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Schrägkolbenmaschine
Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Schrägkolbenmaschine in Form einer Schrägkolbenkraftmaschine, von Kompressoren, Pumpen usf., mit umlaufendem Zylinderblock und Kolben mit abgeschrägten Böden und umlaufenden bzw. stehenden Stau- und Druckelementen.
Die bekannten Kolbenmaschinen wie Expan- sionsmaschinen, Verbrennungs- und Dampfma- schinen, Kompressoren u. dgl. besitzen Nachteile, insbesondere müssen bei Kollbenmaschinen bewegte hin- und hergehende Massen laufend beschleunigt und abgebremst werden, die Tangentialdrüdke sind verhältnismässig klein und somit der Wirkungsgrad gering ; Vibrationen treten in erhöhtem. Masse auf.
Weiters sind Kolbenmaschinen bekanntgewor- den, die mit einer Kurvenscheibe versehen sind, welche die Kolben direkt in hin- und hergehen- der Bewegung'betätigen, wobei die Kolbenachse parallel zur Drehachse der Welle liegen. Der Wir- kungsgrad dieser Maschine ist sehr klein. Auch
Kolbenmaschinen mit ringförmigem Arbeitsraum, mit schwingenden und kreisenden Kolben, sind nicht neu.
Diese und ähnliche Maschinen sind entweder als Arbeitsmaschinen oder Kraftmaschi- nen bekanntgeworden. Alle diese Konstruktionen weisen den Nachteil auf, dass sie kompliziert ge- baut sind und wie bereits erwähnt einen geringen
Wirkungsgrad besitzen. Weiters ist noch eine Vor- richtung zur Anwendung als Schaltgetriebe, Pum- pe, Verdichter usw. bekannt, bei der ein Kolben, der in einer ringförmigen Ausnehmung, dem eigentlichen Arbeitszylinder, sich bewegt, durch eine schräg eingeordnete Scheibe, in der der Kolben sich der Breite nach verschieben kann, gesteuert wird.
Der Aufbau dieser Einrichtung ist ebenfalls kompliziert, die Herstellung des ringförmigen Arbeitsraumes mit eingeordnetem gebogenem Kolben ist schwierig und die gleichzeitige Verschiebbarkeit des Kolbens in der mitrotierenden schiefgelagerten Scheibe sowie insbesondere die Lagerung dieser Scheibe und das überschleifen des Kolbens über dem Scheibenführungsschlitz, erschwert weiters die Fabrikation und den Betrieb und macht die Anordnung von Kolbenringen fast unmöglich ; wie es sich gezeigt hat, konnte sich diese Ausführungsform in der Praxis, besonders im Kraftmaschinenbau nicht durchset- zen. Taumelscheibenmaschinen, wie diese in der
Technik z. T. Verwendung finden, sind im Auf- bau und Prinzip völlig anders geartet.
Die Nachteile der derzeitigen Kraftmaschinen resultieren aus den auftretenden Vibrationen, der komplizierten Bauart und dem ungünstigen Wir- kungsgrad. Wenn man auch die Kolben und
Pleuelgewichte durch Verwendung von Leichtmetallen wesentlich vermindern konnte, die Kur- belwelle gut ausgewuchtete und Schwungscheiben für einen einigermassen ruhigen Lauf sorgen, so zeigen doch auftretende Ermüdungsbrüche in Maschinen, Karosserien, Flugzellen, Rahmen usw. in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen usf., dass die Vibrationen durch die hin- und hergehenden Massen nicht unter Kontrolle gebracht werden konnten und doch von lebenswichtiger Bedeutung sind.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, erstens hohe Staudrücke zu bilden, u. zw. durch Stauelemente in Form von Schrägkolben, weiters hin-und hergehende Massen zu vermeiden, um Vibrationen auszuschalten und den Wirkungsgrad zu heben, insbesondere durch Bildung grosser tan- genialer Druckkräfte und hoher mittlerer induzierter Drücke. Die Gestehungskosten der Maschine sollen klein gehalten werden und die Lagerhaltungskosten durch einfache und wenige Ersatzteile verringert werden. Luftkühlung wurde angestrebt und versucht, Zusatzapparate, wie d- rüekkühlanlage usw. zu ersparen. Die Maschine soll robuster und widerstandsfähiger werden.
Bei beispielsweiser Gestaltung der Maschine als Schrägkolbenfahrzeugmotor resultiert zwangsläufig eine bedeutende Leistungssteigerung bzw.
Brennstoffersparnis gegenüber den derzeitigen Kolbenmotoren und hohe Lebensdauer, wobei eine Fahrleistungssteigerung bei Kraftfahrzeugen von 300. 000 km und darüber erreicht werden und eine robustere Bauart erzielt werden soll.
Gemäss der Erfindung wird der neuartige Effekt und die überraschenden Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes wie hohe Lebensdauer, geringer Brennstoffverbrauch, kleines Leistunggewicht, und gegenüber den bekannten Kolbenmaschinen keine Kolbenumkehr, geringe Schwungmasse, Luftkühlung ohne zusätzlichem Ventilator und einer ölrüokkuhlung ohne zusätzlichem
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Rückkühlapparat, sowie ein vibrationsloserer Lauf dadurch erreicht, dass die beiden Kolbenenden, u. zw.
der Kolbenboden und die Kolbenstützfläche vorzugsweise parallel zueinander liegend abgeschrägt sind, dass die Kolben dadurch, dass die Schwerpunktsprojektion des Kolbenbodens auf die Drucklagerplatte innerhalb der Kolbenstückfläche fällt, kippfrei sind, und dass die Kolben mit ihren schrägen Stützflächen mittels Gleit- oder Wälzlager auf einer Druckplatte bzw.
Bahn gelagert und geführt sind,. die vorzugsweise parallel zu den Kolbenböden ist, so dass vorwie- gend oder ausschliesslich die Zylinderwandflächen eines drehbaren Zylinderblockes als wirksame Arbeitsflächen zur Geltung kommen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist neben einer verdrehbaren Kolbenanordnung eine unverdrehbare Anordnung der Kolben innerhalb der Zylinder vorgesehen.
Die Schrägkolbenmaschinen eignen sich gleich
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Umsetzung von Drücken in Drehbewegungen oder zur Umsetzung von Drehbewegungen In Drücken,
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Dampfexpansionsbasis, von Komprossoren, Pumpen, Zähler, Getriebe, Kupplungen, Bremseinrichtungen usf. Die Steuerung des Arbeitsmedium geschieht vorteilhaft durch Schlitze, Schieber, oder Ventile. Neben der Zuführung hochgespannter Medien bei Kraftmaschinen, Dampfmaschinen z. B. ist die Bildung hoher Drücke durch Zündung von Kraftstoffgemischen, ähnlich wie bei den bekannten Kolbenmotoren nach dem Otto- oder Dieselprinzip vorteilhaft.
Die Vorteile die bei beispielsweiser Gestaltung der Maschine als Schrägkolbenkraftmaschine resultieren, sind verschiedener Art. Das Anordnen von Schwungrädern bzw. von Schwungmassen die das Motorgewicht bedeutend vergrössern, sind zufolge der Zylinderrotationsmasse nicht erforderlich, umsotnehr als Vibrationen durch Massenabbremsungen und-Beschleunigungen nicht vorhanden sind. Verteiler und Unterbrecher in üblichem Sinne können gegebenenfalls entfallen, da die Zündkerzen am rotierenden Zylinderblock angeordnet, direkt mit Hochspannung beaufschlagt sind, wobei es von Vorteil sein kann, dauernd eine Hochspannungsbereitstellung zu haben.
Da die Drehmomente durch Vergrösserung der Momentenradien weitestgehend zu steigern sind, werden nur Ein- oder Zweistufengetriebe nötig, gege- benenfalls kann mit mehreren Zylindern angefahren, beschleunigt oder berggefahren werden.
Ein Gebläse für Motor und ölkühlung entfällt.
Das Leistungsgewicht kann durch die kleine Konstruktionsmasse, zufolge des Fehlens üblicher Zubehörteile und einer höheren Leistung, sehr gering gehalten werden, was insbesondere im Flugbetrieb von ausschlaggebender Bedeutung ist.
Die Ein-, Aus- und Ülberströmmedien sind vorteilhaft durch die Welle abzuleiten bzw. kann die Steuerung dieser Kanäle durch den Zylinderkörper selbst erfolgen, wobei diese dann auf kur- zem Wege ins Freie münden bzw. zum Vergaser führen. Die Anordnung von gegenläufigen und gleichlaufenden Doppelkolben ist ebenso einfach möglich, wie die Anordnung eines separaten Steuerkolbens im 2-und 4-Takt-Betrieb. Vorverdichter können wie bekannt In üblichem Sinne angeordnet werden.
Die Maschine arbeitet zufolge der grösseren Drücke auf die in der Drehrichtung vorne liegende wirksame grössere Zylinderwandhälfte mit entsprechendem Drehmoment, wobei Drücke auf die sohräge Kolbenbodenfläche und damit auf die Drucklagerscheibe (. Stauscheibe) bzw. Zylinderkopfflächen keine Rücikdrehmomente bilden können, da diese Flächen parallel zu ihren Lagerebenen liegend angeordnet sind ; je nach Erfordernis können nach hinten geneigte Druckflächen drehmomentverstärikcnd angeordnet werden.
Die drehmomentbildene Kraft wird je nach Disposition auf zwei Arten wirksam ; erstens werden die Kolbenböden so verdreht, dass diese immer parallel zur schräg angeordneten Drucklagerscheibe liegen, wobei dabei zu achten ist, dass ein Kolbenkippmoment nicht auftritt, d. h. die Kolbenlagerbasis so gestaltet Ist, dass der Schwerpunkt der Schrägkolbenfläche innerhalb dieser zu liegen kommt. Die Kraft P ast ! somit immer parallel in Richtung senkrecht zur Schrägkolbenfläche und ihrer Zylinderwandprojektion gerichtet, wobei die jeweilige Tangentialkomponente der Kraft, ähnlich wie beim Kurbeltrieb, wirksam wird.
Zweitens werden die Kolbenschrägböden stetig senkrecht zur Tangente des Zylinderrotationskreises gerichtet, d. h. die Kolben unverdrehbar im Zylinderblock eingeordnet ; die Kraft P wirkt somit aus ganzen Halbumfange des M04 mentenkreises mit ihrer vollen Grösse senkrecht zum Momentenradius ; in diesem Falle ist die Mo- torleistung, auf mcl1r als den dreifachen Wert steigerungsfähig. Durch, die Schrägkolbenflächen wird eine intensive Durchwirbelung des Brennstoffgemisches erzielt. Durch die Anordnung der Ventilachsen etwas vom Ventilteller weg nach aussen geneigt, wird erreicht, dass die Ventilteller durch ihre Schwere'bei Rotation des Zylinderblockes schliessend an ihren Sitz gepresst werden, somit die Ventilfedern schwächer ausgeführt werden können.
Die konstruktive Gestaltung der beiden schräg zueinander liegenden zusammenwirkenden Rotationskörper, gegebenenfalls eines Rotationselementes mit einer ruhenden Drucklagerscheibe, der Zylinderblock und die Stauelemente wie Kolben und Kolbenlagerdruckplatte und somit der Maschine überhaupt, ist einfach. Wie bekannt, ist jede zu einem Kreis affine und affin gelegene Kurve, eine Ellipse, und somit jede Parallelprojektion der im Kreise angeordneten Zylinderbohrun-. gen auf einer Hilfsebene, im gegebenen Falle der Kolbenlagerdruckfläche'bzw. Scheibe, eine Ellip-
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senbahn. Es kann somit beispielsweise durch stetiges Umrollen eines Zahnrades entsprechend der Abmessung und exzentrischer Kolbenlagerung die geforderte Ellipsenbahn auf einfache Art geschaffen werden.
Es werden somit grundsätzlich m einem Falle die Kolben verdrehbar und exzentrisch verlagerbar angeordnet und bilden senkrecht zur Staulagerfläche gesehen ein starres Gebilde, während im andern Falle die Kolbenfläche w immer senkrecht zur Tangente also radial gerichtet sind und auf einer Führungsbahn in Ellipsenform gleiten, die stetig eine Kol'benachsenpar- allelhaltung gewährleistet.
Selbstverständlich ist es auch möglich, bei einer ebenen feststehenden Drucklagerfläche eine Parallelverschiebung der Kolbenflächen zueinander, d. h. eine Verdrehung der Kolben Im Zylinder vorzunehmen, u. zw. gleiten in diesem Falle die Kolbenstützflächen auf der feststehenden Drucklagerbahn (Stauscheibe).
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mit den Gehäuse- und Lagerteilen 14, 15, 17,
18 und mit dem Zylinderkopfteil 2, der aus
Zylinderbüchsen besteht, eine feststehende Druck- lagerscheibe 2 in Schraublinienform angeordnet ist, auf der die Schrägkolben kippfrei und ver- schiebbar lagern 26.
Dabei können auch die Kol- ben gegenüber dem Zylinderblock unverdreh- bar angeordnet sein, beispielsweise vermittels ei- nes Längsschlitzes quer durch den Kolben und eines durch diesen Schlitz hindurchgeführten Bol- zens, der am Zylinderblock befestigt ist bzw. vermittels Nasen an den Kolben und Längsnuten in den Zylindern. Es könnten auch die verlän- gerten Kolbenenden in eckigen oder segmentarti- gen Ausnehmungen einer Lagerplatte 22 geführt werden, wodurch ein Verdrehen der Kolben ver- hindert wird. Die Lagerplatte 25 wird mit Hilfe eines (Bolzens 19 und Lager 20 fixiert. In der
Kolbenlagerscheibe 22 werden die Kolben par- allel geführt und gegebenenfalls auch unverdrea- bar festgehalten. Der Zylinderblock wird mittels
Spannscheibe 14 und Spannschrauben 13 zusammengehalten und ist mit der Abtriebswelle 12 in fester Verbindung.
In den Zylinderblock sind Zündkerzen 7 sowie Aus- und Einströmkanäle 9 angeordnet, die durch Ventile 8 steuerbar sind, wobei die Ventile durch verstellbare Ventilbetä- tigungsnockenscheiben 10 betätigt werden. Der in dieser Zeichnung gezeigte Pilzteil 25 (schraublinienförmige Druoklagerscheibe) liegt auf der Arbeitstaktseite und der Kolbenrückführungsteil der Drucklagerbahn liegt ungefähr deckend auf der Rückseite in gleicher Lage, wobei dieser während der zweiten Hälfte des Umlaufes der Schrägkolben diese ebenso kippfrei oder gegebenenfalls auch nicht kippfrei in die Ausgangslage zurück- führen.
Die Arbeitsweise der Schrägkolbenmaschine nach dem Expansionsprinzip ist bei Parallelanordnung d. h. verdrehbaren Kolben folgende : Das auf irgend eine Art in den Verbrennungraum gebrachte und komprimierte Verbrennungsgas wird gezündet, explodiert und übt einen Druck auf den Zylinderkopf, auf die Schrägkolbenböden und auf die Zylinderwandungen aus. Die Druckkraft auf den Zylinderkopf wird lediglich in der Zylinderblocklagerung ohne Drehmomentbildung abgestützt. Das gleiche gilt beim Stauelement. Der Druck auf die Schrägkolbenflä- che wird ohne Momentenbildung bei parallel liegender Staulagerscheibe auf diese übertragen.
Die Schrägkolbenfläche teilt die beiden in und entgegen der Drehrichtung liegenden Zylinderwandhälften in zwei ungleiche Teile ; die in der Drehrichtung liegende grössere Zylinderwandhälfte abzüglich der entgegengesetzt liegenden kleineren Zylinderwandhälfte ergibt die wirksame Kolbenwandfläche, die multipliziert mit dem Explo- : sionsdruck bzw. Expansionsdruck je Zeiteinheit, d. h. dem mittleren indizierten Druck, die jeweils wirkende Kraft am Radius des Zylinderkreises ergibt. Das Ausströmen der entspannten Gase er-
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folgt in bekannter Art innerhalb der zweiten Hälfte einer Umdrehung, bei der der Kolben in den Zylinder eindringt, d. h. in seine Ausgangs- stellung rückgeführt wird.
Das Ansaugen und Komprimieren erfolgt nunmehr bei 4-Taktbetrieb innerhalb einer zweiten Umdrehung usf. 2-Takt und Dieselbetrieb ikann ebenso In bekannter Wei- se bei entsprechender Gestaltung der Maschine, geführt werden. Je nach Schräglage des Kolben- ) bodens und Zylinderinhalt'kann die Leistung der
Maschine verschieden gross gestaltet werden. Ent- sprechend der Kolbenanordnung, ob drehbar oder unverdrehbar in Zylinder, ist eine Leistungsstet- gerung möglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schrägkolbenmaschine mit rotierendem Zy- linderblock, mit vorzugsweise auf Kreisbahnen angeordneten Zylindern und schräger Abstütz- bahn für'die Kolben,. dadurch'gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenenden, u. zw. der Kolben- boden und die Kolbenstützfläche vorzugsweise parallel zueinander liegend abgeschrägt sind, dass die ! Kolben (4) dadurch,. dass die Schwerpunktsprojektion des Kolbenbodens auf die Drucklagerplatte (20) innerhalb der Kolbenstützfläche fällt, kippfrei sind, und dass die Kolben (4) mit ihren schrägen Stützflächen mittels Gleit- oder Wälzlager auf einer Druckplatte (20) bzw.
Bahn gelagert und geführt sind, die vorzugsweise par- allel zu den Kolbenboden ist, so dass vorwiegend oder ausschliesslich die Zylinderwandflächen eines drehbaren Zylinderblockes als wirksame Arbeits-