DE10004759B4

DE10004759B4 - Rotationsschwingkolbenmotor

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Publication number: DE10004759B4
Application number: DE2000104759
Authority: DE
Inventors: Heinz-Juergen Ostermeyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: DE10004759A1

Abstract

Rotationsschwingkolbenmotor, in dem in einem Motorgehäuse, bestehend aus einem feststehenden mit Kühlmittel führenden Kanälen (2) versehenen Außenmantel (1), einem mit diesem verbundenen Getriebegehäuse (27), einem vorderen Lagerdeckel (7), einem hinteren Lagerdeckel (8), einem Ansaugkanal (4) und einem Ausströmkanal (5), eine Getriebeeinheit, bestehend aus einem Getriebegehäusemantel (21), der über eine innere Lagerplatte (22) fest mit zwei Lagertragschalen (15) und (16) einer Arbeitseinheit sowie mit einem Befestigungsflansch eines Abtriebswellenstumpfes (14) verbunden ist und eine äußere Lagerplatte (17) mit einem angeschraubten Abtriebswellenstumpf (18) aufweist, in der ein Antriebszahnrad (31) und zwei Zwischenzahnräder (32) und (52) gelagert sind, wovon das zweite Zwischenzahnrad (52) über eine Öffnung (30) im Getriebegehäusemantel (21) mit einem Innenzahnkranz (33) am Getriebegehäuse (27) im Eingriff steht und das erste Zwischenzahnrad (32) mit dem Antriebszahnrad (31) im Eingriff steht, welches über eine Kurbelwelle (44), ein Pleuel (43) und eine Übertragungs-Gabel (42) mit der Schwingwelle (20) in funktioneller Verbindung steht, und eine...

Description

Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor der universell einsetzbar ist, doch auf Grund seiner außergewöhnlich positiven Eigenschaften sich besonders für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen, Booten und Flugzeugen eignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotationsschwingkolbenmotor zu schaffen, der bei einfacher Fertigung und Montage, ein geringes Verhältnis Masse/Leistung besitzt, einen hohen mechanischen und thermischen Wirkungsgrad erreicht und durch eine erhebliche Verringerung des Verschleißteilumfanges gegenüber derzeitigen Verbrennungsmotoren eine hohe Nutzungsdauer und Zuverlässigkeit gewährleistet.

Der vorliegenden Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, die Arbeitseinheit der beiden vorangegangenen Patente mit gleicher Bezeichnung DE 4118938 C2 und DE 4239074 C2 im Aufbau und Wirkungsweise so entscheidend zu verbessern, das eine Angleichung an das konventionelle und bewährte Fertigungskonzept für Kolben und Zylinder von derzeitigen Verbrennungsmotoren ermöglicht und die Kühlung und Schmierung des Rotationsschwingkolbenmotors sowie die Abdichtung seiner Brennräume auf fertigungstechnische einfache Art und Weise zu realisieren.

Diese Aufgabe wird durch die Patentansprüche 1 bis 3 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird dies im wesentlichen dadurch erreicht, dass bei der Arbeitseinheit dieses Rotationsschwingkolbenmotors der Befestigungsflansch der Abtriebswelle mit einer äußeren und inneren Lagertragschale verschraubt ist, in deren Verbindungsebene vier um 90 Grad zueinander stehende doppelwandige Zylinderbuchsen mit Kolben, deren Mittelachsen zentral durch den Mittelpunkt der Antriebstrommel gehen, eingesetzt sind und jeweils zwei der Kolben über Gelenkstücke mit einer von zwei Kolbenschwingen, die sich durch einen mittleren Stützarm über Stützrollen in einem Rollenführungskäfig abstützen, mit einer der beiden sich gegenüberliegenden Lagerstellen der gekröpften. Verbindungen der Schwingwelle in gelenkiger Verbindung stehen.

Die Kühlung des feststehenden Außenmantels geschieht hier getrennt von der Kühlung der Zylinder über einen unteren Rohrstutzen im vorderen Lagerdeckel für den Kühlmittelzufluß, der über einen vorderen und hinteren Ringkanal im feststehenden Außenmantel und diese miteinander verbindenden Kanäle mit einem oberen Rohrstutzen am Außenmantel für den Kühlmittelabfluß in funktioneller Verbindung steht. Die Zuführung des Kühl- und Schmieröles für die Kühlung der doppelwandigen Zylinder und der Kühlung und Schmierung sämtlicher Lager und aller bewegten Teile der Arbeitseinheit erfolgt getrennt über Rohrstutzen im vorderen Lagernabenbereich der Antriebstrommel über einen inneren Kanal im Abtriebswellenstumpf für die Kühlung und Schmierung aller Lager und Gleitflächen der Arbeitseinheit und einem Ringkanal, der über Rohrleitungen und Rohrverbindern mit den Kühlkammern der Zylinderbuchsen und von diesen ebenfalls über Rohrverbinder, Rohrleitungen und einem Ringkanal mit einem Rohrstutzen im vorderen Lagerdeckel für den gemeinsamen Abfluß beider Kühl- und Schmierströme in Verbindung steht.

Durch zwei Abpumpeinheiten innerhalb der Arbeitseinheit wird das im Inneren angesammelte Kühl- und Schmieröl in den aus den Kühlkammern der Zylinder abfließenden Kühlölstrom gefördert.

Genaue Einzelheiten und vorteilhaftere Ausgestaltungen sind in dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ersichtlich und in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1: den Teilschnitt A-A nach 2 und den Teilschnitt A'-A' nach 3 eines Motorblockes
2: den Schnitt B-B nach 1 durch eine Arbeitseinheit (z.Tl. zur Übersichtlichkeit wegen etwas versetzt)
3 den Schnitt C-C nach 1 durch die Getriebeeinheit
4: den Schnitt durch eine äußere radiale Ringabdichtungsvariante der Zylinderräume
5: die schematische Darstellung der Antriebskinematik einer Arbeitseinheit mit vier Zylindern.
Das Motorgehäuse besteht aus einem Außenmantel 1, der in axialer Richtung Kühlmittel führende Kanäle 2 im Bereich der Arbeitseinheit aufweist. Im oberen Bereich der Arbeitseinheit ist eine Zündkerze 3 und im unteren Bereich sind ein Ansaugkanal 4 Für die Verbrennungsluft mit einer integrierten Kraftstoffeinspritzdüse 28 und ein Ausströmkanal 5 für die Abgase angeordnet. Im unteren mittleren Abschnitt des feststehenden Außenmantels 1 zwischen dem Ansaugkanal 4 und dem Ausströmkanal 5 im Bereich der Arbeitseinheit ist eine Schmiereinheit 37 für die äußeren radialen Abdichtleisten 29 der Zylinderräume vorgesehen. Des weiteren ist im vorderen und hinteren Bereich des Außenmantels 1 je ein Ringkanal 6 sowie diese verbindenden Kanäle 2 für den Kühlmitteldurchfluß und im oberen Bereich auf der Anschlußseite des Getriebegehäuses 27 ein oberer Rohrstutzen 10 für den Kühlmittelaustritt vorgesehen.
Das Motorgehäuse weist einen vorderen Lagerdeckel 7 und einen hinteren Lagerdeckel 8 auf, in denen eine Antriebstrommel 9 drehbar gelagert ist.
Der vordere Lagerdeckel 7 besitzt einen unteren Rohrstutzen 13 für den Kühlmittelzufluß zum Außenmantel 1 über einen vorderen Ringkanal 6 sowie in seiner Lagernabe und in seinem angeschraubten Flansch 11 je einen Rohrstutzen 12 für den Kühl- und Schmiermittelzufluß der Arbeitseinheit.
Die beiden Zuflußströme, Schmier- und Kühlölstrom für alle bewegten Teile der Arbeitseinheit durch den äußeren Rohrstutzen 12 und Kühlstrom für die Zylinderbuchsen 19 durch den inneren der beiden Rohrstutzen 12, erfolgen über die Mittenbohrung im Abtriebswellenstumpf 14 und werden durch eine allseitig abgedichtete Trennhülse 24 voneinander getrennt. Der dadurch gebildete äußere Ringkanal dient der Zuführung des Kühlöles für die Zylinderbuchsen 19 und die innere Bohrung der Zuführung des Öles zum Schmieren und Kühlen aller bewegten Teile der Arbeitseinheit. Ein an der unteren Seite der Lagernabe des vorderen Lagerdeckels 7 eingesetzter Rohrstutzen 25 steht mit dem zwischen dem vorderen Lagerdeckel 7 und dem Befestigungsflansch des Abtriebswellenstumpfes 14 gebildeten Ringkanals 26 in direkter Verbindung und dient dem Abfluß der sich im Inneren der Arbeitseinheit vereinten beiden ölströme. Die Arbeitseinheit besteht aus der Antriebstrommel 9, einer äußeren Lagertragschale 15 mit einem angeschraubten Befestigungsflansch des Abtriebswellenstumpfes 14 und einer inneren Lagertragschale 16 und ist über eine innere Lagerplatte 22 mit einem Getriebegehäusemantel 21, der noch mit einer äußeren Lagerplatte 17 mit angeschraubtem Abtriebswellenstumpf 18 in Verbindung steht, durch Verbindungsschrauben23 biege- und torsionssteif verbunden.
Die miteinander verschraubten Lagertragschalen 15 und 16 weisen außer je einer zentralen Lagerstelle 35 für eine Schwingwelle 20 an ihrem äußeren Umfang vier um 90 Grad zueinander versetzte und zentral zum Mittelpunkt der Antriebstrommel 9 verlaufende Aufnahmebohrungen für doppelwandige Zylinderbuchsen 19 auf, so daß jeweils zwei sich gegenüber befindlicheAufnahmebohrungen in einer Flucht liegen. Die mit Kühlkammern doppelwandig ausgebildeten Zylinderbuchsen 19 besitzen zwei sich gegenüber auf Zylinderbuchsenmitte liegende Rohrstutzen, die mit den Rohrverbindern 46' und 47 für den Kühlmittelzu- und -abfluß in funktioneller Verbindung stehen. Die Kontaktebene beider durch Verbindungsschrauben 23 miteinander verbundenen Lagertragschalen 15 und 16 liegt dabei auf den Mittenachsen der eingesetzten doppelwandigen Zylinderbuchsen 19.
Die in der äußeren und inneren Lagertragschale 15 und 16 in den Lagerstellen 35 gelagerte Schwingwelle 20 ist eine mit zwei sich gegenüberliegenden um 180 Grad zueinander versetzten Kröpfungen "gebaute Schwingwelle", bei der jede der gekröpften Verbindungen durch einen inneren Gewindepaßbolzen mit einer äußeren an ihren Stirnseiten mit den Wangen verzahnten Lagerhülse biege- und torsionssteif verschraubt und als Lagerstelle 34 für eine dreiarmige Kolbenschwinge 36 ausgebildet ist. Jede der beiden dreiarmigen symetrisch ausgebildeten Kolbenschwingen 36 besitzt drei Lagerstellen, mit der mittleren bilden sie eine gelenkige Verbindung mit den Lagerstellen 34 der Schwingwelle 20, mit den beiden äußeren stehen sie über Gelenkstücke 38 mit je einem Kolben 39 mit kreisförmigem Querschnitt in funktioneller Verbindung. Die mittleren Arme der dreiarmigen Kolbenschwingen 36 stehen über Stützrollen 40 mit je einem Rollenführungskäfig 41 in funktioneller Verbindung. Beide Rollenführungskäfige 41 sind im Mittenbereich der Lagertragschalen 15 und 16 gegenüberliegend fest, die inneren Zylindergleitflächen nicht überragend, angeordnet. Ihre mutige zentrale Verbindungsachse bildet mit den beiden Zylindermittenachsen einen Winkel von 45 Grad. Die Distanz der Stützrollenmitte von der Mitte der Lagerstelle 34 der Kolbenschwinge 36 ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Winkelhalbierenden des durch die Verbindungslinie der Lagermitten der Kolbenschwinge 36 sich ergebenden Winkels mit der Winkelhalbierenden der um 90 Grad zueinander stehenden Zylindermittenachsen. Am mittleren Stützarm der Kolbenschwinge 36 sind insgesamt zwei Stützrollen 40 (beiderseitig des Stützarmes je eine) oder vier Stützrollen (beiderseitig des Stützarmes je zwei, jedoch hier mit unterschiedlichen Durchmessern) angeordnet.
Die Abdichtung der Zylinderräume erfolgt auf der einen Seite durch die be währten Kolbenringe 45 am Kolbenumfang und auf der anderen Seite durch quer und längs zur Antriebstrommelachse am Außenumfang der beiden Lagertragschalen 15 und 16 in Nuten um die Zylinderöffnung eingesetzte schmale der abzudichtenden Außenfläche angepaßte und über Well- oder Blattfedern an diese angedrückte Abdichtleisten 29, die durch geschlitzte Eckdichtbolzen miteinander verbunden sind. Die äußere radiale Abdichtung der Zylinderräume kann aber auch durch zwei flache geschlitzte Abdichtringe, die in einer Ringnut am Umfang der beiden Lagertragschalen 15 und 16 um jede Zylinderöffnung nach 4 angeordnet und durch einen Stift arretiert sind, in der Art erfolgen, daß der äußere kleinere Abdichtring der beiden von dem inneren Abdichtring zweiflächig überlappt wird. Der Andruck der geschlitzten Abdichtringe an die abzudichtende Fläche erfolgt dann ebenfalls durch Well- oder Blattfedern.
Die Kolben 39 besitzen außer ihren Kolbenringen 45 eine in Drehrichtung der Antriebstrommel 9 verlaufende dem Außenradius letzterer angepaßte zylinderförmige überhöhung des Kolbenkopfes sowie eine mittige kreisförmige Brennmulde mit angeschrägter Seitenkannte. Außerdem weisen die Kolben 39 unterhalb ihrer Kolbenringe 45 auf Seite der Rollenführungskäfige 41 Schmiermittelabflußbohrungen 49 und auf gleicher Seite am unteren Kolbenrand eine schräge Ausnehmung für den mittleren Stützarm der Kolbenschwinge 36 für ihre innerste Kolbenstellung auf. Die Zylinderbuchsen 19, die in einem Bereich mit Kühlkammern doppelwandig ausgebildet sind, besitzen an ihrem inneren Ende zwei sich gegenüberliegende kreisförmige Aussparungen, die mit den für den Freigang der Schwingwelle 20 in den beiden Lagertragschalen 15 und 16 notwendigen Ausdrehungen übereinstimmen. Außerdem ist am inneren Ende jeder Zylinderbuchse 19 für den Rollenführungskäfig 41 eine mittige rechteckige Aussparung vorgesehen.
Für die Zuführung des Kühl- und Schmieröles aus der inneren Bohrung des vorderen Schwingwellenstumpfes zu allen Lagerstellen der Arbeitseinheit, die über eine Dosierpumpe erfolgt, sind sämtliche Bau- und Lagerteile mit entsprechenden Bohrungen für die ölzufuhr ausgestattet. Für den Schmierölabtransport aus dem Inneren der Arbeitseinheit sind zwei Abpumpeinheiten 48 vorgesehen, die in den beiden Rohrverbindern 47 für den abfließenden Kühlölstrom der Zylinderbuchsen 19 im Bereich der Rollenführungskäfige 41 integriert sind, von denen jede im wesentlichen aus einer zwischen den Stützrollen 40 im mittleren Stützarm der Kolbenschwinge 36 gelagerten Kolbenstange mit Kolben und einem federbelasteten Ventilring sowie einem Zylinder mit federbelasteten Ventilteller besteht.
Das Kühlen der Zylinderbuchsen 19 erfolgt über eine Pumpenumlaufkühlung und wird durch ein in sich geschlossenes Leitungssystem realisiert, so daß keine anderen Bauteile mit dem Kühlmedium in Kontakt kommen oder zusätzliche Abdichtungen notwendig werden. Ab dem inneren Ringkanal im Abtriebswellenstumpf 14 und den beiden um 180 Grad zueinander versetzten Bohrungen im Befestigungsflansch dieses Wellenstumpfes für die Kühlölzuführung wird das Leitungssystem gebildet durch zwei mit diesen Bohrungen verbundenen Rohrleitungen 50 am Befestigungsflansch des Abtriebswellenstumpfes 14, von denen jede mit einem Rohrverbinder 46 und mit den Kühlkammern von zwei benachbarten Zylinderbuchsen 19 sowie mit einem Rohrverbinder 47, in dem eine Abpumpeinheit integriert ist, in Verbindung steht und durch zwei Rohrleitungen 51, die ebenfalls um 180 Grad zueinander versetzt am Befestigungsflansch des Abtriebswellenstumpfes 14 angeordnet sind und die Verbindung zwischen den beiden Rohrverbindern 47, dem Ringkanal 26 und den Rohrstutzen 25 herstellen.
Die in den beiden Lagertragschalen 15 und 16 in den beiden Lagerstellen 35 gelagerte Schwingwelle 20 steht über eine mit ihr fest und torsionssteif verbundene und in der äußeren Lagerplatte 17 des Getriebegehäusemantels 21 drehbar gelagerte Übertragungsgabel 42 mit einem in ihr gelagerten Pleuel 43 mit einer Kurbelwelle 44 die mit eine Antriebszahnrad 31 biege- und torsionssteif lösbar verbunden eine Einheit bildet und in der äußeren Lagerplatte 17 sowie in der inneren Lagerplatte 22 drehbar gelagert ist, in gelenkiger Verbindung. Das Antriebszahnrad 31 selbst steht über zwei Zwischenzahnräder 32 und 52 über eine öffnung 30 im Getriebegehäusemantel 21 mit einem Innenzahnkranz 33 am feststehenden Getriebegehäuse 27 im Eingriff. Das Zähnezahlenverhältnis vom Innenzahnkranz 33 zum Antriebszahnrad 31 erträgt 2/1.
Um das Antriebszahnrad 31 und das Getriebegehäuse 27 im Durchmesser nicht zu groß werden zu lassen, kann gegebenenfalls unter Beibehaltung des Übersetzungsverhältnisses das Zwischenzahnrad 32 als Getriebestufe mit zwei Zahnrädern ausgeführt werden.
Die Arbeitseinheit des Rotationsschwingkolbenmotors kann mit zwei oder vier Arbeitszylindern ausgeführt werden, der Motor selbst mit zwei Arbeitseinheiten mit insgesamt acht Arbeitszylindern. Bei letzterer Variante befindet sich die Getriebeeinheit in der Mitte zwischen beiden Arbeitseinheiten. Außerdem hat diese Variante den großen Vorteil, daß außer dem festen Außenmantel 1 der Arbeitseinheit, der hierfür in spiegelbildlicher Ausführung benötigt wird, beide Seiten des Rotationsschwingkolbenmotors bis zum Anschluß an das Getriebeteil in ihrem konstruktiven Aufbau vollkommen identisch sind. Die Motorvariante mit acht Arbeitszylindern kann in zwei Ausfürungen hergestellt werden und zwar mit einem Zündwinkel von 90 Grad, wie bei einer Arbeitseinheit mit vier Arbeitszylindern oder mit 45 Grad Zündwinkel, bei welchem die Laufkultur eines derzeitigen Otto-Viertaktmotors mit 16 Zylindern erreicht wird, jedoch mit geringerem Raumbedarf, geringerem Eigengewicht und geringeren Kosten.
Bei der ersten Ausführung mit 90 Grad Zündwinkel sind beide Schwingwellen 20 über die Übertragungsgabel torsionssteif miteinander verbunden. Die Übertragungsteile der Getriebeeinheit sind natürlich bei beiden Ausführungen den höheren Belastungen entsprechend zu dimensionieren.
Die zweite Ausführungsvariante würde zusätzlich eine zweite um 90 Grad zur vorhandenen versetzte Kurbelwellenkröpfung am Antriebszahnrad 31, ein zweites Pleuel 43 sowie eine zweite Übertragungsgabel 42 erforderlich machen.
Das große Widerstandsmoment der Antriebstrommel 9 auf Torsion ermöglicht die Durchleitung eines mehrfachen Drehmomentes als das eigene, so daß bei Ausführung eines Rotationsschwingkolbenmotors mit verstärkten Abtriebswellenstümpfen bis zu drei dieser Motoren in Reihe gekoppelt werden können, das beispielsweise zur Leistungssteigerung bei Schiffsantrieben oder stationären Antrieben vorteilhaft genutzt werden kann.
Die Wirkungsweise des Rotationsschwingkolbenmotors ist wie folgt:
Nach dem Anlassen des Rotationsschwingkolbenmotors, bei dem die Antriebstrommel 9 in eine rechte Drehbewegung versetzt wird, wird das durch das Ansaugen der Luft aus dem Ansaugkanal 4 und durch das Einspritzen des Kraftstoffes in den Zylinderraum durch die Kraftstoffeinspritzdüse 28 gebildete zündfähige Kraftstoffluftgemisch nach dem Kompressionsvorgang vor dem Erreichen des oberen Totpunktes mittels der Zündkerze 3 gezündet und anschließend nach der Verbrennung der Expansionshub des betreffenden Kolbens 39 eingeleitet. Durch die Drehung der Antriebstrommel 9 wird das mit dem Innenzahnkranz 33 des feststehenden Getriebegehäuses 27 im Eingriff stehende zwischenzahnrad 52, das Zwischenzahnrad 32 und das Antriebszahn rad 31 mit der einfach gekröpften Kurbelwelle 44 in eine Drehbewegung versetzt. Die über eine Übertragungsgabel 42 und einem Pleuel 43 mit der Kurbelwelle 44 in funktioneller Verbindung stehende Schwingwelle 20 wird dabei in eine wechselseitige Drehbewegung von 90 Grad versetzt, so daß die Kröpfungsebene der Schwingwelle 20 abwechselnd entgegen und in Drehrichtung der Antriebswlle 9 bewegt wird. Bei entgegengesetzten Drehbewegungen von Schwingwelle 20 und Antriebstrommel 9 führt dies zu einem angenäherten Stillstand der Schwingwelle 20. Da die Schwingwelle 20 in ihren zwei als Lagerstelle 34 ausgebildeten gekröpften Wellenverbindungen mit je einer durch Stützrollen 40 in einem Rollenführungskäfig 41 sich abstützenden Kolbenschwinge 36 gelenkig verbunden ist und letztere über Gelenkstücke 38 mit je zwei Kolben 39 in funktioneller Verbindung stehen, werden bei einer Schwenkbewegung der Kröpfungsebene der Schwingwelle 20 von 90 Grad aus einer Zylindermittenachse in die andere jeweils zwei sich gegenüber liegende Kolbenpaare entweder nach außen oder nach innen bewegt, wobei sich ihre Massenkräfte gegenseitig vollkommen aufheben. Bei diesem Antriebssystem werden keine großen Kräfte und Momente auf langen Wegen herumgeleitet, sondern unmittelbar auf kürzester Distanz in einer Wirkungsebene umgesetzt. Jeder Kolben der vier in einer Wirkungsebene rotierenden Hubzylinder übernimmt die Kompressionsarbeit des ihm nachfolgenden Hubzylinders, so daß überlagerungen von Biege- und Torsionsschwingungen gar nicht erst entstehen können und die damit verbundene festigkeits- und lebensdauernotwendige Überdimensionierung von Bauteilen vermieden wird. Die Torsionsimpulse, die durch die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen der massearmen Schwingwelle 20 entstehen, werden durch eine dementsprechend bemessene torsionsschwingungstilgende Getriebekupplung beseitigt, so daß ein vollkommen schwingungsfreies Antriebssystem entsteht.
Gegenüber einem derzeitigen Otto-Viertaktmotor, bei dem der Exparsionstakt um bis zu 50 Grad Kurbelwellenumdrehung vorzeitig abgebrochen wird, wird beim Rotationsschwingkolbenmotor dieser Expansionstakt nicht nur ungekürzt realisiert, sondern es wird die im Verlauf des Expansionshubes abnehmende Kolbenkraft zunehmend von 1 bis 1,7 fach momentsteigernd in die Schwingwelle 20 eingeleitet. Das sich hierbei ergebende Kräfteverhältnis ist in 4 ersichtlich. Die durch den Mittelpunkt der Antriebstrommel 9 gehende Wirkungslinie der Kolbenkraft Fk wird durch die Teilkomponenten Fg und Fs ersetzt. Die Teilkomponente Fg wirkt auf die Kolbenschwinge 3b als Resultierende der sich ergebenden Komponenten P1 und Pr ein. Daraus ergibt sich die auf den Mittelpunkt der Antriebstrommel 9 bezogene Gleichgewichtsbedingung der Momente, die durch die Kräfte P1, Pr und Ps entsprechend ihrer Hebelarme hevorgerufen werden. Danach ist das auf die Schwingwelle 20 wirkende Drehmoment dem auf die Antriebstrommel 9 wirkenden Drehmoment entgegengesetzt und gleich groß.
Das Abtriebsmoment des Rotationsschwingkolbenmotors ergibt sich, entsprechend dem Zähnezahlenverhältnis vom feststehenden Innenzahnkranz 33 zum Antriebszahnrad 31 von 2/1, mit dem zweifachen Wert des durch die Schwingwelle 20 über die übertragungsgabel 42 und das Pleuel 43 in der Kurbelwelle 44 des Antriebszahnrades 31 erzeugten Drehmomentes.
Der Hiebelarm der übertragungsgabel 42 beträgt = Kurbelwellenradius *√2. Um die Winkelbeschleunigungen und Verzögerungen der Schwingwelle 20 in Grenzen zu halten, muß das Verhältnis radiale Distanz der Mitte des Antriebszahnrades 31 bis zur Mitte der Antriebstrommel 9 zum Kurbelwellenradius = 4 bis 4,5 betragen.
Die Kühlung des feststehenden Außenmantels 1 mit Wasser oder öl sowie die Kühlung der Zylinderbuchsen 19 mit Kühl und Schmieröl erfolgt, wie an anderer Stelle bereits ausführlich beschrieben, in getrennten Kreisläufen in Form von Pumpenumlaufkühlungen. Das für die Kühlung und Schmierung aller bewegten Teile der Arbeitseinheit über eine Dosierpumpe in die Mittenbohrung der Schwingwelle 20 und von hier über Kanäle in jede Lagerstelle geförderte öl, erreicht durch die Zentrifugalkräfte jedes zu schmierende Teil oder Fläche innerhalb der Antriebstrommel 9. Das durch die Kolbenringe 45 der Kolben 39 von der Zylinderinnenfläche abgestreifte sowie das aus dem Kolbeninneren über die Schmiermittelabflußbohrungen 49 abgeführte öl gelangt durch die Rollenführungskäfige 41 in die Abpumpeinheiten 48 der Rohrverbinder 47, von wo es dann in den abfließenden Kühlölstrom der Zylinderbuchsen 19 gedrückt wird.
Die Schmierung der Radialdichtleisten der Zylinderräume erfolgt durch unter öldruck stehenden Sintermetalleinsätze der Schmiereinheit 37 im unteren Bereich des Außenmantels 1 nach jeder Antriebstrommelumdrehung.
Da jeder der vier Takte des Rotationsschwingkolbenmotors einen Drehwinkel der Antriebstrommel 9 von 90 Grad ausmacht (entspricht einer Drehbewegung des umlaufenden Antriebszahnrades 31 von 180 Grad) werden analog in jedem Zylinder bereits nach einer Umdrehung der Antriebstrommel 9 alle vier. Takte vollzogen. Die Abgase werden nach Vollendung des Arbeitstaktes durch den Ausströmkanal 5 ausgestoßen. Diese vier Takte des Rotationsschwingkolbenmotors beinhalten grob betrachtet den gleichen Energieumsetzungsprozeß wie derzeitige Otto-Viertaktmotoren und zwar in der Reihenfolge

1. Takt = Ansaugen,
2. Takt = Verdichten,
3. Takt = Verbrennung u. Exgansion (Arbeitstakt),
4. Takt = Ausstoß der Abgase,

1. Takt: Ansaugen

– Der Ansaugvorgang erfolgt für vier Hubzylinder gemeinsam durch ein Ansaugrohr mit einem kontinuierlichen Ansaugstrom,
– ohne eine konstruktionsbedingte Aufheizung der Ansaugluft, wie sie durch die Ventilpassage und den Zylinderkopf beim Vergleichsmotor zustande kommt,
– über einen drosselfreien Eintrittsquerschnitt der 90% der Fläche des Zylinderquerschnitts entspricht,
– mit abschließender direkter Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder, das durch Verdampfen des Kraftstoffes beim Auftreffen auf die heißen Zylinderwände und den Kolben zu einer. Absenkung der Temperatur des Kraftstoffluftgemisches führt. (Diese Verhältnisse lassen Liefergrade von 100% und sogar darüber bei, max. Drehzahl erwarten)

2. Takt: Verdichten

– Die äußere Abdichtfläche der Zylinderräume im Kompressionsbereich, die durch die Innenwandung des Außenmantels 1 gebildet wird, bekommt keinen Kontakt mit den Verbrennungsgasen, so daß auch diesbezüglich eine zusätzliche Erwärmung des zu verdichtenden Kraftstoffluftgemisches in Grenzen gehalten wird. (Kompressionsverh. bis 12:1 möglich),

3. Takt: Verbrennung und Expansion

– Die Zündung des komprimierten Kraftstoffluftgemisches erfolgt ca. 15 Grad Drehwinkel der Antriebstrommel 9 vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 39 mit anschließender Verbrennung bis ca. 30 bis 35 Grad Drehwinkel der Antriebstrommel 9 nach dem Zündpunkt in fast gleichbleibenden Raumvolumen (Gleichraumverbrennung mit optimal geringer Oberfläche/Volumen!) mit hohem Druck und hoher Temperatur. Dabei bildet die Verbindung Kröpfungsebene der Schwingwelle 20 über den genannten Drehwinkelbereich mit den Gelenkpunkten von Kolbenschwinge 36, Gelenkstück 38 und Kolben 39 annähernd eine Gerade.
– Der anschließende Expansionshub des Kolbens 39' erfolgt ungekürzt ab oberer Totpunktstellung des Kolbens 39 über einein Drehwinkel der Antriebstrommel 9 von 90 Grad,
– dabei wirkt die äußere Abdichtfläche der Zylinderräume, die auf diesem Sektor nur mit den Verbrennungsgasen in Kontakt kommt, einer zu raschen Abbkühlung der sich ausdehnenden Verbrennungsgase entgegen.
– Die Zündkerze 3 kann weder durch anhaftende Verbrennungsrückstände noch durch überhitzung, trotz hoher Zündfolge, in ihrer Funktion beeinträchtigt werden, da sie unmittelbar nach jedem Zündvorgang den Verbrennungsraum verläßt.

4. Takt: Ausschub der Verbrennungsgase

– Der Ausschubvorgang der Verbrennungsgase geschieht für vier Zylinderräume über ein gemeinsames Abgasrohr in einem kontinuierlichen und völlig rückstaufreien Abgasstrom,
– und durch eine völlig drosselfreie Austrittsöffnung, deren Querschnitt 90% der Fläche des Zylinderquerschnitts entspricht, ist die Ausschubarbeit gleich null,
– so daß auch bei höchster Motordrehzahl kein den Liefergrad beeinträchtigender Abgasrest im Zylinder verbleibt.
– Es kommt durch die Zylinderöffnung beim Überfahren des Ausström- und Ansaugkanals zu keiner Verbindung beider Kanäle.

Um die Verhältnisse und Eigenschaften eines Rotationsschwingkolbenmotors für den PKW-Einsatz richtig einschätzen zu können, werden nachfolgend seine errechneten Daten für eine bestimmte Motorleistung wiedergegeben.
Für einen Rotationsschwingkolbenmotor mit einer Arbeitseinheit mit vier Zylindern und einem Hubraum von Vh = 0,65 L wurden folgende Werte ermittelt:
Durchmesser der Antriebstrommel D = 238 mm
Verdichtung 11,5:1
Leistung N = 90 PS bei max. n = 3150 U/min und einem Drehmoment
von Mt = 202 Nm (ohne zusätzl. Abgasturboaufladung)
Eigengewicht (ohne Anbauaggregate und Luftansaug- u. Abgasrohr)
m = 45 kg entspr. Masse/Leistung ≐ 0,5 kg/PS
Bauvolumen = 21,5 dm³ = 0,293 dm³/PS (Motorblock)
Der Kraftstoffverbrauch (Drittelmix) beträgt Kv = 3,9 bis 4,0 L/100 km (bei einem Fahrzeuggewicht von 1100 kg und einem cw-Wert = 0,29) Dieser Verbrauch würde sich weiter verringern bei einer Leichtbaukarosserie oder ähnlichen den Fahrwiderstand verringernden Maßnahmen.
Die Herstellungskosten eines Rotationsschwingkolbenmotors liegen bei. ca. 60% der eines heutigen im Kraftfahrzeugbau eingesetzten Otto-Viertaktmotors.

1: Außenmantel (feststehend)
2: Kanal
3: Zündkerze
4: Ansaugkanal
5: Ausströmkanal
6: Ringkanal
7: vorderer Lagerdeckel
8: hinterer Lagerdeckel
9: Antriebstrommel
10: oberer Rohrstutzen
11: Flansch
12: Rohrstutzen (Zufluß v. Kühl-
: und Schmieröl)
13: unterer Rohrstutzen (am Teil 7)
14: Abtriebswellenstumpf
15: äußere Lagertragschale
16: innere Lagertragschale
17: äußere Lagerplatte
18: Abtriebswellenstumpf
19: Zylinderbuchse (doppelwandig)
20: Schwingwelle
21: Getriebegehäusemantel
22: innere Lagerplatte
23: Verbindungsschraube
24: Trennhülse (für Kühl- und
: Schmiermittel)
25: Rohrstutzen (Abfluß des Kühl- u.
: Schmiermittels)
26: Ringkanal (Abflußleitung für
: Kühl u. Schmierm.)
27: Getriebegehäuse (feststehend)
28: Kraftstoffeinspritzdüse
29: Abdichtleiste
30: öffnung
31: Antriebszahnrad
32: Zwischenzahnrad
33: Innenzahnkranz
34: Lagerstelle der Kolbenschwinge
35: Lagerstelle der Schwingwelle
36: Kolbenschwinge (dreiarmig)
37: Schmiereinheit
38: Gelenkstück
39: Kolben (mit kreisförmigem
: Querschnitt)
40: Stützrolle
41: Rollenführungskäfig
42: Übertragungsgabel
43: Pleuel
44: Kurbelwelle
45: Kolbenring
46: Rohrverbinder (für Kühlöl
: zufluß)
47: Rohrverbinder (für Kühl- und
: Schmierölabfluß)
48: Abpumpeinheit
49: Schmiermittelabflußbohrung
50: Rohrleitung (für Zufluß des
: Kühlöles)
51: Rohrleitung (für Abfluß des
: Kühl- und Schmieröles)
52: zweites Zwischenzahnrad

Claims

Rotationsschwingkolbenmotor, in dem in einem Motorgehäuse, bestehend aus einem feststehenden mit Kühlmittel führenden Kanälen (2) versehenen Außenmantel (1), einem mit diesem verbundenen Getriebegehäuse (27), einem vorderen Lagerdeckel (7), einem hinteren Lagerdeckel (8), einem Ansaugkanal (4) und einem Ausströmkanal (5), eine Getriebeeinheit, bestehend aus einem Getriebegehäusemantel (21), der über eine innere Lagerplatte (22) fest mit zwei Lagertragschalen (15) und (16) einer Arbeitseinheit sowie mit einem Befestigungsflansch eines Abtriebswellenstumpfes (14) verbunden ist und eine äußere Lagerplatte (17) mit einem angeschraubten Abtriebswellenstumpf (18) aufweist, in der ein Antriebszahnrad (31) und zwei Zwischenzahnräder (32) und (52) gelagert sind, wovon das zweite Zwischenzahnrad (52) über eine Öffnung (30) im Getriebegehäusemantel (21) mit einem Innenzahnkranz (33) am Getriebegehäuse (27) im Eingriff steht und das erste Zwischenzahnrad (32) mit dem Antriebszahnrad (31) im Eingriff steht, welches über eine Kurbelwelle (44), ein Pleuel (43) und eine Übertragungs-Gabel (42) mit der Schwingwelle (20) in funktioneller Verbindung steht, und eine Arbeitseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass bei dieser Arbeitseinheit der Befestigungsflansch des Abtriebswellenstumpfes (14) mit einer äußeren und inneren Lagertragschale (15) und (16) verschraubt ist, in deren Verbindungsebene vier um 90 Grad zueinander stehende doppelwandige Zylinderbuchsen (19) mit Kolben (39), deren Mittelachsen zentral durch den Mittelpunkt der Antriebstrommel (9) gehen, eingesetzt sind und jeweils zwei der Kolben (39) über Gelenkstücke (38) mit je einer von zwei Kolbenschwingen (36), die sich durch einen mittleren Stützarm über Stützrollen in einem Rollenführungskäfig (41) abstützen, mit einer der beiden sich gegenüberliegenden Lagerstellen (34) der gekröpften Verbindungen der Schwingwelle (20) in gelenkiger Verbindung stehen, angeordnet sind.
Rotationsschwingkolbenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die doppelwandigen Zylinderbuchsen (19) auf Zylindermitte zwei um 180 Grad zueinander versetzte fest angeordnete Rohrstutzen für den Kühlmitteldurchfluß aufweisen und die Kontaktebene der fest zusammengefügten Lagertragschalen (15) und (16) auf der Mitte der Zylinderbuchsen (19) und der Rohrstutzen liegt.
Rotationsschwingkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der doppelwandigen Zylinderbuchsen (19) mit zwei Rohrverbindern (46) und (47), die fest in den beiden Lagertragschalen (15) und (16) symetrisch zueinander angeordnet sind, über die Rohrstutzen der Zylinderbuchsen (19) in funktioneller Verbindung stehen, wobei sich stets zwei gleichartige gegenüber mit gleichem Abstand von der Antriebstrommelmitte sowie auf der Winkelhalbierenden der um 90 Grad zueinander versetzten Zylindermittenachsen befinden.
Rotationsschwingkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rollbahnmitten der zwei in der Mitte der Lagertragschalen (15) und (16) eingelagerten Rollenführungskäfige (41) genau gegenüber auf einer zentralen Verbindungslinie befinden, die sich mit der von den Rohrverbindern (47) deckt.
Rotationsschwingkolbenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass am mittleren Stützarm der Kolbenschwinge (36) entweder zwei Stützrollen (40), beiderseitig des Stützarmes eine, oder vier Stützrollen (40), beiderseitig des Stützarmes zwei, jedoch hier mit ungleichen Durchmessern bei gabelförmigen Stützarmende, angeordnet sind.
Rotationsschwingkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der beiden Rohrverbinder (47) eine Abpumpeinheit (48) integriert ist, die im wesentlichen aus einem Zylinder mit einem federbelasteten Ventilteller und einer am mittleren Stützarm der Kolbenschwinge (36) zwischen den beiden Stützrollen (40) gelenkig verbundenen Kolbenstange mit Kolben und einem federbelasteten Ventilring besteht.
Rotationsschwingkolbenmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein im unteren Bereich des vorderen Lagerdeckels (7) angeordneter Rohrstutzen (13) für den getrennten Zufluß der Kühlflüssigkeit für den feststehenden Außenmantel (1) mit einem vorderen und hinteren Ringkanal (6) im Außenmantel (1) über Kanäle (2) und einem oberen Rohrstutzen (10) für den Kühlmittelabfluß im Anschlussbereich des Getriebegehäuses (27) in funktioneller Verbindung steht.
Rotationsschwingkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Rohrleitungssystem für die Kühlung der doppelwandigen Zylinderbuchsen (19) gebildet wird aus zwei mit dem Ringkanal im Abtriebswellenstumpf (14) und im Befestigungsflansch desselben um 180 Grad zueinander versetzten Bohrungen und mit diesen verbundenen Rohrleitungen (50), von denen jede mit einem Rohrverbinder (46) und mit den Kühlkammern von zwei benachbarten Zylinderbuchsen (19) in Verbindung steht, und aus zwei mit diesen verbundenen Rohrverbindern (47) mit je einer Rohrleitung (51), die zentral und symetrisch zu den Rohrleitungen (50) am Befestigungsflansch des Abtriebswellenstumpfes (14) angeordnet sind und mit dem Ringkanal (26) und dem Rohrstutzen (25) am vorderen Lagerdeckel (7) im Zusammenschluß stehen.
Rotationsschwingkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Abdichtung der Zylinderräume am Außenumfang der Lagertragschalen (15) und (16) um die Zylinderöffnung entweder durch quer und längs zur Schwingwellenachse in Nuten eingesetzte schmale über geschlitzte Eckdichtbolzen miteinander verbundene Abdichtleisten (29), die durch Well- oder Blattfedern an die Kontaktfläche gedrückt werden, oder durch zwei geschlitzte der Innenwand des Außenmantels (1) angepasste schmale Dichtringe, die in einer Ringnut um die Zylinderöffnung eingesetzt und durch einen Stift arretiert sind, in der Art, dass der innere der beiden den äußeren zweiflächig überlappt und beide ebenfalls durch Well- oder Blattfedern an die Innenwand des Außenmantels (1) gedrückt werden, ausgeführt wird.