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Die Erfindung betrifft die Boxer-, Kurvenbahn-, Kurvenscheiben- und Hubkolbenmotoren.
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Der Boxermotor – durch horizontale und gegenläufige Zylinder-Kolben-Anordnung – hat zahlreiche Vorzüge gegenüber dem herkömmlichen Hubkolbenmotor: Ausgleichswellen und an den Kurbelwellenwangen vergossene Ausgleichsgewichte entfallen wegen der sich kompensierenden Massen- bzw. Kolbengegenbewegungen (Querkräfte an der Kurbelwelle werden aufgehoben), weniger Lager an Kurbelwelle, geringe Trägheit, flache und kurze Bauweise, vibrationsarmer Motorlauf und niedrigster Schwerpunkt im Fahrzeug. Der größte Nachteil bekannter Boxermotoren: doppelter Aufwand für zwei Zylinderköpfe und den Ventiltrieb; weiterer Nachteil: es findet, wie bei konventionellen Hubkolbenmotoren, das Abstützmoment der Kurbelwelle statt, weil die einander gegenüberliegenden Zylinder etwas versetzt zueinander angeordnet sind, und da diese quer zur Fahrtrichtung liegt, spürt man beim plötzlichen Gasgeben eine Neigung meistens zu rechter Seite, – je nach Drehrichtung der Kurbelwelle.
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Es hat immer wieder Versuche gegeben, den Kurbeltrieb durch kurbelwellenlose Triebwerke zu ersetzen. Beweggründe waren:
- – der Wunsch nach höherer Leistung, wozu man die Zylinderzahl erhöhen musste, dabei stieß man aber triebwerksmechanisch rasch an Grenzen,
- – Veränderung des Bewegungsgesetzes der Kolben zur Verbesserung des Gaswechsels (z. B. Verlängerung der Anlass-/Belüftungszeit),
- – Erhöhung des Verdichtungsgrads dank gleichmäßigem Verschleiß der Zylinderwände wegen des Fehlens der Kolbenseitenkräfte,
- – kleinere Reibung, weil die Kurbel-Pleuel-Triebwerke viele schmierbedürftige Gelenkflächen haben.
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Keine von erfinderischen Ideen für die kurbelwellenlosen Triebwerke konnte sich im Bereich „Verbrennungsmotoren” durchzusetzen, obgleich behalten diese Triebwerke in Pumpentechnik (für Radial- und Axialkolbenmaschinen) die Hauptposition. Es gibt folgende beeinträchtigende Faktoren für Einsatz der kurbelwellenlosen Triebwerke:
- – große Seitenkräfte an den Kolbenstangen,
- – Unstabilität der Rolle (als des Lastaufnahmeelements der Kolbeneinheit) auf der Kurvenbahn/Nockenwelle wegen der Verschiebung ihrer Achse entlang und der Verdrehung um die Achse der Kolbeneinheit,
- – ungünstiger Brennraum bei manchen Konstruktionen, siehe z. B. moderne Konstruktion von „Reg Technologies Inc.” in http://www.regtech.com/Radmax_Technology,
- – Schwierigkeit der Abschirmung der Kontaktflächen von den aus dem Brennraum durch Kolbenringspalten durchgedrungenen Gasen,
- – preisgünstige Großfertigung der Teile mit gekrümmten verschleißfesten Flächen wurde vor nicht langer Zeit mit Entwicklung keramischer Industrie und programmierter Schleifmaschinen möglich.
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Die entgegenhaltenden Erfindungen auf Grund des Konzeptes, das folgendes beinhaltet:
- – zwei Halter mit den in tangentialer Richtung angeordneten Positionen, in denen sich je ein Paar gegenüberliegende Zylinder befindet,
- – eine in den Zentralbohrungen der Halter sich drehende Triebwelle und
- – eine auf der Triebwelle zwischen den gegenüberliegenden Zylindern festgestellte Hubscheibe,
- – wobei jeder Zylinder eine Kolbeneinheit mit einem Drehelement beinhaltet, und gegenüberliegende Kolbeneinheiten sind paarweise verbunden und oszillieren zusammen, sind in folgenden Dokumenten aufzusuchen: DE 20 2007 015 140 U1 und MTZ 11/1997, 660, S. 7 „Gescheiterte Motorenkonzeptionen ...”, S. Zima. Im letzten Dokument ist der Herrman-Motor (der 20-30-er Jahre) geschildert, in dem jede Kolbeneinheit mit sinusförmiger Hubscheibe durch eine Rolle getrieben wird, und die Paare Rollen an gegenseitigen Stirnseiten der Hubscheibe abrollen.
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Ein großer Nachteil dieser Konstruktionen ist abwechselnd einseitige Kraftanlegung an die Hubscheibe.
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Das Ziel vorliegender Idee ist das Schaffen eines kurbelwellenlosen Boxermotors, der keine erwähnten Nachteile bekannter Boxer- und Kurvenscheibenmotoren aufweist.
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Es sind folgende Kennzeichnungen angegeben:
- AN
- – Ansaugventil,
- AUS
- – Auslassventil,
- B
- – Brennraum,
- C
- – Buchse (Zylinderlaufbuchse),
- EIN
- – selbsttätiges Einlassventil,
- G
- – Ventilsteuerscheibe,
- J
- – Rückstellfeder,
- H
- – Hubscheibe,
- i
- – Halter,
- K
- – Kolben,
- L
- – Rücklaufscheibe,
- M
- – Wärmetauschraum,
- P
- – Führung des Stützelements X,
- RH
- – Drehelement für Kraftanlegung von Hubscheibe H,
- RL
- – Drehelement für Kraftanlegung von Rücklaufscheibe L,
- S
- – selbsttätiges Sperrventil,
- ST
- – Stößel,
- T
- – Kolbenstange,
- TW
- – Triebwelle,
- U
- – Unterkolbenraum,
- W
- – Wärmetauscher,
- X
- – Stützelement der Drehelemente RH und RL,
- Y
- – Fixierelement,
- Z
- – Zylinder (Arbeitszylinder).
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Das Ziel wird dadurch erreicht, dass ein Boxermotor folgendes enthält:
- – zwei feststehende Halter i mit den in Umfangsrichtung angeordneten Zylinder Z, wobei sich je ein Zylinder vom ersten und zweiten Halter gegenüberliegen, wobei diese Zylinder Z je mit einem Zylinderkopf ZK und einer Kolbeneinheit fest angeordnet sind,
- – eine in den Zentralbohrungen der Halter i sich drehende Triebwelle TW,
- – eine auf der Triebwelle TW zwischen den Haltern i festgestellte Hubscheibe H,
- – wobei jeder Zylinder Z eine Kolbeneinheit mit einem Drehelement RH, wobei das Stützelement X das Drehelement RH umfasst, so dass ein Paar Drehelemente RH an gegenseitigen Stirnseiten der Hubscheibe H abrollt,
und dadurch gekennzeichnet, dass
- – die Hubscheibe H als symmetrisches Teil mit zentraler Spiegelebene ausgeführt ist, auf beiden Stirnseiten derer je ein gleiches, sinusförmiges Leitprofil spiegelartig zueinander gebildet ist, so dass sie Gegenbewegung der Kolbeneinheiten leisten,
- – Kolbeneinheiten der gegenüberliegenden Zylinder Z spiegelartig bezüglich der Hubscheibe H angeordnet sind.
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Es sind zwei Rücklaufscheiben L auf der Triebwelle TW spiegelartig betreffs der Hubscheibe H festgestellt, und auf einer der Stirnseiten jeder Rücklaufscheibe L ist je ein gleiches sinusförmiges Leitprofil spiegelartig zueinander gebildet, so dass Hub-H und Rücklaufscheibe L das Stützelement X durch ein Drehelement RH oder zwei Drehelemente RH + RL, und zwar beim Aufwärtsgehen – durch das Drehelement RH, beim Abwärtsgehen – durch das Drehelement RL, abwechselnd gegenseitig beaufschlagen.
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Oszillierende Bewegung der Kolbeneinheit wird erzielt:
- – das Aufwärtsgehen – dank der Hubscheibe H durch das Drehelement RH,
- – das Abwärtsgehen – dank der Rücklaufscheibe L, wobei, da Hub-H und Rücklaufscheibe L unterschiedliche Drehrichtungen leisten, erfolgt Kontakt des Stützelements X mit der Rücklaufscheibe L durch das Drehelement RL (das auch mit dem Stützelement X umgefasst wird), obwohl für langsam laufenden Motoren kann das Abwärtsgehen durch Kontakt der Rücklaufscheibe L mit dem Drehelement RH erfolgen. Das abwechselnde Abrollen des Stützelements X mit der Hub-H und Rücklaufscheibe L wird erzielt: durch Verschiebung („Nachgehen”) der Rücklaufscheibe L relativ der Hubscheibe H für z. B. 1–2 Grade oder/und dank der Unsymmetrie sinusförmigen Profils (siehe Nockenwelleprofil nach DE 1960459A ) der Hub-H oder/und der Rücklaufscheibe L. Das Abwärtsgehen für die langsam laufenden Motoren kann auch durch eine Rückstellfeder J geleistet werden, die gegenüberliegende Stirnseiten des Zylinders Z und des Stützelements X beaufschlagt.
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Vereinfachte Ausführungsvarianten des vorliegenden Motors:
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– Gesamtansicht eines Vierventilmotors,
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– 3D-Schnitt eines Zweiventilmotors bei Ansaugen und Ausstoßen,
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– 2D-Schnitt eines Zweiventilmotors bei Ansaugen und Arbeiten,
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– 2D-Schnitt eines Zweiventilmotors bei Verdichten und Ausstoßen,
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– Hubscheibe H und Rücklaufscheibe L eines Viertakters,
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– an der Ventilsteuerscheibe G eines Vierventilmotors;
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– Halter i,
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– Gesamtansicht eines Zweitakters,
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– Hub-H und Rücklaufscheibe L eines Zweitakters,
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– Ansaugen aus/durch Wärmetauschraum M,
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– – die Kolbeneinheiten.
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Zwecks der Realisation vom Viertaktverfahren ist ein Paar Ventilsteuerscheiben G über den Druckaufnahmeflächen der Schäfte von Ansaug-AN und Auslassventile AUS auf der Triebwelle TW festgestellt; auf einer Stirnseite der Ventilsteuerscheibe G sind die Leitprofile gebildet, so dass jedes Leitprofil erwünschter Hubkurve des Ventils (AN bzw. AUS) entspricht; Kontakt des Ventilschaftes mit dem Leitprofil durch eine Kugel erfolgt.
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Nichtverdrehung der Kolbeneinheit und Nichtverschiebung der Drehelement RH, RL werden dank dem Einsetzen von Fixierelementen (Stift, Kugel) Y an Kontaktflächen der Drehelemente RH, RL, des Stützelements X und des Stößels ST oder dank dem Einsetzen der Führungen) P realisiert ( – ).
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Weitere Ausführungsvarianten der Kolbeneinheit (effiziente Lösungen für sie zwecks Übernahme), lassen sich im Patentfonds unter den Dokumenten mit Titeln „Radialkolbenpumpe”, „Radialkolbenmaschine” und „Hochdruckpumpe” finden.
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Es wird empfohlen, das/die Einlassventil(e) EIN als selbsttätig(e) auszuführen, obwohl der Einsatz des Antriebs für es/sie zwecks seiner/ihrer rückartigen Öffnung durch daneben gedrehte Antriebswelle leicht realisierbar ist (siehe
WO 99/64734 ).
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Zwecks der Verkleinerung der Seitenkraft an der Kolbenstange T sind drei Lösungen vorzuschlagen:
- – es ist ( und ) ein Stößel St zwischen Stützelement X und Führungsteil des Zylinders Z eingesetzt,
- – es ist/sind eine/einige Führung(en) im Stößel ST ( ) oder am Zylinder Z ( und ) angebracht, so dass die Führungen) P ans Stützelement X gleitet(n),
- – es wird ( ) das Vorverdichten des Frischgases benutzt, erstens dank dem Abwärtsgehen vom Kolben K im Unterkolbenraum U, zweitens dank der Erwärmung vorverdichteten Frischgases im Wärmetauschraum M – der ist Verbundraum zwischen Brenn B- und Unterkolbenraum U sowie zwischen Zylinder Z und seiner Buchse C; Einlassventile EIN befinden sich unter dem Kolben K; Ansaugventile AN verbinden/absperren den Wärmetauschraum M mit/vom Brennraum B; Sperrventil S verbindet/absperrt den Wärmetauschraum M mit/vom Unterkolbenraum U; zwecks intensiven Wärmeaustausches im Wärmetauschraum M ist zellenartiger Wärmetauscher W in ihm untergebracht, in den Zellen deren vorverdichtetes Frischgas aus dem Unterkolbenraum U der Erwärmung und davon zusätzlicher Vorverdichtung ausgesetzt, dabei kühlt es Brennraumwände intensiv.
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Der wichtige Sachverhalt beim Einsatz des vorgeschlagenen Motors ist sehr große Füllung. Die Expansion warmer Luft für die konventionellen Motoren bedeutet die Verkleinerung des Volumens angesaugten Frischgases (diese Tatsache stoppte den Einsatz von Keramik für den Verbrennungsmotor mit eliminiertem Kühlsystem). Beim vorgeschlagenen Motor:
- – das Frischgas wird in das geschlossene Volumen des Unterkolbenraums U bei jedem Aufwärtsgehen eingesaugt, dann dort bei jedem Abwärtsgehen komprimiert und danach in den Wärmetauschraum M durchgedrängt;
- – dort wird dieses vorverdichtete Gas der Erwärmung von den Brennraumwänden und von den Zellenwänden des Wärmetauschers W zusätzlich komprimiert,
- – bei jedem Abwärtsgehen des Kolbens K bekommt der Wärmetauschraum M eine Portion komprimierten Frischgases aus dem Unterkolbenraum U, d. h. doppelte Portion des in den Brennraum B vorverdichteten anzusaugenden Gases bei einem Viertakt-Arbeitsspiel,
- – somit ergibt sich wesentlich größere Aufladung im Vergleich mit Aufladungssystemen.
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Der Strömungsverlust in den Zellen des Wärmetauschers M (wie auch in den Zellen des Katalysatorträgers) führt zur Dissipation kinetischer Energie durchströmten Gases mit der Umwandlung in seine Wärmeenergie, die nach außen nicht ausgeht, sondern in den Brennraum B einkommt – somit findet kein Wirkungsgradverlust statt.
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Dank dem Eliminieren des Verlustes von Wandwärme und ihrer Ausnutzung wird auch wesentliche Wirkungsgraderhöhung erzielt. Somit wird die vom Arbeitsraum abzuführende Wärme, die als unvermeidliches Böses (auf Grund derer bis 33% zugeführter Energie verloren geht) aufgenommen wird, vollständig ausgenutzt, so dass Bedarf an der Kühlung und der Aufladung entfällt. Aus diesem Grund werden Kühlsystem und Aufladungssystem aus dem Motorkonzept eliminiert. Da in den gegenüberliegenden Zylindern Z gleichzeitig gleiche Arbeitsvorgänge erfolgen (z. B. gleichzeitig gezündet) und gleiche, gegenseitig aufgehobene Kolbenkräfte stattfinden, sind Hubscheibe H und Triebwelle TW von schädlichen Drehmomenten entlastet – es finden nur die das Antriebsdrehmoment bildenden Kolbenkräfte statt.
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Die Arbeitsteile des vorliegenden Motors sind im Vergleich mit denen von den Radialkolbenmaschinen den kleineren Belastungen ausgesetzt, z. B. Radialkolbenpumpen der Firma „Bosch” mit Nockenwelle-Rolle-Triebwerk bei Durchmesser der Rolle – 10 mm, Durchmesser der Nockenwelle – 30 mm und 40 mm, min. Durchmesser der Kolbenstange – 6,1 mm arbeitet mit Druck 2000 bar, d. h. bei dutzenden Mal größerer Achsenkraft bzw. Hertzscher Pressung auf der Rollenkontur.
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Das Fehlen der Seitenkräfte von Kolben K ermöglicht höheren Verdichtungsgrad und bessere Abgaswerte dank kleinerem Verschleiß der Zylinderwände.
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Das Fehlen von Kurbelwelle, Kurbel, Pleuel und Kraftübertragungsmechanismus zwischen Triebwelle und Ventiltrieb ermöglicht rasche Startfähigkeit des Fahrzeugs.
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Da der vorliegende Motor ausgeglichen ist, kann man eine größere Umlaufgeschwindigkeit seiner Triebwelle – somit – größere Leistung erzielen.
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Der Motor hat zylindrische Form, welche für das Fahrzeug ideal ist.
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Das Eliminieren des Kühl- und Aufladungssystems verringert baulichen Aufwand des Motors, wesentlich vereinfacht und verbilligt ihn, erhöht seine Zuverlässigkeit sowie ermöglicht weitgehende Wartungsfreiheit.
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Es soll stark verringerte Störanfälligkeit erreicht werden:
- – guter Kaltstart – dank erwähnter starker Vorverdichtung und der Erwärmung des anzusaugenden Gases;
- – keine Frostschäden und keine Schlagempfindlichkeit – wegen dem fehlenden Kühlsystem – das begünstigt den Einsatz des Motors für Betrieb bei Extrembedienungen.
