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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubkolben-Verbrennermotor der ohne Kurbelwelle und Pleuel auskommt. Diese Erfindung ist für alle Mehrzylinder Fahrzeugmotoren, Flugzeugmotoren, stationäre Motoren, sowie für Hybridauto-Motoren verwendbar.
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Kurbelwellenmotoren sind aufwändig und kompliziert, sie haben sich aber bis heute behaupten können. Neuere Erfindungen von Verbrennermotoren, auch Motoren mit einer anderen, einfacheren Umsetzung der Hubbewegung in eine Drehbewegung sind immer noch zu aufwändig in der Herstellung und konnten sich daher nicht, oder mindestens nicht im größeren Umfang durchsetzen.
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uch für Hubkolbenmotoren die für die Umsetzung der Hubbewegung in eine Drehbewegung eine Kurvenscheibe verwenden, ist der Aufwand noch hoch und die technischen Möglichkeiten dieser Umsetzungsart werden nicht ausgeschöpft. In der Regel werden zusammengesetzte Kolben mit erheblichen Eigengewicht verwendet. Gerade bei den Massen wie Kolben, die ja einige tausend mal in der Sekunde im Verbrennermotor beschleunigt werden, spielt jedes Gramm Gewicht eine große Rolle bezüglich des Wirkungsgrades von Leistung und Kraftstoffverbrauch.
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In jüngeren Patentschriften
US 4,697,552 ,
US 5,992,356 ,
US 5,634,441 , die für Hubkolbenmotoren eine Kurvenscheibe verwenden, werden zusammen gesetzte Kolben verwendet. Weiterhin ist im Vergleich zu der mit dieser Patenanmeldung Hubkolbenmotor ohne Kurbelwelle und Pleuel, der Aufwand verschiedener Detail's zu hoch. Unter anderem werden zusätzliche Getriebe benötigt.
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Um wenigstens teilweise die zur Zeit in großen Stückzahlen hergestellten Hubkolben-Verbrennermotoren zu ersetzen, sollte ein solcher Motor mindestens erheblich einfacher und kostengünstiger hergestellt werden können, sowie auch technische Detail's wie Leistung und Kraftstoffverbrauch als Eckpunkte, besser sein.
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Die Aufgaben und Ziele dieser Erfindung sind: Die Vorteile bestehender Motoren zu nutzen, deren Nachteile zu umgehen, wirtschaftlich hohe Leistungen zu erhalten und eine wirtschaftlich erheblich günstigere Herstellung zu ermöglichen. So dass auch volkswirtschaftlich ein größerer Nutzen entsteht.
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Die Erfindung ist beispielgebend an einem 4 Zylinder 4-Takt Flugmotor dargestellt.
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Der nach dieser Erfindung ausgelegte Hubkolbenmotor hat im Gegensatz zu den bisher hergestellten Flugmotoren durch die wenigen erforderlichen Einzelteile ein erheblich geringeres Gewicht. Durch eine Untersetzung der Motordrehzahl für größere, langsamer laufende Propeller, die üblicherweise verwendet werden, ist kein zusätzliches Getriebe mehr erforderlich. Die Untersetzung wird durch die Formgebung der Kurvenscheibe erreicht, wie im weiteren Verlauf noch beschrieben wird. Da die Drehkraft des Motors durch eine glatte Arbeitswelle mit Bohrung oder auch einem Rohr erfolgt, kann durch die Bohrung auf einfache weise eine Blattverstellung der Propeller vorgenommen werden. Weiterhin ist es mit einer weiteren Kurvenscheibe und Arbeitswelle möglich, gleichzeitig zwei gegenläufige Propeller anzutreiben, eine Blattverstellung für beide Propeller ist ebenfalls möglich.
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Zum weiteren Verständnis dieser Erfindung liegen Zeichnungsblätter 1 bis 5 bei.
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In 1 ist das Prinzip dieser Erfindung dargestellt. Die Umsetzung Hubbewegung in eine Drehbewegung erfolgt innerhalb eines Doppelkolbens (1) mit zwei integrierten Rollen (2) und (3), der direkt eine Kurvenscheibe (4) mit einer glatten Arbeitswelle (5) verbunden ist und in eine Drehbewegung versetzt. Die Kurvenscheibe ist so hergestellt, das bei vollem Hub und Drehung, die Kurvenbahn der Kurvenscheibe immer an den beiden gegenüberliegenden Rollen in dem Doppelkolben kraftschlüssig anliegen.
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In 5 ist dargestellt wie mit einer zweiten Kurvenscheibe (4) sowie einer zweiten Arbeitswelle (5A) die ebenfalls innerhalb des Doppelkolbens (1) und den Rollen (2) und (3) laufen, gleichzeitig zwei gegenläufige Drehrichtungen ohne zusätzliches Getriebe erzeugt werden. Dieses ist bei Flugmotoren eine einfache Lösung um zwei gegenläufige Propeller direkt anzutreiben.
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Im Gegensatz zu ähnlivhen Erfindungen sind die Kolben nicht aus verschiedenem Teilen zusammen gesetzt, sondern bestehen aus einem Doppelkolben der aus einem Stück hergestellt ist. Es handelt sich dabei nicht um eine kleiner hergestellte Kopie zusammen gesetzter Kolben, sondern um einen einteiligen Doppelkolben, der mit erheblich geringeren Abmessungen und geringeren Gewicht hergestellt werden kann.
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Durch leichte Kolben werden beim Verbrennermotor weniger Massen beschleunigt, das bedeutet einen besseren Wirkungsgrad. Durch eine geringere Kolbenlänge ist eine geringere Baubreite des Motors gegeben. Bei Mehrzylinder Motoren mit mehreren hintereinander liegenden Zylinderreihen, wird eine deutliche Verkleinerung der Baumaße und ein geringeres Gesamtgewicht des Motors erreicht. Der einteilige Doppelkolben läuft in nur einer langen Zylinderbohrung. Dieser runde Doppelkolben 4 (1) hat in Längsrichtung zwei großzügig dimensionierte Durchbrüche oder Langlöcher, in denen sich die Kurvenscheibe (4) und in dem anderen Durchbruch die Arbeitswelle (5) beim Bewegungsablauf frei bewegen können, ohne mit dem Doppelkolben in Berührung zu kommen.
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Durch diese Durchbrüche oder Langlöcher ergeben sich bei runden Kolben, Verbindungsstege 4 (8) vom linken Kolbenteil zum rechten Kolbenteil durch stehengebliebenes Material und somit ein leichter Doppelkolben. Durch den geraden Kolbenlauf in der Zylinderbohrung können keine Kolbenkippungen stattfinden, die Kolbenhemden können daher kürzer gehalten werden.
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Die Übertragung der Verbrennungskraft und Hubbewegung erfolgt über zwei in dem Doppelkolben integrierte Rollen (2) und (3) Diese aus harten Material hergestellte Rollen haben an jeder Seite einen Lagerzapfen und laufen beidseitig in Nadellager (6) Für eine zuverlässige Ölschmierung der Nadellager und auch um Gewicht zu sparen, sind die Rollen durchbohrt, ebenfalls sind kleine Bohrungen in Höhe der Nadellager angebracht. Diese Rollen sind ebenfalls aus einem Stück hergestellt. Ein wichtiges Detail ist eine große Rollenbreite im Verhältnis zur Kurvenscheibe. Dadurch wird eine Berührung mit der drehenden Kurvenscheibe vermieden.
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Eine geringe Kolbendrehung ist allerdings nicht zu vermeiden sondern auch gewollt. Durch geringe Kolbendrehung, oftmals mit zusätzlichen Aufwand herbei geführt, erhöht hier die Lebensdauer der Kolben- und Zylinder Laufflächen. Bei genügend breiten Rollen läuft die Kurvenscheibe ohne zusätzliche Maßnahmen innerhalb der Toleranz und hat keine Berührung mit dem hin und her gehenden Doppelkolben.
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Wie schon erwähnt, erfolgt die Übertragung der Verbrennungskraft und Hubbewegung mittels der beiden Rollen (2) und (3) auf die Kurvenscheibe (4). Die Kurvenbahn der Kurvenscheibe für den rollenden Bewegungsablauf mit den beiden Rollen ist so hergestellt, das beide Rollen ständig und bei einer vollen Umdrehung kraftschlüssig an der Kurvenbahn anliegen.
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Mit einer Erhebung auf der drehenden Kurvenscheibe ist ein kompletter Hub bzw. eine komplette hin- und hergehende Bewegung des Doppelkolbens möglich. Eine Untersetzung mit ungeraden Zahlen, z. B. 3 Erhebungen auf der Kurvenscheibe bedeutet eine Untersetzung von 1:3 sinnvolle Untersetzungen sind 1:3 1:5 1:7 1:9 1:11 usw. Die dieser Erfindung beiliegenden Zeichnungen sind für eine Untersetzung von 1:3 dargestellt. Die Kurvenscheibe (4) kann mit einer Passfeder, die gleich als Sollbruchstelle verwendbar ist, mit der Arbeitswelle (5) verdrehsicher verbunden werden.
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Um hohe Drehzahlen des Motors zu erreichen, ist ein federndes oder elastisches Element zwischen den Rollen und der Kurvenscheibe unverzichtbar. Bei dieser Erfindung wird die Kurvenscheibe selbst zum federnden Element. Mit Aussparrungen in den Erhebungen auf der Kurvenscheibe wird der Querschnitt soweit verringert, das eine geringe, aber ausreichede Biegung, Federwirkung und Elastizität eintritt, siehe 3 (10) Voraussetzung für eine lange Lebensdauer ist die Verwendung von federharten Material für die Kurvenscheibe. Durch die so hergestellte Kurvenscheibe ergeben sich höhere Drehzahlen, ein weicherer Lauf und es werden Stoßbelastungen auf alle Kugellager und Nadellager verringert. Auch diese Kurvenscheibe (4) ist aus einem Stück hergestellt, durch die Aussparrungen verringert sich auch das Gewicht.
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Der Doppelkolben läuft in einer einzigen langen Zylinderbohrung im Zylinder und Motorgehäuse 2 (11) Das Zylinder und Motorgehäuse (11) ist ebenfalls aus einem einzigen ungeteilten Stück hergestellt, auch für Motoren mit mehreren Zylinderreihen wie 2 Die Kugellager (7) mit der Arbeitswelle (5) sind ebenfalls in einer durchgehenden, quer zur Zylinderbohrung liegenden Bohrung befestigt. Außerdem sind noch zwei Langlöcher oben und unten für einen freien Lauf der Kurvenscheibe vorhanden. Diese Langlöcher werden mit kleinen Ölwannen ähnlichen Abdeckungen mit Dichtungen und Schrauben befestigt und dienen wie beim Kurbelwellenmotor für den Ölvorrat der Schmierung und Kühlung für den Motor.
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Durch den erheblich geringeren inneren Freiraum innerhalb des Doppelkolbens und der Kurvenscheibe im Gehäuse, ist die Ölschmierung und Ölkühlung wesentlich einfacher zu realisieren. Bei Flugmotoren und Rückenflug kann sich auch in der oberen Abdeckung das Öl sammeln. Durch die Herstellung des Zylinder und Motorgehäuses aus einem Stück, sind keine Einzelzylinder nötig.
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Durch die Gesamtdetails des beschriebenen Hubkolbenmotors und den Bewegungsablauf ergibt sich noch ein weiterer, großer Vorteil. Für die Montage und Demontage dieses Motors können durch herausziehen der Arbeitswelle (5) die Kurvenscheibe und der Doppelkolben mit wenigen Handgriffen montiert oder demontiert werden. Wenn die Arbeitswelle entfernt wird, kann die Kurvenscheibe durch das obere oder untere Langloch im Gehäuse heraus genommen werden, anschließend kann der Doppelkolben einfach heraus geschoben werden. Durch diesen Vorteil kann der Motor einfach zusammen gebaut oder zerlegt werden, was bei der Herstellung und möglichen späteren Reparaturen hohe Kosten einspart.
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Die aus einem Stück hergestellte Arbeitswelle (5) besteht aus einer glatten Welle oder einem Rohr. Bei Anwendung als Flugmotor ist durch die innere Bohrung, mit z. B. einer Schiebestange, eine Blattverstellung des Propellers einfach möglich. Beide Enden der Arbeitswelle können für den Abtrieb und zusätzlichen Antrieb von Nockenwellen, Lichtmaschine, Ölpumpe usw. verwendet werden.
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Im Gegensatz zum Kurbelwellenmotor entstehen durch den hin und her laufenden Doppelkolben so gut wie keine Seitenkräfte auf die Zylinderwände, das sind gute Voraussetzungen um für die Verschleißteile wie Kolben und Zylinder, nach neuzeitlichen Methoden Keramikteile zu verwenden und den Ölverbrauch zu senken.
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Weiterhin ist bei Mehrzylindermotoren mit mehreren Zylinderreihen, siehe 2, mit einer glatten Arbeitswelle, eine echte Zylinderabschaltung mit geringen zusätzlichen Aufwand möglich. dabei werden nicht nur wie üblich die Ventile abgeschaltet, sondern der gesamte Bewegungsablauf einer Zylinderreihe incl. Doppelkolben stillgelegt. Bei Mehrzylindermotoren ist nur eine Arbeitswelle für alle Zylinderreihen notwendig. Ab zwei Zylinderreihen entsteht ein 4-Zylindermotor mit fast vollständigen Masseausgleich wie bei einem Boxermotor, bzw. besser, da keine Kurbelwelle und keine oszillierenden Pleuel vorhanden sind. Mit einer gewählten Untersetzung von 1:3 erhält man eine rotationssymetrisch laufende Arbeitswelle.
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Für die Anwendung von Hubkolben-Flugmotoren mit mehreren Zylinderreihen und gegenläufigen Propeller ergibt sich ein weiterer Vorteil. Die z. B. zweite Zylinderreihe wird nicht mit einer gemeinsamen Arbeitswelle (5) mit der ersten Zylinderreihe verbunden und betrieben wie in 2 gezeichnet, sondern getrennt mit einer inneren Arbeitswelle (5A), durch die Arbeitswelle bzw. Arbeitsrohr (5). Jede Zylinderreihe ist quasi ein eigener Motor mit Propeller. Die Enden der Abtriebswellen bzw. Rohre sind dabei sowie in 5 gezeichnet. Dadurch ist für diesen Zweck nicht nur ein verhältnismäßig einfacher Aufbau möglich, sondern auch eine höhere Sicherheit für den Flugbetrieb. Im Schadensfalle eines Motors, bzw. einer Zylinderreihe, kann mit dem anderen Motor bzw. Zylinderreihe und Propeller weiter geflogen werden. Dabei wird die z. B. ausgefallene, nicht funktionierende Zylinderreihe und der zweite Propeller nicht mitbewegt, sondern stehen still. Berücksichtigt werden muß aber einer zusätzlicher Aufwand für die Motorsteuerung.
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Die Kurvenscheibe. Ein normaler Kurbelwellenmotor hat durch die Geometrie der Kurbelwelle und Pleuel kein günstiges Verhältnis von Hub und Kraft in die Drehbewegung und kann auch nicht verändert werden. Erwiesen ist aber das z. B. mit Knickpleuelmotoren, mit denen diese Umsetzung verbessert wurde, z. B. durch längere Verweilzeit der Kolben im oberen Totpunkt bei gleichem Kolbenweg, beachtliche Kraftstoffeinsparungen und Mehrleistung erzielt wurden. Mit einer Kurvenscheibe ist eine Umsetzung des linearen Kolbenhubes in Millimeter zur Drehbewegung der Arbeitswelle in Winkelgrade wesentlich einfacher zu optimieren. Durch entsprechende Formgebung der Kurvenbahn der Kurvenscheibe kann diese Umsetzung nach vielen gewünschten Parametern, wie geringer Kraftstoffverbrauch, hohe Leistung oder aus Kombinationen verschiedener Parameter, bezogen auf den Arbeitshub hergestellt werden. Beispielsweise auch für verschiedene Kraftstoffarten.
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Eine Kurvenscheibe mit zunächst reinem Sinusverlauf kann durch Versuche und Weiterentwicklung für die gewünschten Parameter des Motors hergestellt werden. Voraussetzung ist allerdings das beide Rollen (2) und (3) im Doppelkolben (1) ständig und bei jedem Drehwinkel kraftschlüssig an der Kurvenscheibe (4) anliegen. Die Optimierung der Kurvenbahn bezieht sich auf den Arbeitshub. Saughub und Verdichtungshub kann man weitgehend vernachlässigen. Eine so nach Wunsch hergestellte Kurvenscheibe kann für Produktionsstückzahlen einfach durch kopieren der Muster-Kurvenscheibe hergestellt werden.
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Aussparrungen der Kurvenscheibe, siehe 3 (10) wurden schon erwähnt. Die Aussparrungen sind so groß gewählt, das der Querschnitt des stehenbleibenden Materials noch genügend große Festigkeit hat und die Kurvenscheibe nicht bei normalen Bewegungsablauf des Motors zerbricht. Andererseits aber eine geringe Nachgiebigkeit hat, damit zwischen den beiden Rollen (2) und (3) einerseits und der Kurvenscheibe (4) andererseits, eine elastische Verbindung besteht Durch diese Maßnahme ist vor allem bei hohen Drehzahlen ein sauberer und ruhiger Bewegungsablauf möglich. Auch Schlagwirkungen z. B. durch Fehlzündungen werden gedämpft, Stoßwirkungen auf alle Kugel- und Nadellager werden vermindert. Befürchtete Deformationen an Rollen und Kurvenscheibe haben sich bei diesem Motor in der Praxis nicht bestätigt.
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Mit einer zusätzlichen Kurvenscheibe direkt neben der Kurvenscheibe (4), die ebenfalls innerhalb des Doppelkolben (1) über die beiden Rollen (2) und (3) angetrieben wird, -aber in entgegengesetzter Laufrichtung- ist der Antrieb von zwei gegenläufigen Propeller für Flugmotoren möglich. Für diesen Zweck sind zwei Arbeitswellen bzw. Arbeitsrohre, ein inneres und ein äußeres Arbeitsrohr mit dazwischen liegenden Nadellager erforderlich, siehe 5 Ein Umkehrgetriebe ist nicht erforderlich. Der Motor muß aber in zwei Drehrichtungen gestartet werden. Auch für diese Anwendung kann eine Blattverstellung beider Propeller durch die Arbeitswelle bzw. Rohr vorgenommen werden. Dieses ist eine erheblich einfachere Lösung gegenüber allen derzeitigen Kurbelwellen-Flugmotoren für diesen Zweck.
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Alle Teile dieses beschriebenen Hubkolbenmotors, außer Zylinderköpfe, Kugellager, Nadellager, Zündkerzen und andere übliche Zukaufteile, können rationell auf CNC-Maschinen und aus Vollmaterial hergestellt werden. Selbst die Teile für einen Einzelmotor sind im Gegensatz zu anderen Motoren einfacher herstellbar.
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Dieser der Erfindung zugrunde liegende Hubkolbenmotor, in Verbindung mit modernen Zylinderköpfen, hat in jeder Hinsicht ein hohes technisches Potential für zukünftige Motor-Konstruktionen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Doppelkolben
- 2
- Rolle
- 3
- Rolle
- 4
- Kurvenscheibe
- 5
- Arbeitswelle
- 5A
- Arbeitswelle
- 6
- Nadellager
- 7
- Kugellager
- 8
- Verbindungsstege
- 9
- Kolbenringe
- 10
- Aussparrungen
- 11
- Zylinder und Motorgehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4697552 [0004]
- US 5992356 [0004]
- US 5634441 [0004]
