-
Die Erfindung richtet sich auf einen Hubkolbenmotor mit wenigstens einem Kolben mit periodisch sich änderndem Kolbenhub und einer von dem/den Kolben angetriebenen Arbeitswelle, sowie mit einer Hilfswelle, wobei die Arbeitswelle sich seitlich neben der Kolbenstange befindet und wenigstens einen etwa radial weg strebenden Antriebsvorsprung aufweist, wobei die Hilfswelle sich etwa auf der Längs- oder Bewegungsachse des Kolbens befindet, unterhalb des freien Endes der Kolbenstange, und ein Zahnrad trägt mit mehreren radial weg strebenden Vorsprüngen zum Anheben des Kolbens, mit denen ein etwa parallel oder koaxial zu der Längs- oder Bewegungsachse des Kolbens vorspringender Fortsatz am freien oder rückwärtigen Ende der Kolbenstange interagiert, und wobei die Arbeitswelle und die Hilfswelle drehfest miteinander gekoppelt sind.
-
Das Patent
DE 10 2004 042 873 B3 offenbart ein Zahnstangengetriebe mit periodisch sich änderndem Zahnstangenhub. Ziel dieses Patentes war es, einen Antrieb für einen 4-Takt-Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem im Auslasstakt (IV. Takt) des Kolbens kein Restvolumen im Verbrennungsraum verbleibt. Das hat den Vorteil, dass im folgenden neuen 1. Takt (Ansaugtakt des Kolbens) ein neues, reines Zündgemisch vorliegt und somit der Wirkungsgrad des Motors immer gleichbleibend hoch ist. Des weiteren führt der Ausschluss störender Verunreinigungen durch Abgasreste zu einer. höheren Lebensdauer des Motors. Allerdings bringt ein Zahnstangengetriebe, wie beispielsweise in der
DE 10 2004 042 873 B3 beschrieben den Nachteil mit sich, dass die Bewegungsänderungen der Zahnstange sehr abrupt erfolgen und daher große Trägheitskräfte wirksam werden, welche z.B. schnellere Abnutzungen, insbesondere an der Zahnstange oder den damit kämmenden Zahnrädern, zur Folge haben können.
-
In der
DE 10 2009 048 648 A1 sind Kolbenkraftmaschinen in Form von Wechselhubmotoren bzw. Heißgasmotoren offenbart, deren Kolben an einer Führungsstange befestigt sind, wobei die Führungsstange mittels ihrer Gabelholme eine geradlinige Abtriebswelle umläuft und an ihr zwei untereinander, einander entgegengesetzt gerichtete Rollen befestigt sind, die für die Herstellung einer desmodromischen Führung der Kolben mittels der oben angeordneten Rolle von oben in eine als Kurvenscheibe ausgebildete Antriebsscheibe und mittels der unten angeordneten Rollen von unten in eine als Kurvenscheibe ausgebildete Führungsscheibe eingreifen. Die Antriebsscheibe und die Führungsscheibe sind drehfest auf der Abtriebswelle befestigt, wobei zwischen der Antriebsscheibe und der Führungsscheibe eine drehbar auf der Abtriebswelle gelagerte Längsführung angeordnet ist, die beiderseitig in die Gabelholme der Führungsstange eingreift. Mittels der desmodromischen Führung der Kolben kann bei einer nach dem Viertaktverfahren arbeitenden Kraftmaschine der Arbeitstakt gegenüber dem Verdichtungstakt mit einem längeren Hub durchgeführt werden, sodass das verbrannte Kraftstoffluftgemisch weitergehender entspannt wird und hierdurch eine Verbesserung des Wirkungsgrads herbeigeführt wird. Weiterhin können bei als Heißgasmotoren ausgebildeten Kolbenkraftmaschinen mittels der desmodromischen Führung die Kolben während eines großen Drehwinkels in ihrem oberen Totpunkt verharren. Bei diesem Stand der Technik fehlt es an einer unterhalb des freien Endes der Kolbenstange angeordneten Hilfswelle, die mit der Arbeitswelle drehfest gekoppelt ist und ein Zahnrad trägt mit mehreren radial weg strebenden Vorsprüngen zum Anheben des Kolbens, mit denen ein etwa parallel oder koaxial zu der Längs- oder Bewegungsachse des Kolbens vorspringender Fortsatz am freien oder rückwärtigen Ende der Kolbenstange interagiert.
-
Das US-Patent
US 4 938 186 A offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Mechanismus zur Variation des Hubes eines Kolbens. Bei einem Verbrennungsmotor hebt sich ein Kolben innerhalb eines Zylinders derart, dass sich nach außen gerichtete Krafthübe mit nach außen gerichteten Ansaughüben abwechseln. Der Mechanismus umfasst neben einer Kurbel- oder Arbeitswelle noch eine Hilfswelle sowie ein Kniehebel-Gestänge mit einem Kraftübertragungshebel, der zwischen seinen Enden exzentrisch an der Kurbel- oder Arbeitswelle drehbar gelagert ist. Während ein Ende dieses Kraftübertragungshebels an dem Kolbenschaft angelenkt ist, befindet sich in dem anderen Ende eine Lagerung für ein Ende einer Pleuelstange, deren anderes Ende an der Hilfswelle exzentrisch gelagert ist. Indem der Kraftübertragungshebel an exzentrischen Elementen beider Wellen gelagert ist, welche mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren, ergeben sich bei aufeinanderfolgenden Hubbewegungen des Kolbens abwechselnd lange und kurze Hübe, wobei ein Arbeitshub kürzer ist als der Ansaughub. Auch bei dieser Anordnung ist die Hilfswelle nicht unterhalb des Kolbens angeordnet, um jenen anzuheben; vielmehr ist die Hilfswelle allenfalls indirekt mit dem Kolben gekoppelt, nämlich über die Pleuelstange und des Kraftübertragungshebel.
-
Die Offenlegungsschrift
DE 10 2007 008 945 A1 und das inhaltlich weitgehend identische Gebrauchsmuster
DE 20 2007 002 703 U1 beschreiben jeweils eine Vorrichtung zur bewegungsmäßigen Kopplung wenigstens einer rotierenden Welle mit wenigstens einem linear hin und her gehenden Körper, dessen Hublänge, d.h. der räumliche Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Totpunkten (OTP, UTP), sich periodisch ändert, wobei diese Koppelvorrichtung zwei drehfest miteinander gekoppelten Wellen umfasst, auf denen jeweils eine Nockenscheibe mit je zwei einander diametral gegenüber liegenden, erhabenen Bereichen festgelegt ist, wobei die Nockenscheiben regelmäßig mit dem linear hin und her gehenden Körper oder mit einem Fortsatz desselben in Kontakt treten. Dies wird erreicht, indem die Nockenscheiben nicht in einer parallelen Ausrichtung ihrer erhabenen Bereiche zueinander rotieren, sondern mit einem Winkelversatz, der berücksichtigt, dass die eine Nockenscheibe für die Takte I und III zuständig ist und die andere für die Takte II und IV. Demzufolge entspricht jeweils eine Umdrehung der Arbeitswelle einem vollständigen Arbeitszyklus des Zylinders mit vier Takten. Demzufolge müssen die beiden Wellen mit hohen Drehzahlen umlaufen, was für viele Anwendungsfälle eher ungünstig ist. Außerdem sind die Nockensheiben nicht symmetrisch aufgebaut, sondernweisen jeweils einen längeren Nocken auf zur Erreichung des höheren oberen Totpunktes OTP1 sowie einen kürzeren Nocken für die Takte vor und nach dem Erreichen des tieferen oberen Totpunktes OTP2. Aufgrund dieser asymmetrischen Nockenscheiben erhalten die beiden Wellen je eine Unwucht, die zu extrem hohen Vibrationen der schnell umlaufenden Wellen führt.
-
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, einen Hubkolbenmotor mit periodisch sich änderndem Kolbenhub derart weiterzubilden, dass die Kopplung des/der Kolben mit einer Arbeitswelle möglichst harmonisch erfolgt.
-
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass am Umfang der Arbeitswelle zwei Zahnräder angebracht sind, die direkt nebeneinander liegen, wobei ein Zahnrad Ansaugvorsprünge trägt, von denen während eines Ansaugtaktes jeweils einer eine Anlagefläche der Kolbenstange übergreift und dadurch den Kolben nach unten zieht, während das daneben liegende, zweite Zahnrad mehrere Antriebsvorsprünge trägt, die während des Arbeitstaktes von einer Anlagefläche der Kolbenstange in Drehrichtung der Arbeitswelle hintergriffen werden, um die Arbeitswelle weiter zu drehen.
-
Die oben beschriebene konstruktionstechnische Besonderheit der Erfindung hat gegenüber einem herkömmlichen Verbrennungsmotor den Vorteil, dass in dem Moment, in dem der Kolben im dritten Arbeitstakt den OTP2 erreicht hat und die Bewegungsrichtung des Kolbens im nächsten Takt umgekehrt werden soll, die Kraftübertragung auf die Arbeitswelle maximiert wird.
-
Bei Erreichen von OTP2 ist der Druck im Kolben und damit die potentielle Energie Epot maximal. Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren kann dieser Bereich der maximalen Energie allerdings nicht direkt und vollkommen auf die Arbeitswelle übertragen werden, da Pleuelstange und Kolbenstange quasi senkrecht aufeinander stehen. Ein Teil der Energie wird somit vergeudet, da nur ein minimaler Kraftarm an der Arbeitswelle angreift und somit die maximale potentielle Energie nicht in ein maximales Drehmoment umgewandelt werden kann. Dieser Nachteil wird durch den erfindungsgemäßen Konstruktionsaufbau beseitigt, da dort bei der Kraftübertragung von dem Kolben auf die Arbeitswelle der Kraftarm etwa einen Winkel von ca. 90° mit Druckkraft einschließt, wenn die potentielle Energie Epot maximal ist.
-
Da diese optimierte Kraftübertragung auf die Arbeitswelle jedoch nur in einem bestimmten Bereich (beispielsweise in einem 45°-Fenster) erfolgen kann, wogegen in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor die Kraftübertragung über einem Bereich von ca. 180° erfolgt, ist es ferner Inhalt der Erfindung, mehrere Zyklen pro Umdrehung der Arbeitswelle zu erlauben, um diesen vermeintlichen Nachteil auszugleichen.
-
Im Rahmen der Erfindung sind am Umfang der Arbeitswelle zwei Zahnräder angebracht, die direkt nebeneinander liegen. Dabei erfüllt das erste Zahnrad die Aufgabe, den Kolben im I. Takt nach unten bewegen zu können, um das zündfähige Gemisch anzusaugen. Die Vorsprünge, die dieses Zahnrad trägt, werden als Ansaugvorsprünge bezeichnet. Das daneben liegende zweite Zahnrad hat die Aufgabe, im III. Takt, dem sogenannten Arbeitstakt, die potentielle Energie im Kolben quasi verlustfrei auf die Arbeitswelle zu übertragen. Die Vorsprünge dieses zweiten Zahnrades werden als Antriebsvorsprünge bezeichnet.
-
Die Arbeitswelle und die Hilfswelle sind drehfest miteinander gekoppelt, bspw. durch ineinander greifende Verzahnungen.
-
Wenn sich die Hilfswelle etwa auf der Längs- oder Bewegungsachse des Kolbens befindet, unterhalb des freien Endes der Kolbenstange, so kann sie den Kolben ohne zu klemmen vertikal nach oben schieben.
-
Um nun ein Anheben des Kolbens, insbesondere im II. und IV. Takt, zu erreichen, müssen an der Hilfswelle mehrere radial weg strebende Vorsprünge vorgesehen sein, die vorzugsweise in alternierender Reihenfolge unterschiedliche Längen zeigen.
-
Ferner ist an der Kolbenstange, insbesondere am freien oder rückwärtigen Ende derselben, ein etwa parallel oder koaxial zu der Längs- oder Bewegungsachse des Kolbens vorspringender Fortsatz vorgesehen, als Pendant zu den Vorsprüngen an der Hilfswelle. Der Fortsatz der Kolbenstange steht während Takt II und Takt IV senkrecht auf dem jeweiligen Vorsprung der Hilfswelle, um im jeweiligen nächsten Takt (Absenken des Kolbens) in die Vertiefungen an der Hilfswelle hinabzugleiten.
-
Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dass am Umfang der Arbeitswelle n Antriebsvorsprünge vorgesehen sind, und zwar um jeweils 360°/n gegeneinander versetzt.
-
Die Arbeitswelle dreht sich jeweils innerhalb von n Arbeitszyklen einmal um sich selbst. So kann man durch die Anzahl n der Antriebsvorsprünge die Anzahl der Zyklen variieren und somit die erbrachte Arbeit des Motors erhöhen.
-
Die beschriebenen Antriebsvorsprünge sind so ausgelegt, dass sie im quasi rechten Winkel in die Kolbenstange eingreifen, um so ein maximales Drehmoment auf die Arbeitswelle im Augenblick des höchsten Druckes im Kolben zu erreichen.
-
Ein Antriebsvorsprung befindet sich somit während seines Eingriffs in einem Bereich der Lotlinie von der Arbeitswelle an die Längs- oder Bewegungsachse der Kolbenstange, also etwa bei einem Zentrumswinkel α von etwa 90° und damit quer Längs- oder Bewegungsachse der Kolbenstange. Durch diese Winkeleinstellung wird erreicht, dass die potentielle Energie im Kolben komplett in Drehmoment umgewandelt wird, und in diesem Winkelfenster ein maximaler Energieübertrag auf die Arbeitswelle zustande kommt. Da dieses Winkelfenster kleiner als bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren ist, sieht die Erfindung vor, mehrere Zyklen pro Umdrehung der Arbeitswelle zuzulassen.
-
Das an der Arbeitswelle angebrachte Zahnrad, welches die Ansaugvorsprünge trägt, ist ebenso dazu ausgelegt, die Kolbenstange nach unten zu bewegen. Allerdings wird die Abwärtsbewegung des Kolbens durch die Ansaugvorsprünge im I. Takt ausgeführt, wobei sich der Kolben hinab bis UTP bewegt. Dabei sind die Ansaugvorsprünge so konstruiert, dass die Arbeitswelle wenigstens einen etwa radial weg strebenden Ansaugvorsprung aufweist, der während des Ansaugtaktes eine Anlagefläche der Kolbenstange übergreift und dadurch den Kolben nach unten zieht.
-
Dabei hat es sich als sinnvoll erwiesen, dass der Ansaugvorsprung gegenüber dem Antriebsvorsprung für den selben Arbeitszyklus in Umfangsrichtung der Arbeitswelle um einen Zentrumswinkel α von etwa 180°/n versetzt ist.
-
Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, eine Hilfswelle zur Übertragung einer Hubbewegung auf den Kolben während des Verdichtungs- und des Ausstoßtaktes vorzusehen.
-
Die Arbeitswelle und die Hilfswelle drehen sich vorzugsweise in entgegengesetzte Drehrichtungen.
-
Die Vorsprünge, welche den Kolben zum Ausstoßen der verbrannten Gase nach oben schieben, sind länger als die Vorsprünge zum Komprimieren des zündfähigen Verbrennungsgemischs. Im komprimierten Zustand nimmt das zu verbrennende Gas ein Restvolumen im Kolben ein, und somit kann der Kolben nicht bis ans Ende der Verbrennungskammer geschoben werden. Beim Auslass hingegen ist es erwünscht, dass der Kolben komplett nach oben geschoben wird, um Restgase und Verunreinigungen komplett auszuschieben; somit ist jeweils der Vorsprung für den Auslaß (IV. Takt) länger als der Vorsprung für die Komprimierung (II.Takt).
-
Dabei entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Fortsatz an dem Kolben etwa den Querschnitt eines Zahnes einer Verzahnung aufweist. Diese Form erlaubt beim Senken und Heben des Kolbens ein möglichst reibungsfreies Laufen des Verbrennungsmotors.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
- 1 ein die Arbeitsweise des Kolbens veranschaulichendes Schema mit einer Darstellung der verschiedenen Totpunkte und der verschiedenen Arbeitstakte;
- 2 Zeitdiagramme eines existierenden 4-Takt-Verbrennungsmotors im Vergleich zu Zeitdiagrammen eines erfindungsgemäßen Motors;
- 3 eine perspektivische Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor, teilweise abgebrochen;
- 4 eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens;
- 5 eine Ansicht auf den erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor gemäß 3 in Richtung der Pfeile V bei einer Stellung am Anfang eines Arbeitstaktes;
- 6 eine Ansicht auf den erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor gemäß 3 in Richtung des Pfeils VI;
- 7 eine gesonderte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors in einer Ansicht gemäß 5, bei einer Stellung am Anfang eines Arbeitstaktes; sowie
- 8 einen Schnitt durch die 7 entlang der Linie VIII - VIII der gesonderten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors.
-
1 veranschaulicht die Bewegung eines Kolbens 1 mit Kolbenstange 2 in einer Verbrennungskammer 3 eines durch die erfindungsgemäße Konstruktion angetriebenen 4-Takt-Motors. Die 4 Takte des Motors sind wie üblich unterteilt in Takt I = Ansaugen, Takt II = Verdichten, Takt III = Arbeitstakt bzw. Verbrennung und Takt IV = Auslass.
-
In Takt I befindet sich der Kolben 1 in der Position OTP1 und wird zum Ansaugen des Gasgemisches abwärts bis in die Position UTP bewegt. Im folgenden Takt II, dem Verdichten, bewegt sich der Kolben 1 wieder nach oben bis zur Position OTP2, und in dem gewünschtem Restvolumen 4 liegt ein zur Zündung verdichtetes Gasgemisch vor. Das Restvolumen 4 bildet in dem Zyklus die Position mit dem maximalen Druck in der Verbrennungskammer 3 und zeigt somit den Punkt an, an welchem die maximale potentielle Energie Epot im System vorhanden ist. Somit steht zu diesem Zeitpunkt auch die größtmögliche Energie zur Übertragung von Kraft auf die Arbeitswelle zur Verfügung. Diese maximale Kraft wird hier durch die vorliegende Erfindung optimal ausgenutzt.
-
Im darauf folgenden Takt III, dem Arbeitstakt, wird der Kolben 1 wieder abwärts in die Ausgangsposition bei UTP bewegt. Im vierten und letzten Takt des Zyklus wird der Kolben 1 zum vollständigen Ausschub aller Verbrennungsabgase in die Position OTP 1 bewegt. Diese vollständige Entleerung der Verbrennungskammer bis auf OTP 1 ist erwünscht, damit keine restlichen Verbrennungsprodukte oder Verunreinigungen den Wirkungsgrad des neu beginnenden Zyklus verringern. Der Motor befindet sich nach Takt IV also wieder in der ursprünglichen Ausgangsposition UTP.
-
2 veranschaulicht mit Hilfe von Zeitdiagrammen den Unterschied eines herkömmlichen Verbrennungsmotors (Diagramm a), wobei ein Zyklus erst nach einer zweifachen Umdrehung der Arbeitswelle - also bei 720° - abgeschlossen ist (siehe Diagramm a), im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Motor, wobei ein Zyklus bereits nach einer einzigen Umdrehung der Arbeitswelle - also bei 360° - abgeschlossen ist (vgl. Diagramm b), oder bereits nach einer halben Umdrehung der Arbeitswelle - also nach 180° (vgl. Diagramm c), oder gar bereits nach 90° (vgl. Diagramm d).
-
Die 2 legt nahe, dass die Fläche unterhalb der Kurve in Diagramm a) geringer ist als die Fläche unterhalb der Kurve in Diagramm b), insbesondere wenn beim Stand der Technik die maximale Energie gar nicht umgesetzt werden kann.
-
Allerdings wäre dennoch die von dem erfindungsgemäßen Motor erbrachte Arbeit innerhalb eines einzigen Zyklus geringer als die von dem Motor gemäß Diagramm a geleistete Arbeit, weil ein Antriebsvorsprung zwar maximale Energie auf die Arbeitswelle überträgt, allerdings nur während eines winkelmäßig kleinen Eingriffsbereiches von ca. 45°, während einer herkömmlichen Konstruktion für die Kraftübertragung ein Winkelbereich von nahezu 180° zur Verfügung steht. Als Lösung für dieses Problem ist in den Diagrammen c bis d dargestellt, dass die Zyklenzahl heraufgesetzt werden kann. Diagramm b zeigt einen Zyklus bzw. 4 Takte pro Umdrehung der Arbeitswelle; beim Diagramm c entspricht ein Zyklus mit 4 Takten einer halben Umdrehung der Arbeitswelle, und im Diagramm d benötigt ein Zyklus mit 4 Takten nur eine Viertel Umdrehung der Arbeitswelle.
-
3 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors 5. Der Motor 5 umfasst eine Arbeitswelle 6, eine parallel dazu unterhalb der Arbeitswelle 6 verlaufende Hilfswelle 7 und einen Kolben 8 samt Kolbenstange 9. Zur besseren Veranschaulichung der Konstruktion der hier teilweise verdeckten Kolbenstange 9 zeigt 4 eine Detailansicht derselben.
-
Im Anschluss an den zylinderförmig ausgeführten Kolben 8 schließt sich unterhalb des Kolbens 8 im Zentrum seiner kreisförmigen Grundfläche eine runde Stange 10 an, die an ihrem unteren, dem Kolben 8 abgewandten Ende in einen demgegenüber querschnittlich erweiterten Stempel 9 übergeht. Der Stempel 9 kann aus einem Grundkörper von ebenfalls zylinderförmiger Gestalt gearbeitet sein, allerdings mit einer abgeflachten Vorderseite 11, in die eine Vertiefung 12 und eine Nut 13 eingelassen sind. Der Durchmesser des angedachten Zylinders für den Stempel 9 entspricht ungefähr dem Durchmesser des Kolbens 8 oder könnte sogar etwas größer sein als jener. Allerdings kann der Stempel 9 deutlich länger sein als der Kolben 8.
-
Die Nut 13 ist längs der gesamten Vorderseite 11 eingebracht, und folgt vorzugsweise einem Verlauf parallel zu der Stange 10. Innerhalb der Nut 13 kann eine sich von deren Boden erhebende Auskragung 14 angeordnet sein, die von ihrer Form und Größe her so ausgeführt ist, dass sich jeweils einer der Ansaugvorsprünge 15 der Arbeitswelle 6 dort - vorzugsweise von oben her - einhaken kann, um den Kolben 8 nach unten zu ziehen.
-
Die weitere Vertiefung 12 ist in der abgeflachten Vorderseite 11 des Stempels 9 entsprechend eines etwa trapezförmigen Tiefenprofils nach innen eingeformt und bietet somit die Möglichkeit, dass die jeweiligen Antriebsvorsprünge 16, welche auf der Arbeitswelle 6 seitlich von den Ansaugvorsprüngen 15 angebracht sind, dort weitgehend reibungsfrei hineingreifen können; ihre Aufgabe besteht darin, während der Abwärtsbewegung des Kolbens im Arbeitstakt von diesem die potentielle Energie Epot abzugreifen und auf die Arbeitswelle 6 zu übertragen. Wie in 3 verdeutlicht, sind die Ansaugvorsprünge 15 gegenüber den Antriebsvorsprüngen 16 um jeweils 45° versetzt.
-
An der Unterseite des Stempels 9 befindet sich ein im Querschnitt zahnförmiger Fortsatz 17, der mit einem Zahnrad 18 auf der Hilfswelle 7 interagiert. Die Form dieses Zahnes 17 entspricht vorzugsweise etwa der Form eines Zahnes des Zahnrades 18 und gleitet bei einer Drehung der Arbeitswelle unter Heben und Senken des Kolbens 8 auf den Zähnen des Zahnrades 18 entlang, um ein möglichst reibungsfreies Laufen des Verbrennungsmotors zu gewährleisten.
-
Der Motor 5 ist von einem Gehäuse 19 umgeben, das zur Veranschaulichung der Details im Inneren teilweise aufgebrochen dargestellt ist.
-
An den jeweils einander entsprechenden Enden der Arbeitswelle 6 und der Hilfswelle 7 ist - außerhalb des Gehäuses 19 - jeweils ein Zahnrad 20, 21 angeordnet; diese Zahnräder 20, 21 kämmen miteinander und bewirken dadurch, dass die beiden Wellen 6 und 7 in jeweils gegensätzlichem Drehsinn umlaufen; allerdings wäre auch eine Anordnung denkbar, wobei diese Wellen gleichsinnig umlaufen, bspw. wenn sie nicht direkt miteinander gekoppelt sind, sondern über ein Zwischenrad.
-
5 und 6 zeigen jeweils Schnittdarstellungen der in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung.
-
Die transversale Ansicht gemäß 5 gewährt einen Einblick in die Wirkungsweise der Ansaug- und Antriebsvorsprünge 15 und 16 an den Zahnrädern 22 und 23 auf der Arbeitswelle 6, sowie auf die Interaktion der Zähne 27 des Zahnrades 18 auf der Hilfswelle 7 mit dem Fortsatz 17 zu Beginn eines Arbeitstaktes.
-
Die Hilfswelle 7 befindet sich unterhalb der Arbeitswelle 6 und kann dieser gegenüber seitlich versetzt sein, wie die 6 erkennen lässt. Die Arbeitswelle 6 ist mit zwei in axialer Richtung hintereinander angeordneten Scheiben 22 und 23 ausgestattet, die mit Ansaugvorsprüngen einerseits und Antriebsvorsprüngen 15 und 16 andererseits versehen sind. Die Form der Antriebsvorsprünge 16 entspricht einer Auskragung 24 in Form eines gleichseitigen Dreieckes, wogegen die Form der Ansaugvorsprünge 15 zwar dreieckig ist, aber die obere Seite 25 jeweils länger als die untere Seite 26 ist, so dass sich eine sägezahnartige Form ergibt, die Antriebsvorsprünge 16 sind gegenüber den Ansaugvorsprüngen 15 um 45° versetzt.
-
Die Zahnräder 20 und 21 befinden sich außerhalb des Gehäuses und sind in dieser Darstellung rückseitig angebracht bzw. in 6 linksseitig und sollen gegenläufig kämmen.
-
Der zahnförmige Fortsatz 17 steht in der Zeichnung gerade auf dem Maximum eines jeweils kürzeren Zahns 27 des Zahnrades 18. Denn dieses Zahnrad 1 ist mit alternierend kürzeren und längeren, symmetrischen Zähnen 27 ausgestattet, die einander in einem Zentrumswinkel von ca. 22,5° abwechseln. Ein jeweils längerer Zahn 27 bewirkt die Aufwärtsbewegung des Kolbens 8 im Auslass-Takt bis zum oberen Totpunkt OTP1 und ermöglicht so ein vollkommenes Ausschieben der Verbrennungsgase bis dorthin. Dagegen unterstützt ein jeweils kürzerer Zahn 27 die Aufwärtsbewegung im II. Takt nur bis zum unteren Totpunkt OTP2 und führt daher nur bis zu einer begrenzten Verdichtung in dem verbleibenden Brennraum 4.
-
An dem Arbeitswellengehäuse 19 ist seitlich oben eine Verbrennungskammer 28 aufgesetzt, worin sich der Kolben 8 auf und ab bewegen kann. An der Kopfseite 29 der Verbrennungskammer 28 ist das Ansaugventil 30 und das Auslassventil 31 dargestellt. Die Unterseite 32 der Verbrennungskammer 28 ist mittig von einer Rundbohrung 33 durchsetzt, die exakt Platz für die zylinderförmige Stange 10 oberhalb des Stempels 9 bietet und somit die Auf- und Abwärtsbewegung erlaubt. Der Kolben und/oder die Stange 10 können einen prismatischen Querschnitt aufweisen, damit sich der Stempel während der Kolbenbewegung nicht um seine Längsachse drehen kann.
-
Die 7 und 8 zeigen den 5 und 6 etwa entsprechende Darstellungen einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Hierbei hat der oben beschriebene Stempel eine andere Form, nämlich etwa die Gestalt eines fensterartigen Rahmens 36 mit zwei zueinander etwa parallelen, vertikalen Längsseiten 35, zwischen/an denen sich mehrere Querstangen 37, 38 erstrecken, und dementsprechend können auch die mit diesen Querstangen 37, 38 interagierenden Antriebsvorsprünge 34 eine im Vergleich zu der vorherigen Ausführungsform abgewandelte Gestalt aufweisen.
-
Demnach ist der fensterartige Rahmen 36 nicht nur an einer Seite abgeflacht ausgeführt, sondern bildet eine ebene, rechteckige Rahmenkonstruktion 36, die in ihrem oberen Bereich von einer Stange 37 durchsetzt ist und eine weitere, seitlich nach außen ragende Querstange 38 aufweist. Dabei verläuft die Stange 38 parallel zu der Stange 37, aber auf einem Niveau unterhalb der Stange 37 sowie seitlich gegenüber jener versetzt - vorzugsweise in einer Richtung quer zu der Stange 37 wie auch in einer Richtung längs dazu. Eine Stange 37, 38 erlaubt ein Hintergreifen durch den Ansaugvorsprung 15 einerseits bzw. ein Übergreifen durch den Antriebsvorsprung 34 andererseits, und bewirkt dadurch eine optimierte Arbeitsweise des Hubkolbenmotors. Dabei wird ein Antriebsvorsprung 34 von der Stange 37 übergriffen und von dem Kolben 8 während des Arbeitstaktes III hinabgedrückt, während der Ansaugvorsprung 15 die Stange 38 während Takt I hintergreift und dadurch den Kolben 8 nach unten bewegt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kolben
- 2
- Stempel
- 3
- Verbrennungskammer
- 4
- Restvolumen
- 5
- Motor
- 6
- Arbeitswelle
- 7
- Hilfswelle
- 8
- Kolben
- 9
- Kolbenstange
- 10
- Stange
- 11
- Vorderseite
- 12
- Vertiefung
- 13
- Nut
- 14
- Auskragung
- 15
- Ansaugvorsprung
- 16
- Antriebsvorsprung
- 17
- Fortsatz
- 18
- Zahnrad
- 19
- Gehäuse
- 20
- Zahnrad
- 21
- Zahnrad
- 22
- Zahnrad
- 23
- Zahnrad
- 24
- Auskragung
- 25
- obere Seite
- 26
- untere Seite
- 27
- Zahn, Vorsprung
- 28
- Verbrennungkammer
- 29
- Kopfseite
- 30
- Ansaugventil
- 31
- Auslassventil
- 32
- Unterseite
- 33
- Rundbohrung
- 34
- Antriebsvorsprung
- 35
- Stempel
- 36
- Rahmenkonstruktion
- 37
- Stange
- 38
- Stange
