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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit
zwei Schwenkkolben, die in einem Prozessraum zueinander gegenläufig verschwenkbar
an zwei zueinander parallelen Kolbenwellen angeordnet sind und zwei
Brennräume
innerhalb des Prozessraumes voneinander abtrennen, wobei die Kolbenwellen
aus dem Prozessraum in ein Kurbelgehäuse ragen und mit einer Kurbelwelle
gekoppelt sind und zwei Zahnräder
an den Kolbenwellen drehfest gelagert sind.
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Das
Prinzip eines zweiflügeligen
Schwenkkolbenmotors mit gegenläufigen
Kolben und einer Kraftübertragung
auf ein gemeinsames Pleuel ist bekannt. Beispielsweise ist aus der
DE 18 13 107 ein Schwenkkolbenmotor
mit zwei Brennkammern bekannt, die durch zwei innerhalb des Gehäuses drehverschwenkbar
gelagerte Rotoren voneinander getrennt sind. An dem Motor sind Einrichtungen
vorgesehen, die das Einströmen
von Brennstoff und Luft in die Verbrennungsbereiche in entsprechender
zeitlicher Abstimmung mit der hin- und hergehenden Drehverschwenkung
der Rotoren steuern und das Brennstoff- und Luftgemisch innerhalb
der Verbrennungsbereiche zünden.
Schließlich
ist eine Abgasöffnung
im Verbrennungsbereich ausgebildet. Die einzelnen Rotoren sind jeweils
an einer Welle gehalten, die durch Öffnungen außerhalb des Brennraumes hindurchgeführt und
an ihren Enden in Lagern drehbar gela gert sind. An einem Ende sind
Wellenzahnräder
befestigt, die derart ineinander greifen, dass durch sie gewährleistet
wird, dass die Rotoren derart synchron zusammengeschaltet sind,
dass sie sich jeweils in zueinander entgegengesetzten Winkelrichtungen
verdrehen. Die Antriebskraft wird bei diesem Motor in Form eines
Strahlantriebs erzeugt und nicht auf eine Kurbelwelle übertragen.
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Die
DE 19 47 406 beschreibt
ein Arbeitsverfahren und ein Schwenkkolbentriebwerk. Bei diesem Schwenk-
bzw. Schwingkolbentriebwerk ist wenigstens ein in einem Arbeitsgehäuse angeordnetes Schwingkolbenpaar
vorgesehen, bei dem jeder Schwingkolben kraftschlüssig mit
je einer axial verlaufenden und beidseitig axial in den Seitengehäusen gelagerten
Schwingkolbenwelle verbunden ist. Die Schwingkolbenwellen erstrecken
sich wenigstens auf einer Seite außerhalb des Seitengehäuses und
sind mit Zahnantriebsmitteln ausgestattet, die im Verhältnis von
eins zu ein miteinander im gleichen Achsabstand zwangsläufig gekoppelt
sind, wobei ein auf einer dieser Schwingkolbenachsen angebrachter Schwinghebel über eine
Pleuelstange mit einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle kraftschlüssig zur
Arbeitsübertragung
verbunden ist. Jeder der zugeordneten Schwingkolben eines Schwingkolbenpaares schwingt
pro Arbeitszug abwechselnd von- und zueinander allseitig reibungslos,
sodass volumetrisch verändernde
Arbeitsräume
zwischen den Arbeitsflächen
der Schwingkolben gebildet werden. Wesentlich ist, dass die erzeugte
Gesamtkraft aller Schwingkolben durch ihre Verkopplung über die
Zahnräder mittels
eines einzigen Schwinghebels, welcher mit der Schwingkolbenachse
der Schwingkolben kraftschlüssig
verbunden ist, über
die Pleuelstange auf den Kurbelzapfen der Kurbelwelle übertragen
wird.
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Ferner
ist aus der
DE 102
30 628 A1 ein Pendelkolbenmotor bekannt, bei dem eine Pendelbewegung
in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Hierzu ist vorgesehen, dass
auf einer Pendelkolbenwelle ein Zahnrad angeordnet ist, das mit
einer Zahnstange kämmt.
Durch die hin- und hergehende Bewegung treibt die Zahnstange über eine
Pleuelstange eine Kurbelwelle an.
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Weiterhin
ist in der
DE 703 466 eine Schwingkolbenmaschine
mit zwei Arbeitsflügeln
offenbart, die innerhalb eines Arbeitsraumes angeordnet sind, deren
Naben durch ein Zwischenstück
gegeneinander abgedichtet sind und deren Wellen über Zahnräder miteinander in Eingriff
stehen.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, die einen einfacheren
und kompakteren Aufbau aufweist und eine robuste und sichere Umwandlung
der Pendelbewegung in eine Drehbewegung gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen
gemäß Anspruch
1 erfüllt.
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Bei
einer Verbrennungskraftmaschine mit zwei Schwenkkolben der eingangs
beschriebenen Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zahnräder in dem
Kurbelgehäuse
beidseitig eine zwischen den Zahnrädern angeordnete Zahnstange kämmen, die über ein
Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist, und den Zahnstangen gegenüberliegend, an
beiden Zahnrädern
mit diesen kämmend,
Gegenzahnstangen vorgesehen sind, die als Gegenmasse dienen. Durch
diesen Aufbau wird die durch die Verbrennung entstehende Energie über die
Kolbenwellen von zwei Seiten gleichseitig an die Zahnstange übertragen,
die die Kraft zur Erzeugung einer umlaufenden Rotationsbewegung
an die Kurbelwelle weiterleitet. Erfindungsgemäß wird somit ein doppeltwirkender
Schwenkgegenkolbenmotor verwirklicht. Durch die Gegenmassen werden
die auftretenden oszillierenden Massenkräfte ausgeglichen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zahnstange
schwenkbar mit dem Pleuel verbunden. Alternativ sind die Zahnstange und
das Pleuel einstückig
ausgebildet.
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Damit
bei der einstückigen
Ausbildung der Zahnstange und des Pleuels auch bei der Verschwenkung
der Zahnstange ein zuverlässiges
Kämmen
mit den Zahnrädern
gewährleistet
ist, ist die Zahnstange beidseitig konkav gewölbt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
ist die Zahnstange in Ihren Endbereichen derart gekrümmt ausgebildet,
dass mehrere Zähne
der Zahnstange mit den beiden Zahnrädern in Eingriff kommen. Dies
ermöglicht
eine Kraftübertragung
von den Kolbenwellen über
die Zahnräder
auf die Zahnstange über
mehrere im Eingriff miteinander befindliche Zähne, so dass die Belastungen
innerhalb der Zähne gleichmäßiger verteilt
werden. Dadurch können
die Zähne
und damit die Zahnräder
und die Zahnstange kleiner dimensioniert werden, da an den Stellen
mit der höchsten
Belastung, nämlich
an den Umkehrpunkten des Pleuels, mehrere Zähne miteinander kämmen.
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In
vorteilhafter Weise sind die Gegenzahnstangen an Führungskufen
gleitend geführt.
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Damit
ein zuverlässiges
Kämmen
auch bei der Schwenkbewegung der Gegenzahnstangen erfolgt, können diese
vorteilhaft einseitig konkav gewölbt
sein.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
das Kurbelgehäuse
von einem dem Prozessraum enthaltenen Prozessgehäuse thermisch entkoppelt ist.
Aufgrund dieser thermischen Entkopplung treten geringere Energieverluste
aufgrund der Wärmeleitung
von dem Verbrennungsraum zu anderen Motorbestandteilen auf. Dies
führt insbesondere
bei häufigen
Starten des Motors in einem nicht erwärmten Zustand zu deutlichen
Einsparungen des Kraftstoffes.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
sieht vor, dass die Schwenkkolben parallel zur Schwenkachse einen
rechteckförmigen
Querschnitt aufweisen. Bevorzugt weisen die Schwenkkolben parallel zur
Schwenkachse einen bogenförmigen
Querschnitt auf, beispielsweise einen halbkreis- oder kreisabschnittförmigen Querschnitt.
Der Innenquerschnitt des Prozessraumes ist entsprechend der Form
der Schwenkkolben ausgebildet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele detaillierter
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in
denen:
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1 ein
Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
zeigt;
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2 ein
Querschnitt durch das Kurbelgehäuse
der Verbrennungskraftmaschine aus 1 entlang
der Linie I bis I zeigt;
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3 ein
Querschnitt durch die Verbrennungskraftmaschine aus 1 entlang
der Linie II bis II zeigt;
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4 ein
Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
zeigt;
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5 ein
Querschnitt durch das Kurbelgehäuse
der Verbrennungskraftmaschine aus 4 entlang
der Linie I bis I zeigt;
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6 ein
Querschnitt durch die Verbrennungskraftmaschine aus 4 entlang
der Linie II bis II zeigt.
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1 zeigt
in einer Querschnittsdarstellung eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit
einem Prozessgehäuse 1 und
einem daran angeschlossenen Kurbelgehäuse 2. Das Prozessgehäuse 1 enthält einen
Prozessraum 3, der durch zwei Schwenkkolben 4,
von denen in 1 nur einer dargestellt ist,
in zwei Brennräume
unterteilt ist. Die Schwenkkolben 4 sind jeweils an einer
Kolbenwelle 5 angeordnet, die in entsprechenden Lagern 6 in
dem Prozessgehäuse 1 gelagert
sind. Die Kolbenwellen 5 sind an zwei gegenüberliegenden
Seiten des Prozessgehäuses 1 über die
Lager 6 außerhalb
des Prozessraumes 3 herausgeführt gelagert.
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Außerhalb
des Prozessraumes 3 sind an den Kolbenwellen 5 entsprechende
Ausgleichsgewichte 7 zum Ausgleich der Fliehkräfte ausgebildet,
die auf die Kolbenwellen 5 aufgrund der Masse der Schwenkkolben 4 und
deren Schwenkbewegungen einwirken.
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Die
Kolbenwellen 5 ragen in das Kurbelgehäuse 2 hinein und sind
dort in weiteren Lagern 8 gelagert. Zwischen den Lagern 8 befinden
sich an den Kolbenwellen 5 Zahnräder 9, die mit einer
Zahnstange 10 kämmen.
Aufgrund der Schwenkbewegung der Schwenkkolben 4, die über die
Kolbenwellen 5 übertragen
werden, führt
die Zahnstange 10 eine oszillierende, durch den Pfeil 11 angedeutete
Bewegung aus. Am äußeren Ende
der Kolbenwellen 5 sind Trägheitsscheiben 12 vorgesehen,
die den Laststoß vermindern,
der von den Zahnrädern 9 auf
die Zahnstange 10 übertragen
wird. Der Laststoß erfolgt
beim Wechsel der Bewegungsrichtung der Schwenkkolben 4,
wenn aufgrund einer erfolgten Zündung
das Luft-/Kraftstoffgemisch verbrennt und durch den entstehenden
Feuerstoß und
der Gasdruckerhöhung
in dem Brennraum das jeweils größte Drehmoment
auf die Kolbenwellen 5 wirkt. Auf diese Weise wird die Drehkraftkurve
geglättet.
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An
einem Ende der Zahnstange 10 ist ein Pleuel 13 um
eine Achse 14 schwenkbar angeordnet. Der Pleuel 13 ist
mit der Kurbelwelle 15 verbunden.
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In
der 2 ist ein Querschnitt durch das Kurbelgehäuse 2 aus 1 entlang
der Linie I-I dargestellt. Deutlich zu erkennen sind die an den
Kolbenwellen 5 angeordneten Zahnrädern 9. Zwischen den
Zahnrädern 9 befindet
sich die Zahnstange 10, die beidseitig mit den Zahnrädern 9 kämmt. Um
die Achse 14 schwenkbar ist die Zahnstange 10 mit
dem Pleuel 13 verbunden. Die Kurbelwelle 15 ist
durch eine Strichlinie angedeutet.
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Der
Zahnstange 10 gegenüberliegend
sind an den Zahnrädern 9 Gegenzahnstangen 16 vorgesehen,
die mit den Zahnrädern 9 gegenläufig zu
der Zahnstange 10 kämmen.
Das heißt,
wenn sich die Zahnstange 10 in Richtung der Kurbelwelle 15 bewegt,
werden die Gegenzahnstangen 16 in die Gegenrichtung geführt. Die
Gegenzahnstangen 16 gleiten mit der den Zahnrädern 9 gegenüberliegenden Seite
entlang an Führungskufen 17,
die an dem Kurbelgehäuse 2 befestigt
sind. Die Gegenzahnstangen 17 sind als Ausgleich für die Zahnstange 10 bzw.
teilweise den Pleuel 13 erforderlich, insbesondere für die hin-
und hergehenden Massenkräfte.
Der restliche Massenausgleichsanteil für den Pleuel 13 wird mit
an den Gegenzahnstangen 16 angelenkten Stangen 18 durchgeführt, die
ihrerseits am Pleuel 13 im Zapfenbereich geführt werden,
so dass diese Stangen 18 in etwa mit dem Pleuel 13 schwenken
und bedingt durch ihre Masse und Gegenläufigkeit die vorgenannten Massenkräfte aufheben.
Die Massen der Stangen 18 sind auf die wirksamen Kräfte abgestimmt.
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3 zeigt
eine Querschnittsdarstellung durch die Verbrennungskraftmaschine
aus 1 entlang der Linie II bis II. 3 ist
somit ein von oben betrachteter Querschnitt. In der 3 ist
das Prozessgehäuse 1 und
das Kurbelgehäuse 2 zu
erkennen. Das Prozessgehäuse 1 weist
einen Frischluftanschluss 19 auf, durch den Frischluft-Kraftstoffgemisch
aus einem Auflader, beispielsweise Kompressor oder Turbolader (nicht
dargestellt) dem Prozessraum 3 zugeleitet wird. Bei einer
Direkteinspritzung wird nur Frischluft zugeführt. In dieser Darstellung sind
ferner Kühlleitungen 20 durch
die Kolbenwellen 5 und die Schwenkkolben 4 durch
Strichlinien dargestellt. Die Kühlleitungen 20 sind
Anschlussleitungen 21 verbunden, durch die Kühlmedium
den Kolbenwellen 5 zugeführt wird und nach Durchlaufen
der Kolbenwellen 5 und der Schwenkkolben 4 erwärmt wieder
abgeführt
wird.
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Dem
Frischluftanschluss 19 gegenüberliegend angeordnet befindet
sich ein Auslasskanal 22, durch den das Abgas aus dem Prozessraum 3 abgeleitet
wird.
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Innerhalb
des Kurbelgehäuses 2 befinden sich
die an den Kolbenwellen 5 drehfest gelagerten Zahnräder 9 mit
der zwischen den Zahnrädern 9 angeordneten
Zahnstange 10, die bei ihrer oszillierenden Bewegung in
Führungen 23 geführt ist.
Die Zahnstange 10 und die Zahnräder 9 sind mit einer Pfeilverzahnung
ausgestattet, um eine Selbstzentrierung der Zahnräder 9 auf
der Zahnstange 10 zu erreichen. Außerdem ist die Pfeilverzahnung
im Vergleich zu anderen Verzahnungen höher belastbar und hilft zusätzlich,
den bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine entstehenden Lärm einzuschränken.
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Auf
der der Zahnstange 10 gegenüberliegenden Seite der Zahnräder 9 kämmen Gegenzahnstangen 16 mit
den Zahnrädern 9.
Die Gegenzahnstangen 16 gleiten entlang U-förmiger Führungskufen 17, die
an der Innenseite des Kurbelgehäuses 2 gefestigt sind.
In dieser Darstellung sind auch die jeweils einer Kolbenwelle 5 zugeordneten
Trägheitsscheiben 12 zu
erkennen.
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4 zeigt
eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine,
die ein Prozessgehäuse 101 und
eine Kurbelgehäuse 102 aufweist.
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Das
Prozessgehäuse 101 umgibt
einen Prozessraum 103, in dem sich an Kolbenwellen 105 angeordnete
Schwenkkolben 104 befinden. Das Prozessgehäuse 101 und
dessen Bestandteile entsprechen im Wesentlichen dem Prozessgehäuse 1 des ersten
Ausführungsbeispiels
gemäß 1.
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Der
wesentliche Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht in der
einstückigen
Ausgestaltung von Zahnstange 110 und Pleuel 113,
die in der 5 zu erkennen ist. Der Massenausgleich
für die
oszillierenden Massenkräfte
wird dadurch bewirkt, dass gegenläufig zur Bewegung der Zahnstange 110 zwei
Gegenzahnstangen 116 durch die Zahnräder 109 angetrieben
werden. Die Massenkräfte
werden dadurch gegeneinander aufgehoben, so dass obige Kräfte ausgeglichen
werden. Dies ist möglich,
da die Gegenmassen der Gegenzahnstangen 116 umgekehrt synchron
zur Zahnstange 110 gleiche Beschleunigungen in entgegengesetzte Richtungen
ausführen
und somit die oszillierenden Massenkräfte aufheben.
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Bei
der in den 4 bis 6 gezeigten Konstruktion
schwenken die Gegenzahnstangen 116 im Verbund mit einer Führungsgabel 118,
die im Wesentlichen U-förmig
ausgebildet ist. Alternativ kann die U-förmige Führungsgabel 118 durch
zwei den Schenkeln des U entsprechende Stangen ersetzt werden, die
an dem Pleuel 113 mit jeweils einem Ende befestigt sind.
Die Führungsgabel 118 ist
mit dem Pleuel 113 und dem Pleueldeckel 114 verklemmt,
so dass sie gleichzeitig mit dem Pleuel 113 verschwenkt
wird. Die Führungsgabel 118 wird
im Bereich der Gegenzahnstagen 116 an Gleitkufen 117 gleitend
geführt,
die verschwenkbar sind, um die Auslenkung der Führungsgabel 118 auszugleichen.
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Da
die Zahnstange 110 mit dem einstückig verbundenen Pleuel 113 verschwenkt,
ist sie konkav ausgebildet, damit sie nicht zwischen den Zahnrädern 109 verklemmt
bzw. um nicht ein zu großes Spiel
zwischen der Zahnstange 110 und den Zahnrädern 109 vorsehen
zu müssen.
Da sie ebenfalls eine Schwenkbewegung ausführen, sind die Gegenzahnstangen 116 auf
der der Zahnrädern 109 zugewandten
Seite konkav gewölbt.
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In 6 ist
die Verbrennungskraftmaschine aus 4 in einer
der 3 entsprechenden Querschnittsdarstellung gezeigt.
In der 6 sind die schwenkbaren Gleitkufen 117 zu
erkennen, an denen die Schenkel der U-förmigen Führungsgabel 118 entlang
gleiten. Da die Zahnstange 110 synchron mit dem Pleuel 113 (5)
verschwenkt wird, sind bei diesen Ausführungsbeispielen keine Zahnstangenführungen
vorgesehen. Die an der Zahnstange 110 vorgesehene Pfeilverzahnung
verhindert eine seitliche Bewegung.
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Beiden
Ausführungsbeispielen
ist gemein, dass der Prozessraum 3, 103 thermisch
von dem übrigen
Motor möglichst
getrennt ist, um möglichst schnell
die Betriebstemperatur im Prozessraum 3, 103 zu
erreichen. Dies erfolgt durch eine Isolationsschicht 25, 125,
die beispielsweise aus Keramik oder einem anderen geeigneten Material
bzw. einer Materialmischung besteht. Der Prozessraum 3, 103 ist
mit wenig Material umgeben, um die Wärmespeicherkapazität des Prozessgehäuses 1, 101 zu
minimieren. Dadurch kann eine signifikante Kraftstoffersparnis, insbesondere
bei Kurzstreckenfahrten eines Kraftfahrzeuges, erzielt werden.
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Da
weiterhin der Ausstoß schädlicher
Abgase des Verbrennungsmotors bei einem kalten Motor sehr hoch ist
und mit der zunehmenden Erwärmung des
Prozessgehäuses 1, 101 aufgrund
der exothermen Verbrennungsreaktion deutlich reduziert wird, wird
durch die thermische Entkopplung das Prozessgehäuse 1, 101 erheblich
schneller warm, weil nur geringfügig
aufgenommene Wärmeenergie
an andere Komponenten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise
das Kurbelgehäuse,
weitergeleitet wird. Im Ergebnis wird deutlich weniger schädliches Abgas
beim Starten und Anlassen des Motors an die Umwelt abgegeben. Insbesondere
bei Kurzstreckenfahrten und vollständiger Abkühlung, beispielsweise bei den
zeitversetzten Fahrten zur und von der Arbeitsstätte, hilft die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
den Ausstoß von
Umweltgiften zu verringern.