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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
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Der
Wärmeverlust
beim realen Arbeitsprozess innerhalb der Verbrennungskraftmaschine
führt zu
einer Aufheizung des Motors, insbesondere der Prozessraumwände, der
Schwenkkolben und der Kolbenwellen, und erfordert deren geeignete
Kühlung,
damit keine Bauteilüberhitzung,
keine Schmierölverkokung,
und kein Leistungsverlust in Folge eines Füllungsverlustes eintreten.
Eine gut ausgelegte Kühlung
und Schmierung sind somit Grundvoraussetzung für einen optimalen Betrieb des Motors,
damit die Reibung aller bewegten Bauteile und die Betriebstemperatur
innerhalb vorgegebener akzeptabler Grenzwerte ablaufen.
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Eine
gattungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
ist aus der
US 4,099,448
A bekannt. Nachteilig an der dort beschriebenen Verbrennungskraftmaschine
ist, dass die Schmierung schlecht kontrollierbar ist. Eine Verbrennungskraftmaschine
ist zudem aus der
FR
2 134 838 A5 bekannt. Auch die dort beschriebene Verbrennungskraftmaschine
hat den Nachteil, nicht kontrolliert schmierbar zu sein.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei einer Verbrennungskraftmaschine
mit Schwenkkolben einen möglichst
optimalen Betrieb bezüglich
der Schmierung und der Kühlung
zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei
einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs beschriebenen Art ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Schwenkkolben jeweils eine zur Innenwand des Prozessraumes
weisende und zu dieser korrespondierend geformt ausgebildete Lauffläche aufweisen,
in der zumindest eine Nut vorgesehen ist, in der ein Kolbenteilring
mit der Innenwand des Prozessraumes dichtend angeordnet ist und über die
ein Schmiermittel in dem Bereich der Lauffläche einbringbar ist. Das Schmiermittel,
bevorzugt ein geeignetes Öl,
hat die Aufgabe der Schmierung und Kühlung der bewegten Bauteile
der Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin dient das Schmiermittel
zum Abtransport von Verunreinigung und zur Neutralisierung chemisch
wirksamer Verbrennungsprodukte. Schließlich kann das Schmiermittel
ferner Kräfte übertragen
und Schwingungen dämpfen. Durch
die erfindungsgemäße Ölschmierung
bei einer Verbrennungskraftmaschine mit zwei Schwenkkolben können Schäden durch
langzeitliche Verschleißerscheinungen
deutlich vermindert werden.
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Für eine gleichmäßige Verteilung
des Schmiermittels in dem Bereich der Lauffläche des Schwenkkolbens bei
einem Schwenkvorgang ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, dass
die Nut und der Kolbenteilring sich vollständig über die Lauffläche des
Schwenkkolbens erstrecken und orthogonal zur Schwenkbewegung ausgerichtet
sind.
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Um
möglichst
wenig Schmiermittel über
die bei der Verbrennung im Prozessraum entstehenden Abgase abzuführen, ist
vorteilhafter Weise bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
vorgesehen, dass seitlich und parallel zu der Nut weitere Nuten vorgesehen
sind, in denen jeweils weitere, zusätzliche Kolbenteilringe angeordnet
sind und über
die das Schmiermittel aus dem Bereich der Lauffläche abstreifbar ist.
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Zur
Vermeidung von klebenden Sitzverkokungen ist bei einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Kolbenteilringe in der
Längsrichtung der
entsprechenden Nuten zyklisch mit der Schwenkbewegung der Schwenkkolben
wechselseitig verschiebbar sind.
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Gemäß der Erfindung
ist in den Schwenkkolben jeweils ein Leitungssystem für eine Zu-
bzw. Abfuhr des Schmiermittels zu und aus den Nuten vorgesehen,
das über
ein entsprechendes Leitungssystem in den Kolbenwellen mit jeweils
einer Schmiermittelpumpeinrichtung in Verbindung steht.
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Zudem
ist die Schmiermittelpumpeinrichtung in dem den jeweiligen Schwenkkolben
zugeordneten Ausgleichsgewicht angeordnet und sie weist bevorzugt
zumindest einen über
einen drehbar gelagerten Schwinghebel betätigbaren Pumpkolben auf.
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Zur
weiteren Kühlung
ist bei einem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
vorgesehen, dass in den Kolbenwellen und den Schwenkkolben jeweils
miteinander verbundene Kühlkanäle zum Durchströmen eines
Kühlmittels
vorgesehen sind.
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Schließlich ist
bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
zwischen den beiden Kolbenwellen ein Distanzelement angeordnet,
in dem weitere Kühlkanäle zum Durchströmen des
Kühlmittels
vorgesehen sind.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer detaillierten Beschreibung einer
Ausführungsform
unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert,
in denen:
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1 – eine schematische
Teilskizze einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zeigt;
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2 – eine vergrößerte Teildarstellung
eines Schwenkkolbens zeigt;
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3 und 4 – schematisch
skizziert die Anordnung von Kolbenteilringen illustrieren;
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5 – skizziert
ein Leitungssystem für
ein Schmiermittel zeigt,
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6 – schematisch
einen Schnitt durch ein Ausgleichsgewicht zeigt;
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7 bis 9 – schematisch
skizziert ein Leitungssystem in einer Kolbenwelle und einem Schwenkkolben
für ein
Kühlmittel
zeigen, und
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10 – einen
Längsschnitt
durch ein Distanzelement zeigt.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
mit zwei parallel zueinander ausgerichteten Kolbenwellen 2,
die um ihre jeweilige Längsachse verschwenkbar
in einem Prozessraum 4 mit einer Innenwand 6 angeordnet
sind. An jeder Kolbenwelle 2 ist jeweils ein Schwenkkolben 8 angeordnet,
so dass der Prozessraum 4 durch die Schwenkkolben 8 in zwei
Brennraume unterteilt ist. Die Schwenkkolben 8 weisen jeweils
eine zu der Innenwand 6 des Prozessraumes 4 weisende
Lauffläche 10 auf.
Die Lauffläche 10 ist
zu der Innenwand 6 korrespondierend geformt ausgebildet.
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In
der Lauffläche 10 der
Schwenkkolben 8 sind mittels Strichlinien in der 1 angedeutete
Nuten, eine mittlere Nut 12 und zwei seitliche Nuten 14, vorgesehen,
die parallel zueinander und orthogonal zu der Schwenkbewegung der
Schwenkkolben 8 ausgerichtet sind. In den Nuten 12 bzw. 14 ist
jeweils ein Kolbenteilring 16 bzw. 18 angeordnet.
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In
der 1 ist ferner ein zwischen den Kolbenwellen 2 angeordnetes
Distanzelement 20 zu erkennen, in dem Kühlkanäle 22 zum Durchströmen eines
Kühlmittels
vorgesehen sind. Schließlich
sind in dem Distanzelement 20 mehrere in Längsrichtung verlaufende,
geradlinige Aufnahmen 24 für Dichtleisten 26 derart
vorgesehen, dass die beiden Kolbenwellen 2 jeweils mit
dem Distanzelement 20 abdichtend angelagert sind. Aus reibtechnisch
vorteilhaften Gründen
kann über
entsprechende Leitungen 28 Schmiermittel den Aufnahmen 24 zugeführt oder
von diesen fortgeleitet werden.
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Die
Schwenkkolben 8 unterteilen den Prozessraumes 4 in
zwei Brennkammern, in denen wechselseitig jeweils eine Verbrennung
stattfindet. In der dann jeweils anderen Brennkammer findet ein Ladungswechsel
statt. Somit funktioniert die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
nach dem Prinzip eines doppelwirkenden Zweitaktmotors. Die bei Zweitaktmotoren übliche Schmierung
auf Basis eines Kraftstoff-Öl-Gemisches
ermöglicht
aber eine unkontrollierte Abgaszusammensetzung, die unter anderem
schädliche
Abgase verursacht. Um dies zu vermeiden, ist eine Frischölschmierung
der Schwenkkolben 8 an der Innenwand 6 des Prozessraumes 4 vorgesehen.
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In 2 ist
eine vergrößerte Teildarstellung eines
der beiden Schwenkkolben 8 aus der 1 mit der
Lauffläche 10 gezeigt.
In dieser sind die drei Nuten 12 bzw. 14 angeordnet,
in denen sich jeweils ein Kolbenteilring 16 bzw. 18 befindet.
Um ein Schmiermittel, beispielsweise ein geeignetes Öl, der mittleren Nut 12 zuführen zu
können,
ist eine entsprechende Schmiermittelzufuhrleitung 30 in
dem Schwenkkolben 8 vorgesehen, die durch Strichlinien
in der 2 angedeutet ist. Das Schmiermittel wird mittels
des Kolbenteilrings 16 in der mittleren Nut 12 auf
der Innenwand 6 des Prozessraumes 4 (1)
im Wesentlichen durch Fliehkräfte
gleichmäßig verteilt,
indem das Schmiermittel zur Mitte der Lauffläche 10 getrieben wird.
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Damit
das Schmiermittel nicht nur über
das bei der Verbrennung entstehende Abgas aus dem Prozessraum 4 entweicht,
dienen die in den beiden äußeren, seitlichen
Nuten 14 angeordneten Kolbenteilringe 18 zum Abstreifen
des Schmiermittelfilms von der Innenwand 6 des Prozessraumes 4.
Das entfernte Schmiermittel wird über die Nuten 14 und
mit diesen entsprechend verbundenen Schmiermittelabfuhrleitungen 32,
die ebenfalls durch Strichlinien in der 2 angedeutet
sind, aus dem Bereich der Lauffläche 10 fortgeleitet.
Die Rückströmung erfolgt hierbei
durch den hohen Gasdruck bei der Zündung, wenn sich die Schwenkkolben 8 in
der Nähe
der Totpunktlagen befinden.
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Anhand
der 3 und 4 wird die Anordnung der Kolbenteilringe 16 bzw. 18 an
der Lauffläche 10 in
den Nuten 12 bzw. 14 des Schwenkkolbens 8 illustriert.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
der Schwenkkolben 8 entlang der Längsrichtung der Kolbenwelle 2 die
Form eines an der Kolbenwelle 2 angeordneten Halbkreises
auf, so dass die Lauffläche 10 in
Längsrichtung
der Kolbenwelle entsprechend bogenförmig verläuft. Da die Kolbenteilringe 16 bzw. 18 dem
Verlauf der Lauffläche 10 folgen,
sind sie somit entsprechend halbringförmig.
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Um
eine klebende Sitzverkokung an der Innenwand 6 des Prozessraumes 4 (aus 1)
zu vermeiden und zum Zweck einer Selbstreinigung der Verbrennungskraftmaschine
sind die Kolbenteilringe 16 bzw. 18 innerhalb
der jeweiligen Nuten 12 bzw. 14 beweglich vorgesehen.
Die kleine verschiebende Bewegung wird durch jeweils zwei an den
beiden Endbereichen jedes der Kolbenteilringe 16 bzw. 18 vorgesehenen
Hubkolben 34 im Wechsel der Gasdrücke in dem Prozessraum 4 erzeugt.
Für die
drei Kolbenteilringe 16 bzw. 18 sind somit insgesamt
sechs Hubkolben 34 in jeder Kolbenwelle 2 vorgesehen.
Betätigt
werden die Hubkolben 34 hydraulisch bzw. pneumatisch über entsprechende
Hydraulik- bzw. Pneumatikleitungen 36.
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5 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
mit dem von einem Prozessgehäuse 38 umgebenen Prozessraum 4,
in dem der Schwenkkolben 8 und die Kolbenwelle 2 angeordneten
sind. Zur Versorgung der mittleren Nut 12 der drei in der
Lauffläche 10 des Schwenkkolbens 8 angeordneten
Nuten 12 bzw. 14 und des entsprechenden Kolbenteilringes 16 mit Schmiermittel
sind zwei Schmiermittelzufuhrleitungen 30 vorgesehen, die
in den äußeren Randbereichen
der Nut 12 enden und die in der 5 durch Strichlinien
angedeutet sind.
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Die äußeren Kolbenteilringe 18 in
den äußeren Nuten 14 dienen
als Abstreifer für
den Schmiermittelfilm an der Innenseite des Prozessgehäuses 38.
Das über
die Kolbenteilringe 18 aufgenommene Schmiermittel wird über die
beiden jeweils mit einer Nut 14 in einem etwa mittigen
Bereich verbundenen Schmiermittelabfuhrleitungen 32 wieder
zurückgeführt.
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Die
Fließrichtung
des Schmiermittels ist in der 5 durch
Pfeile angedeutet. Es ist offensichtlich, dass die Schmiermittelzufuhrleitungen 30 und die
Schmiermittelabfuhrleitungen 32 nicht direkt miteinander
verbunden sind. Die Schmiermittelleitungen 30 bzw. 32 in
dem Schwenkkolben 8 gehen in ein in der Kolbenwelle 2 integriertes
Leitungssystem 40 über.
Weiterhin sind in der 5 die Schmiermittelleitungen 28 (siehe
auch 1) in dem Distanzelement 20 gezeigt,
die zur Versorgung der Dichtleisten 26 mit Schmiermittel
dienen.
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Die
Kolbenwellen 2 sind beidseitig in Lagersitzen 42 des
Prozessgehäuses 38 gelagert.
Zur Abdichtung des Prozessraumes 4 in diesen Bereichen sind
in den Lagersitzen 42 für
die Kolbenwelle 2 jeweils spiralförmige Abdichtungen 44 vorgesehen. Durch
die spiralförmige
Ausgestaltung der Abdichtungen 44 ist der durch die Gasdrücke übertragene Schmiermitteltransport
aufgrund des längeren
Weges zumindest teilweise eingeschränkt. Dennoch ist ein gezielter
Schmiermitteltransport ermöglicht,
um eine ausreichende Schmierung der Kolbenwelle 2 in den
Lagersitzen 42 über
Schmiermittelzufuhrleitungen 46 bereit zu stellen.
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Unter
Bezug auf 6 wird nachfolgend die erfindungsgemäße diskontinuierliche
Schmiermittelzufuhr zu dem Schwenkkolben 8 erläutert. Zur
Steuerung und bedarfsgerechten Dosierung des Schmiermittels in dem
Bereich der Lauffläche 10 der Schwenkkolben 8 ist
jeweils eine Schmiermittelpumpeinrichtung in einem dem jeweiligen
Schwenkkolben 8 zugeordneten Ausgleichsgewicht 48 vorgesehen,
welches außerhalb
des Prozessraumes 4 an der entsprechenden Kolbenwelle 2 zum
Ausglei chen der Fliehkräfte
angeordnet ist, die auf die Kolbenwelle 2 aufgrund der
Masse des Schwenkkolbens 8 und dessen Schwenkbewegungen
einwirken.
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Hierzu
wird ein erster Schwinghebel 50, der drehbar um eine erste
Drehachse 52 in dem Ausgleichsgewicht 48 angeordnet
ist, durch einen gleitenden Kontakt mit einer außerhalb des Ausgleichsgewichtes 48 an
einer geeigneten Position angeordneten ersten Gleitkufe 54 nach
radial Innen gedrückt. Der
Schwinghebel 50 dient hierbei der Neutralisierung der bei
der Schwenkbewegung auftretenden Fliehkräfte. Durch die Drehbewegung
des Schwinghebels 50 wirkt dieser auf Pumpkolben in Form
eines ersten Tandemkolbens 56 derart ein, dass Öl bzw. Schmiermittel
in die Leitungen des Leitungssystems 40 (siehe 5)
eingeleitet wird. Über
das Leitungssystem 40 in Verbindung mit den Schmiermittelzufuhrleitungen 30 gelangt
das Schmiermittel somit in den Bereich der Laufflächen 10.
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Zur
Regelung des Hubvolumens der Schmiermittelmenge ist die Gleitkufe 54 extern
steuerbar vorgesehen, was durch den Doppelpfeil in der 6 angedeutet
ist. Wenn der erste Schwinghebel 50 den Bereich der Gleitkufe 54 aufgrund
der Schwenkbewegung des Ausgleichgewichts 48 verlässt, wird
der erste Schwinghebel 50 durch die Federkraft einer zwischen
dem Schwinghebel 50 und dem Ausgleichsgewicht 48 wirkenden
Schwinghebelfeder 58 wieder in seine Ausgangsstellung gebracht.
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Damit
lässt der
Druck auf den Tandemkolben 56 nach und dieser wird aufgrund
der Federkraft einer zwischen dem Tandemkolben 56 und dem
Ausgleichsgewicht 48 wirkenden Kolbenfeder 60 ebenfalls
zurückgeführt, so
dass über
die Leitung 62 Schmiermittel erneut dem Tandemkolben 56 zugeführt wird.
Ein zweiter Pumpkolben ist Teil eines zweiten Tandemkolbensystems 64,
das über
einen zweiten vergleichbaren Schwinghebel 66 in gleicher
Weise über
eine ebenfalls extern steuerbare zweite Gleitkufe 68 betätigt wird,
so dass bei jeder Schwenkbewegung des Ausgleichgewichts 48 der
Tandemkolben 56 und das Tandemkolbensystem 64 einen Pumpvorgang
für das
Schmiermittel ausführen.
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Zur
sicheren Vermeidung einer Überhitzung der
einzelnen Bauteile des erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
ist zusätzlich
zu der vorstehend beschriebe nen Schmiermittelkühlung ein weiteres, reines
Kühlsystem
auf Basis eines Kühlmittels vorgesehen,
beispielsweise übliches
Kühlwasser, das
anhand der 7 bis 10 nachfolgend
erläutert
wird. Die 7 zeigt dabei einen Querschnitt
und die 8 einen Längsschnitt durch die Kolbenwelle 2 mit
dem daran angeordneten Schwenkkolben 8. Ein zu beiden vorstehenden
Schnittdarstellungen jeweils senkrechter Schnitt ist in der 9 wiedergegeben.
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In
der Kolbenwelle 2 ist etwa mittig ein Kühlmittelzufuhrkanal 70 vorgesehen.
Der Kühlmittelkanal 70 ragt
hierbei einseitig in die Kolbenwelle 2 hinein. Ferner sind
Steigleitungen 72 vorgesehen, die von dem Kühlmittelzufuhrkanal 70 zu
einem Schwenkkolbenkühlkanal 74 aufsteigen.
Die Steigleitungen 72 befinden sich teilweise in der Kolbenwelle 2 und
teilweise in dem Schwenkkolben 8. Ferner ist eine von dem
Schwenkkolbenkühlkanal 74 ausgehende
Rückführleitung 76 vorgesehen,
die mit einem Kühlmittelabfuhrkanal 78 verbunden
ist. In dem Bereich, in dem die Kolbenwelle 2 aus dem Prozessraum 4 durch
das Prozessgehäuse 38 hindurch
nach außen
ragt, ist der Kühlmittelabfuhrkanal 78 um
den Kühlmittelzufuhrkanal 70 herum
und zu diesem koaxial angeordnet.
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Das
Kühlmittel
fließt
durch den Kühlmittelzufuhrkanal 70 zu
den Steigleitungen 72 und durch diese in den Schwenkkolbenkühlkanal 74.
Von dort strömt
das Kühlmittel
durch die Rückführleitung 76 in den
Kühlmittelabfuhrkanal 78.
Da in diesem Bereich, in dem der Kühlmittelzufuhrkanal 70 und
der Kühlmittelabfuhrkanal 78 koaxial
angeordnet sind, ein Gegenströmungssystem
realisiert ist, ist der Kühlmittelfluss
hinreichend groß zu
wählen,
so dass sich in dem Schwenkkolben 8 kein Wärmestau
bildet. Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Fließrichtung ist
auch eine entgegengesetzte Fließrichtung
des Kühlmittels
möglich.
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Um
den Schwenkkolben 8 fest und sicher mit der Kolbenwelle 2 zu
verbinden, sind Schraubverbindungen 80 vorgesehen, die
durch die Kolbenwelle 2 in den Schwenkkolben 8 hineinragen.
Der Schwenkkolben 8 und die Kolbenwelle 2 sind
mit einer geeigneten Abdichtung passgenau in Verbund mit einer Schraubpressung
verbunden. Zum Zwecke einer Schubsicherung der Verbindungsstelle
zwischen dem Schwenkkolben 8 und der Kolbenwelle 2 sind eingebaute,
ebenfalls passgenaue Schubsicherungsringe 82 vorgesehen,
so dass sowohl biegetechnisch als auch schubtechnisch der Schwenkkolben 8 und
die Kolbenwelle 2 als eine Einheit betrachtet werden können.
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In 10 ist
ein Schnitt durch das Distanzelement 20 mit dem angrenzenden
Prozessgehäuse 38 dargestellt.
Das Kühlmittel
fließt
durch die Kühlkanäle 22 (s.
auch 1) hindurch, um eine Wärmeableitung aus dem Distanzelement 20 zu
ermöglichen. Ferner
ist der 10 zu entnehmen, dass das Distanzelement 20 als
Schraubankersystem mit einem Spannanker 84 und einer Spannschraube 86 ausgebildet
ist. Dieses Spannankersystem bewirkt nicht nur eine Schubkraftübertragung
aus den Gaskräften, sondern
spannt auch die beiden Hälften
des Prozessgehäuses 38 axial
vor. Auf diese Weise wird durch das Spannankersystem auch eine Verformungssicherung
in Längsrichtung
der Kolbenwelle 2 des Prozessgehäuses 38 ermöglicht.
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Mittels
der vorstehend beschriebenen Schmierung und Kühlung kann die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
in einem optimalen, eingegrenzten Bereich in Bezug auf die Betriebstemperatur
betrieben werden, um Verschleißerscheinungen
weitgehend reduzieren zu können.