind die Außenseiten der Freiläufe miteinander so gekoppelt, dass sie eine gegensinnige Bewegung ausführen.
Vorzugsweise erfolgt die Kopplung der Außenseiten der Freiläufe durch eine Zahnradverbindung, wobei das sich zwischen den Freiläufen befindliche Zahnrad in an den seitlichen Außenflächen der Freiläufe vorhandenen Verzahnungen eingreift.
Weiter bevorzugt sind beide Triebkolben mit der Außenseite eines der Freiläufe, beispielsweise des ersten Freilaufs, wirkverbunden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verbrennungsmotors kann vorsehen, dass die Wirkverbindung der Triebkolben mit den Freiläufen/einem der Freiläufe mittels einer Verzahnung gebildet wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Stirnseite der Außenseite der Freiläufe/eines der Freiläufe eine Verzahnung aufweist, in die mit jeweils einem Triebkolben verbundene Zahnstangen eingreifen. Zum Beispiel können beide mit den Triebkolben verbundenen Zahnstangen in die Verzahnung an der Stirn-Außenseite des ersten Freilaufs eingreifen.
Die Zahnstangen sind üblicherweise mit Rückseite der Triebkolben verbunden, vorzugsweise starr verbunden.
Über die Zahnstangen wird die Kraft jeweils tangential auf die Außenseite des dem Zylinder zugeordneten Freilaufs übertragen, der wiederum die Kraft in ein Drehmoment seiner Innenseite überträgt. Das Drehmoment wird dann über die mit der Welle verbunden Innenseite des sperrenden Freilaufs auf die Welle übertragen.
Im Falle der bevorzugten Ausführungsform, in der beide mit den Triebkolben verbundenen Zahnstangen in die Außenseite des ersten Freilaufs eingreifen, wird die Kraft auf die Welle einmal über die Innenseite des ersten Freilaufs, und bei der rotatorischen Gegenbewegung durch die Innenseite des mit dem ersten Freilauf gekoppelten zweiten Freilauf übertragen
Verzahnungen und entsprechende Zahnstangen können einfach ausgeführt werden und bieten eine hohe Betriebssicherheit sowie eine zuverlässige Kraftübertragung.
Üblicherweise werden Zahnräder, Zahnstangen bzw. Zahnräder sowie etwaige Lager des erfindungsgemäßen Motors in herkömmlicher Weise mit Schmierstoff versorgt.
Üblicherweise erfolgt die rotatorische Hin- und Herbewegung des ersten Freilaufs um einen Winkelbereich von mindestens 60°, vorzugsweise von mindestens 90°, besonders bevorzugt von mindestens 120°, und ganz besonders bevorzugt von mindestens 150°oder mehr.
Es kann vorgesehen sein, dass die rotatorische Hin- und Herbewegung des ersten Freilaufs oder beider Freiläufe um einen Winkelbereich zwischen 60° und 270°, vorzugsweise zwischen 120° und 240°, besonders bevorzugt zwischen 150° und 210° erfolgt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die rotatorische Hin- und Herbewegung des ersten Freilaufs oder beider Freiläufe um einen Winkelbereich von 160° bis 200°, vorzugsweise von 170° bis 190°, noch bevorzugter von 175° bis 185, ganz besonders bevorzugt 180° erfolgt.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor so eingerichtet, dass die Bewegungsrichtung der Triebkolben und/oder der Druckkolben gegensinnig parallel sind, wodurch diese platzsparend angeordnet werden können und zudem ein effizienter Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht wird.
Weiter bevorzugt sind die Triebkolben und/oder die Druckkolben spiegelsymmetrisch um eine Mittelebene in dem Verbrennungsmotor angeordnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Hydraulikeinheit zumindest eine Biegung, vorzugsweise zwei Biegungen, auf und kann entsprechend kompakt ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Hydraulikeinheit im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet ist.
Die Hydraulikeinheit kann je einen zylindrischen Abschnitt aufweisen, in dem jeweils ein Druckkolben gemäß vorstehenden Ausführungen bewegbar angeordnet ist. Die jeweiligen Zylinderabschnitte sind fluidisch miteinander verbunden, so dass eine einteilige bzw. einstückige Hydraulikeinheit erhalten wird, in denen beide Druckkolben in Zylinderabschnitten kraftübertragend bewegbar angeordnet sind.
Insbesondere kann eine im Wesentlichen U-förmige Hydraulikeinheit erhalten werden. Bevorzugt bildet die Hydraulikeinheit einen Innenraum aus, der zumindest zwei Zylinderabschnitte und einen weiteren, die Zylinderabschnitte Verbindendenden Abschnitt, umfasst. In dem Innenraum befindet sich ein Hydraulikfluid zwischen Druckkolben, die vorzugsweise in den Zylinderabschnitten jeweils bewegbar angeordnet sind.
Vorteilhaft weist die Hydraulikeinheit zwei in Längsrichtung lineare Schenkel auf. Der ersten Schenkel weist ein oberes Ende und ein unteres Ende auf. Der erste Druckkolben ist in dem ersten Schenkel bewegbar angeordnet. Der zweiten Schenkel weist ein oberes Ende und ein unteres Ende auf. Der zweite Druckkolben ist bewegbar in dem zweiten Schenkel angeordnet. Die Schenkel können als Zylinderabschnitte ausgestaltet sein.
Üblicherweise weist die Hydraulikeinrichtung zumindest eine Öffnung zum Befüllen und/oder Entleeren von Fluid, vorzugsweise einer Flüssigkeit, insbesondere einem Öl, auf, die in einem Verbindungsabschnitt der im Wesentlichen U-förmig ausgebildeten Hydraulikeinrichtung, vorzugsweise verschließbar, angeordnet ist.
Im Regelfall haben die Zylinder und demgemäß auch die Triebkolben einen kreisförmigen Querschnitt. Bevorzugt sind die jeweiligen Triebkolben baugleich.
Weiterhin haben im Regelfall haben die Abschnitte der Hydraulikeinrichtung, in der sich die Druckkolben bewegen und demgemäß auch die Druckkolben einen kreisförmigen Querschnitt. Bevorzugt sind die jeweiligen Druckkolben baugleich.
In einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors der Erfindung weisen die Vorderseiten des Triebkolbens oder der Triebkolben eine größere Fläche als die Vorderseite des jeweilig mit dem Triebkolben verbundenen Druckkolben auf, weiter bevorzugt beträgt die Fläche der Vorderseiten des Druckkolben/der Druckkolben 75 % oder weniger, weiter bevorzugt 50% oder weniger, und weiter bevorzugt 33% oder weniger der Fläche der Vorderseite des jeweilig damit verbundenen Triebkolben.
In dieser Ausführungsform beträgt die Fläche der Vorderseiten des Druckkolben/der Druckkolben bevorzugt 10 % oder mehr, weiter bevorzugt 20 % oder mehr der Fläche der Vorderseite des jeweilig damit verbundenen Triebkolben.
Üblicherweise sind im erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor pro Zylinder wenigstens ein Einlass- und ein Auslassventil vorhanden.
Üblicherweise ist pro Zylinder eine Zündkerze vorhanden.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann genau zwei Zylinder, aber auch mehr als zwei Zylinder umfassen. Vorzugsweise sind im erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ein Vielfaches von 2 Zylindern, also beispielsweise 2, 4, 6 Zylinder etc. vorhanden.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann beispielsweise als 2-Takt- Motor oder auch als 4-Takt-Motor ausgeführt werden.
Bei der Ausführung als 2-Takt Motor kann die Spülung, d.h. der Ausstoß der Verbrennungsgase und die Zuführung von Frischgas im Zylinder in bekannter Weise z.B. durch Querstromspülung, Gleichstromspülung z.B. mit Tellerventil, oder Umkehrspülung erfolgen.
Bei der Ausführung als 4-Takt Motor sind üblicherweise dann mindestens vier Zylinder vorhanden, vorzugsweise zwei Paare von einem ersten und einem zweiten Zylinder mit zugehörigen Bauteilen, in einer der hier beschriebenen Ausführungsformen.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass pro zwei Zylinder jeweils eine Hydraulikeinheit mit jeweils zwei Druckkolben gemäß vorstehenden Ausführungen vorgesehen ist. Bei einer Ausgestaltung mit vier Zylindern sind demnach zwei Hydraulikeinheiten mit insgesamt vier Druckkolben vorgesehen.
Falls nicht bereits explizit vermerkt, gelten, wo anwendbar, sämtliche als „üblich“, „gewöhnlich“ oder „vorzugsweise“ beschriebenen Ausführungsformen, die sich auf einen Zylinder und/oder dessen zugehörige oder zugeordnete Bauteile beziehen, auch für alle anderen Zylinder des Verbrennungsmotors als „üblich“, „gewöhnlich“ oder „vorzugsweise“. Dies gilt auch für beschriebene Zylinderpaare. Dies gilt entsprechend für die Ausführungsformen, die sich auf einen Kolben beziehen, wobei dies insbesondere für Triebkolben und Druckkolben, sofern nicht ausschließend, gilt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors in einer der hier beschriebenen Ausführungsformen und auf die Verwendung eines Verbrennungsmotors in einer der hier beschriebenen Ausführungsformen zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffs. Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, Flugzeug oder Schiff, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor.
Beispiel
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine Vorderansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer Seite des Ensembles aus Welle, Freilauf und Zylinder der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
Die in den Figuren gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors weist zwei baugleiche Zylinder 11 , 12 auf, in denen jeweils ein Triebkolben 9, 10 mit jeweils einer Pleuelstange 13, 14, vorhanden ist.
Der Verbrennungsmotor weist einen ersten Zylinder 11 zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordneten ersten Triebkolben 9 und einen zweiten Zylinder 12 zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordnetem zweiten Triebkolben 10 auf.
Der erste Triebkolben 9 mit einem ersten Druckkolben 23 mechanisch gekoppelt. Der zweite Triebkolben 10 ist mit einem zweiten Druckkolben 24 mechanisch gekoppelt.
Der erste Triebkolben 9 und der zweite Triebkolben sowie die Zylinder 9, 10 sind baugleich und parallel zueinander angeordnet.
Der erste Druckkolben 23 und der zweite Druckkolben 24 sind baugleich. Die Druckkolben 23, 24 weisen eine geringere Größe als die Triebkolben 9, 10 auf. Abgesehen von unterschiedlichen Größen weisen die Triebkolben 9, 10 und die Druckkolben 23, 24 gleiche geometrische Form auf. Die Triebkolben 9, 10 weisen jeweils Kolbenbolzen 7, 8 auf. Der erste Triebkolben 9 weist zwei Kolbenbolzen 7 auf, der zweite Triebkolben 10 weist zwei Kolbenbolzen 8 auf.
Der erste Triebkolben 9 weist eine Pleuelstange 13 auf. Der zweite Triebkolben weist eine Pleuelstange 14 auf. Die Pleuelstange 13 ist mit einem der Kolbenbolzen 7 verbunden. Die Pleuelstange 14 ist mit einem der Kolbenbolzen 8 verbunden.
Die Pleuelstange 13 des ersten Triebkolbens 9 ist an einem dem Kolbenbolzen 7 abgewandten Ende mit dem ersten Druckkolben 23 verbunden. Der erste Triebkolben 9 ist mittels der Pleuelstange 13 mit dem ersten Druckkolben 23 an dessen Kolbenbolzen 21 mechanisch gekoppelt.
Die Pleuelstange 14 des zweiten Triebkolbens 10 ist an einem dem Kolbenbolzen 8 abgewandten Ende mit dem zweiten Druckkolben 24 verbunden. Der zweite Triebkolben 10 ist mittels der Pleuelstange 14 mit dem zweiten Druckkolben 24 an dessen Kolbenbolzen 22 mechanisch gekoppelt.
Eine erste Baueinheit, umfassend ersten Triebkolben 9, Kolbenbolzen 7, ersten Druckkolben 23, Kolbenbolzen 21 und Pleuelstange 13 ist bevorzugt starr ausgebildet. Eine zweite Baueinheit, umfassend zweiten Triebkolben 10, Kolbenbolzen 8, zweiten Druckkolben 24, Kolbenbolzen 22 und Pleuelstange 14 ist bevorzugt starr ausgebildet. Erste und zweite Baueinheit sind insofern baugleich ausgebildet.
Der Verbrennungsmotor weist ferner eine Welle 30 auf, an der Antriebselement 31 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel umfasst das das Antriebselement zwei miteinander über ein Zahnrad 42 wirkverbundene ringförmige Freiläufe 37, 38, die an ihren Außenringen jeweils an der Stirn 39, 40 und an der Seite Verzahnungen aufweisen.
Der erste Triebkolben 9 und der zweite Triebkolben 10 sind mit dem Antriebselement 31 wirkverbunden.
Diese Wirkverbindung wird im Ausführungsbeispiel über Verzahnungen bewerkstelligt, in Form von Zahnstangen 15, 16. Die Zahnstangen 15 und 16 greifen in die Verzahnung 39 der Seite des Außenrings des ersten Freilaufs 37 zur Kraftübertragung ein.
Die Zahnstangen 15, 16 sind mit Kolbenbolzen 7, 8 mit jeweils der Rückseite des zugeordneten Triebkolben verbunden. Die Verbindung der Zahnstangen 15, 16 mit den Kolbenbolzen 7, 8 ist als starre Verbindung ausgeführt.
Der Verbrennungsmotor weist eine Hydraulikeinheit 26 auf. Die Hydraulikeinheit 26 umfasst ein Fluid 25. Das Fluid 25 befindet sich im Innenraum der Hydraulikeinheit 26 zwischen den Druckkolben 23, 24.
In der Hydraulikeinheit 26 sind der der erste Druckkolben 23 und der zweite Druckkolben 24 jeweils in zylindrischen, geraden Längsabschnitten bewegbar angeordnet.
Es ist eine Öffnung 28 zur Befüllung der Hydraulikeinheit 26 und/oder zur Entleerung der Hydraulikeinheit 26 vorgesehen.
Mittels einer Vorhubbewegung des ersten Triebkolbens 9 ist eine Rückhubbewegung des ersten Druckkolbens 23 in der Hydraulikeinheit 26 induzierbar. Hierdurch ist eine Vorhubbewegung des zweiten Druckkolbens 24 in der Hydraulikeinheit 26 induzierbar und damit eine Rückhubbewegung des zweiten Triebkolbens 10 induzierbar. Somit ist der Verbrennungsmotor so eingerichtet ist, dass sich die Triebkolben 9, 10 gegensinnig bewegen. Diese Bewegung bezieht sich auf eine Bewegung in den jeweiligen Zylindern 11 , 12.
Das mit den Triebkolben 9, 10 wirkverbundene Antriebselement 31 ist so eingerichtet, dass es durch die Bewegung der Triebkolben 9, 10 die Welle 30 in eine kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt.
Im Betrieb des Motors wird jeweils durch ein Einlassventil 3, 4 ein Kraftstoff- Luft-Gemisch in die Brennkammer 5, 6 der Zylinder 1 1 , 12 eingespeist. Aus dem jeweiligen Zylinder 1 1 , 12 abzuführende Verbrennungsgase werden durch je ein Auslassventil 27 aus den Zylindern 11 , 12 herausgeführt.
Optional kann je Zylinder 11 , 12 eine Abgaspumpe 19, 20 vorhanden sein. Optional kann je Zylinder ein Ventil 17, 18 vorhanden sein. Die Zündung des Kraftstoff-Luft Gemisches erfolgt mittels jeweils einer sich in der Brennkammer 5, 6 des Zylinders 11 , 12 befindlichen Zündkerze 1 , 2.
Beispielsweise erfolgt die Zündung im ersten Zylinder 11 des Motors bei einer Position nahe Pmin des ersten Triebkolbens 9. Dadurch bewegt sich der erste Triebkolben 9 im ersten Zylinder 1 1 durch die durch den explosionsartigen Verbrennungsvorgang entstandene Kraft in Richtung „in den Zylinder hinein“ und mach somit einen sogenannten „Vorhub“. Diese Vorhubbewegung induziert eine Rückhubbewegung des ersten Druckkolbens 23 in der Hydraulikeinheit 26, wodurch eine Vorhubbewegung des zweiten Druckkolbens 24 und damit eine Rückhubbewegung des hiermit mechanisch gekoppelten zweiten Triebkolbens 10 induziert wird.
Die jeweils in den Zylindern 1 1 , 12 zwischen den Positionen Pmin (d.h. der Position des Triebkolbens mit minimalem Abstand zum Zylinderkopf) und Pmax (d.h. der Position des Triebkolbens mit maximalem Abstand zum Zylinderkopf) hin- und herlaufenden Triebkolben 9, 10 sind in üblicher Weise gegen die Brennkammer 5, 6 abgedichtet, z.B. durch Kolbenringe.
Das Antriebselement 31 umfasst einen ersten Freilauf 37 und einen zweiten Freilauf 38. Die Triebkolben 9, 10 sind mit dem Außenring des ersten Freilaufs 37 mittels Zahnstangen wirkverbunden. Die Zahnstangen 15 und 16 greifen an Eingriffspunkten 32, 33 in die Verzahnung 29 des Antriebselements 31 zur Kraftübertragung ein.
Die Innenringe der Freiläufe 37, 38 sind jeweils mit der Welle 30 so verbunden, dass sie in derselben Richtung freilaufen bzw. sperren.
Über die Zahnstangen 15, 16 wird die Kraft jeweils tangential auf den Außenring des ersten Freilaufs übertragen, der wiederum die Kraft in ein Drehmoment seiner Innenseite und damit in ein Drehmoment der mit der Innenseite des Freilaufs verbunden Welle 30 überträgt, d.h. in dieser Richtung befindet sich der Freilauf im Mitnahmemodus (Spermchtung). Dabei befindet sich der zweite Freilauf im Leerlaufmodus (Freilaufrichtung). Sobald der erste Triebkolben 9 eine Position Pmax und der zweite Triebkolben eine Position Pmin erreicht bzw. knapp überschritten hat, wird das zündfähige Gemisch im zweiten Zylinder gezündet. Dadurch bewegt sich der zweite Triebkolben in Vortriebsrichtung. Durch die Zahnstange 16 wird dann die Kraft tangential auf die Außenseite des ersten Freilaufs übertragen. Dieser befindet sich im Leerlaufmodus; die Kraft wird über das Zahnrad 42 auf die Außenseite des zweiten Freilaufs übertragen, der sich im Sperrmodus befindet und die Kraft auf die Welle 30 überträgt.
Insgesamt wird damit wird die durch die jeweilige Vorhubbewegung der Triebkolben erzeugte Kraft jeweils tangential auf das Antriebselement übertragen, dass diese in eine immer in gleicher Richtung auf die wirkendes Drehmoment übertragt.
Die Zylinder 11 , 12 sowie Hydraulikeinheit 26 sind an einer der Befestigungsvorrichtung 44 angebracht.
Das Antriebselement weist eine Trägervorrichtung auf in der die Welle 30 in den Lagern 35 und 36 gelagert ist. Die Welle 30 kann an ihrem Ende 34 mit einer Arbeitsmaschine verbunden werden.
Optional kann eine nicht näher dargestellte Stabilisierungseinheit mit einer Verzahnung vorgesehen sein, die mit dem Antriebselement, vorzugsweise verzahnten Antriebselement, zu einer Stabilisierung mechanisch gekoppelt ist, beispielsweise über eine Kette oder einen Riemen oder dergleichen. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass ein Triebkolben mit dem Antriebselement wirkverbunden und ein Triebkolben mit der Stabilisierungseinheit, die mechanisch mit dem Antriebselement gekoppelt ist, wirkverbunden ist. Diese Wirkverbindung kann durch eine Verzahnung, insbesondere durch eine Zahnstange bewerkstelligt sein.
Bezugszeichenliste:
I , 2 Zündkerze
3, 4 Einlassventil
5, 6 Brennkammer
7, 8 Kolbenbolzen
9, 10 Triebkolben
I I , 12 Zylinder
13, 14 Pleuelstange
15, 16 Zahnstange , 18 Ventil , 20 Abgasöffnung , 22 Kolbenbolzen , 24 Druckkolben Fluid Hydraulikeinheit Auslassventil Öffnung Verzahnung Welle Antriebselement , 33 Eingriffspunkt Getriebeachse , 36 Lager Erster Freilauf Zweiter Freilauf , 40 Verzahnung Verzahnung (Seitwärtszahnräder) Verbindungszahnrad Befestigungsvorrichtung Trägervorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungsmotor, aufweisend
- eine Welle (30), an der ein Antriebselement (31 ) angeordnet ist,
- einen ersten Zylinder (1 1 ) zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordneten ersten Triebkolben (9) und
- einen zweiten Zylinder (12) zur Treibstoffverbrennung mit einem darin bewegbar angeordnetem zweiten Triebkolben (10),
- wobei der Verbrennungsmotor so eingerichtet ist, dass sich die Triebkolben (9, 10) in den beiden Zylinder (11 , 12) gegensinnig hin- und herbewegen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass
- der erste Triebkolben (9) mit einem ersten Druckkolben (23) mechanisch gekoppelt ist,
- der zweite Triebkolben (10) mit einem zweiten Druckkolben (24) mechanisch gekoppelt ist,
- der erste und der zweite Triebkolben (9, 10) mit dem Antriebselement (31 ) wirkverbunden sind, und
- der Verbrennungsmotor eine Hydraulikeinheit (26) aufweist, in der der erste Druckkolben (23) und der zweite Druckkolben (24) bewegbar angeordnet sind und die in einem Innenraum (25) zwischen den Druckkolben (23, 24) ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, enthält, wobei der Verbrennungsmotor weiterhin so eingerichtet ist, dass mittels einer Vorhubbewegung des ersten Triebkolbens (9) eine Rückhubbewegung des ersten Druckkolbens (23) in der Hydraulikeinheit (26) induziert wird, wodurch eine Vorhubbewegung des zweiten Druckkolbens (24) in der Hydraulikeinheit induziert wird und damit eine Rückhubbewegung des zweiten Triebkolbens (10) induziert wird, und wobei die Wirkverbindung zwischen den Triebkolben (9, 10) und dem Antriebselement (31 ) so eingerichtet ist, dass die durch die Hin-und Herbewegung der Triebkolben (9, 10) erzeugte Kraft tangential auf das Antriebsmittel (31 ) übertragen wird und das Antriebselement (31 ) die Welle (30) in eine kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Triebkolben (9, 10) in den Zylindern (1 1 , 12) derart beweglich sind, dass, wenn sich der erste Triebkolben (9) des ersten Zylinders (1 1 ) an einer Position mit minimaler Distanz zu einem oberen Ende des ersten Zylinders (1 1 ) befindet, sich der zweite Kolben (10) im zweiten Zylinder (12) an einer Position mit maximaler Distanz zu einem oberen Ende des zweiten Zylinders (12) befindet und/oder
- die Bewegungen der Druckkolben (23, 24) in der Hydraulikrichtung (26) so sind, dass, wenn sich der erste Druckkolben (23) an einer Position mit minimaler Distanz zu einem oberen Ende der Hydraulikeinheit (26) befindet, sich der zweite Druckkolben (24) in der Hydraulikeinheit (26) an einer Position mit maximaler Distanz zu einem oberen Ende der Hydraulikeinheit (26) befindet.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (31 ) einen ersten Freilauf (37) und einen zweiten Freilauf (38) umfasst, wobei die Triebkolben (9, 10) mit einer Außenseite der Freiläufe (37, 38), vorzugsweise des ersten Freilaufs (37), wirkverbunden sind.
4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (31 ) einen ersten (37) und einen zweiten Freilauf (38) umfasst, wobei Innenseiten der Freiläufe jeweils mit der Welle (30) so verbunden sind, dass sie in derselben Richtung freilaufen bzw. sperren, und Außenseiten der Freiläufe (37, 38) miteinander so gekoppelt sind, dass sie eine gegensinnige Bewegung ausführen.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung der Triebkolben (9, 10) mit der Außenseite des ersten Freilaufs (37) so ausgestaltet ist, dass die Hin- und Herbewegung der Triebkolben (9, 10) eine rotatorische Hin- und Herbewegung des ersten Freilaufs (37) bewirkt und somit eine gegensinnige rotatorische Hin- und Herbewegung des zweiten Freilaufs (38) bewirkt wird.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung der Triebkolben (9, 10) mit dem ersten Freilauf (37) mittels einer Verzahnung gebildet wird.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des ersten Freilaufs (37) an ihrer Stirnseite eine Verzahnung (39) aufweist, in die mit jeweils einem Triebkolben (9, 10) verbundene Zahnstangen (15, 16) eingreifen.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rotatorische Hin- und Herbewegung des ersten Freilaufs (37) um einen Winkelbereich von mindestens 60°, vorzugsweise von mindestens 90°, besonders bevorzugt von mindestens 120°, und ganz besonders bevorzugt von mindestens 150°oder mehr, erfolgt.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rotatorische Hin- und Herbewegung des ersten Freilaufs (37) um einen Winkelbereich zwischen 60° und 270°, vorzugsweise zwischen 120° und 240°, besonders bevorzugt zwischen 150° und 210° erfolgt.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die rotatorische Hin- und Herbewegung des ersten Freilaufs (37) um einen Winkelbereich von 160° bis 200°, vorzugsweise von 170° bis 190°, noch bevorzugter von 175° bis 185, ganz besonders bevorzugt 180° erfolgt.
11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Außenseiten der Freiläufe durch eine Zahnradverbindung erfolgt.
12. Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebkolben (9, 10) und/oder die Druckkolben (23, 24) parallel zueinander angeordnet sind.
13. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach einem der vorstehenden Ansprüche.
14. Verwendung eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffs.
15. Kraftfahrzeug, Flugzeug oder Schiff, umfassend zumindest einen Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.
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