DE102013000253A1 - Verfahren zur Umsetzung einer oszillierenden Hubbewegung in eine Drehbewegung und eine nach diesem Verfahren arbeitende Kolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit einer neuartigen Umsetzung einer oszillierenden Hubbewegung in eine Rotationsbewegung. Dabei werden die Pleuels von bis zu vier Kolben zu einem einteiligen Kurbelpleuel zusammengefasst, wobei das Kurbelpleuel neben einer hin- und hergehenden Bewegung zusätzlich eine Drehung um 360° pro Hubzyklus vollzieht. Dadurch wird nicht nur der Aufwand, sondern auch bei gleichem Hub das Bauvolumen der Kolbenmaschine reduziert, – umso stärker je größer das Hub/Bohrungsverhältnis gewählt wird. Zudem werden Hub/Bohrungsverhältnisse ermöglicht, wie sie sonst nur mit Kreuzkopfkolbenmaschinen erreicht werden. Die neuartige Kolbenmaschine hat vor allem für 2-Taktmotoren erhebliche, zusätzliche Vorteile, weil sich mit der neuartigen Bauart zahlreiche Nachteile des 2-Taktmotors, wie z. B. höherer Öl- und Treibstoffverbrauch im Vergleich zu einem 4-Taktmotor, vermeiden lassen.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist eine neuartige Umsetzung einer oszillierenden Hubbewegung in eine Rotationsbewegung, die vor allem für Verbrennungsmotoren zahlreiche Vorteile aufweist.
• Stand der Technik
• Bei den herkömmlichen Kolbenmaschinen wird die hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens durch ein bewegliches Pleuel auf eine Kurbel übertragen, die dann die eigentliche Drehbewegung ausführt. Das Pleuel oszilliert dabei nicht nur in Richtung der Kolbenbewegung, sondern auch senkrecht zu dieser Richtung. Der maximale Hub des Kolbens entspricht dem doppelten Kurbelradius.
• Die Nachteile sind allgemein bekannt (siehe z. B. R. van Basshuysen, F. Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, 6. Auflage, 2012). Hervorzuheben sind vor allem die auf den Kolben wirkenden Seitenkräfte, die das Verhältnis von Kurbelradius und Pleuellänge auf einen Wert unter 0.35 begrenzen. Entsprechend groß muss die Motorblockhöhe ausgelegt werden. Bei Kreuzkopfmotoren werden die Seitenkräfte auf den Kolben zwar vermieden, aber um den Preis einer weiteren, deutlichen Vergrößerung der Motorblockhöhe. Darüber hinaus führt die laterale Bewegung des Pleuels zu zusätzlichen Schwingungsanregungen. Auch der nicht sinusförmige Verlauf der Hubbewegung des Kolbens in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbel erzeugt erhöhte Beschleunigungswerte, insbesondere im Bereich des OT. Die Unwucht der Kurbel in Verbindung mit dem Pleuel muss durch entsprechende Gegengewichte an der Kurbel ausgeglichen werden.
• Bei Motoren mit mehreren Zylindern wird die Kurbelwelle daher zu einem kompliziert geformten Bauteil mit hohen Herstellkosten, die zudem ein komplexes Schwingungsverhalten zeigt. Bei Motoren mit sternförmig angeordneten Zylindern reduziert sich die Kurbelwelle zwar meist wieder zu einer einfachen Kurbel mit Gegengewicht, dafür muss aber das Hauptpleuel so gestaltet werden, dass es die Lager für die Nebenpleuel aufnehmen kann. Dadurch erhöht sich die rotierende Masse, was einen entsprechend höheren Massenausgleich an der Kurbel erforderlich macht. Beim Sternmotor macht sich zudem eine große Bauhöhe von Kurbelkasten und Zylinderhöhe besonders ungünstig bemerkbar, weil sie in zwei Dimensionen wirkt. Bei Flugzeugmotoren führt dies zu einem entsprechend hohen, aerodynamischen Widerstand.
• Ist der Motor als 2-Takter ausgeführt, ergeben sich in der Regel zusätzliche Nachteile, insbesondere dann, wenn die Kolbenunterseite aus Kosten- und Platzgründen als Spülpumpe für den Ladungswechsel eingesetzt wird. Zum einen ist die Effizienz der Spülung durch das von der Kolbenbewegung verdrängte Volumen begrenzt und zum anderen werden die bei der standardmäßigen Schmierung im Kurbelkasten vorhandenen Öltröpfchen mit den Spülluft in den Brennraum eingetragen, was nicht nur zu einem hohen Ölverbrauch, sondern auch zu Problemen bei der Erfüllung der geltenden Abgasnormen führt. Letzteres Problem ist zwar bei Kreuzkopfmaschinen weitgehend gelöst, weil bei dieser Ausführungsform der Zylinderraum gegen den Kurbelkasten abgedichtet ist, jedoch ist dieser Maschinentyp wegen seiner großen Abmessungen auf Schiffsdiesel und stationäre Anlagen beschränkt.
• Aufgabenstellung
• Die Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, das Bauvolumen einer Kolbenmaschine bei gleichem Hub gegenüber einer herkömmlichen Kolbenmaschine deutlich zu verkleinern und dabei gleichzeitig die vorteilhaften Eigenschaften einer Kreuzkopfmaschine zu erhalten.
• Beschreibung der Erfindung
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die wirksame Pleuellänge und der wirksame Kurbelradius gleich groß sind und der Pleuelarm neben einer hin- und hergehenden linearen Bewegung zusätzlich eine Rotationsbewegung um 360° pro Hubzyklus ausführt. Zusätzlich werden die Pleuels mehrerer Kolben durch ein gemeinsames, einteiliges, pleuelartiges Bauelement ersetzt. Dieses pleuelartige Bauelement wird im Folgenden als Kurbelpleuel bezeichnet. Der Kolbenhub entspricht dabei dem Vierfachen der wirksamen Pleuellänge bzw. des Kurbelradius.
• Die technische Umsetzung dieses Prinzips kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwei zueinander senkrecht oszillierende Hubbewegungen, die gegeneinander versetzt liegen, durch eine Kurbel, die das Kurbelpleuel darstellt und die sich zwischen den beiden Hubbewegungen befindet, derart mit einander gekoppelt sind, dass die Mitte der Kurbel eine kreisförmige Bewegung ausführt.
• Die Erfindung ist anhand der folgenden Figuren näher erläutert:
• 1a zeigt schematisch das zugrunde liegende Prinzip der neuartigen Umsetzung einer Hubbewegung in eine Rotation im Vergleich zum Stand der Technik (1b). Die Ansicht ist senkrecht auf die Hubbewegungen und in Richtung der Rotationsachse des Kurbelpleuels.
• 2a zeigt eine Ansicht in Richtung der vorderen Hubbewegung und senkrecht zur Rotationsachse des Kurbelpleuels von 1. Im Unterschied zu 1 befinden sich die Hubbewegungen in 2a jedoch in der OT- bzw. UT-Position. In 2b ist das Kurbelpleuel nochmals gesondert dargestellt.
• 3 zeigt eine Tandemanordnung von 2a, wobei das rechte bzw. linke Kolbenpaar durch einen gemeinsamen Schlitten ersetzt ist, der senkrecht zur Zeichenebene oszilliert.
• 4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung nach 2a und b in der Ansicht von 1.
• 5 zeigt die Schnittzeichnung einer vorteilhaften Ausgestaltung der Baugruppe, die die Hubbewegung in eine Rotation übersetzt. Die Schnittebene enthält die Rotationsachse der Kurbelpleuelwelle und der Walze, in der die Kurbelpleuelwelle exzentrisch gelagert ist.
• 6 zeigt die Baugruppe von 5 in einer speziellen Ausführung in einer Ansicht in Richtung der Rotationsachsen.
• 7 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung von 4 in einer Schnittzeichnung wie 2a.
• 8a zeigt eine weitere Ausgestaltung in einer Ansicht wie in 2a. In 8b ist das zugehörige Kurbelpleuel gesondert dargestellt.
• Der prinzipielle Aufbau ist in 1a schematisch dargestellt. Der beiden Arme 1 und 2 von der Mitte 3 der Kurbel bis zu ihren Enden 4 bzw. 5 stellen dabei die jeweils wirksame Pleuellänge dar, während der Radius 6 der kreisförmigen Bewegung der Kurbelmitte 3 dem wirksamen Kurbelradius entspricht. Das Kurbelpleuel mit der kreisförmig bewegten Mitte 3 besteht somit aus zwei gleichlangen Pleuelarmen 1 und 2, die in der Mitte 3 aneinander stoßen und auf einer Linie liegen. Die Enden des Kurbelpleuels bzw. der Pleuelarme 1 und 2 sind als Zapfen ausgebildet, die jeweils in, vorzugsweise in der Mitte, einer der beiden Kolbenstangen 7 und 8 drehbar gelagert sind. Die Zapfen können aber auch jeweils in der Mitte der Kolbenstangen angebracht sein und drehbar in Radiallagern an den Enden der Pleuelarme 1 und 2 gelagert sein. Die Kolbenstangen 7 und 8 verbinden jeweils zwei Kolben zu jeweils einer starren Doppelkolbeneinheit 9 bzw. 10.
• Um die Bewegung des Kurbelpleuels in eine von außen nutzbare Drehbewegung zu überführen, ist das Kurbelpleuel so ausgeführt, dass die Mitte 3 des Kurbelpleuels als Welle 11 (siehe 2b) ausgebildet ist, an deren Enden jeweils ein Pleuelarm 1 und 2 angeformt oder befestigt ist. Die Welle 11 des Kurbelpleuels ist drehbar in einem rotierbaren Körper 12 gelagert (siehe 2a), der sich zwischen den senkrecht zueinander oszillierenden Hubbewegungen befindet und dessen Rotationsachse A-A durch den Mittelpunkt des Kreises geht, der durch die kreisförmige Bewegung der Kurbelpleuelmitte 3 bzw. -achse beschrieben wird, wobei die Rotationsachse der Kurbelpleuelwelle 11 und die Rotationsachse des Körpers 12 parallel zueinander liegen und der Abstand der beiden Achsen dem wirksamen Kurbelradius 6 entspricht. Die wirksame Pleuellänge 1 bzw. 2 und der wirksame Kurbelradius 6 sind gleich groß. Der rotierbare Körper 12 ist als Walze ausgeführt (siehe 2a. Die Walze ist aus Übersichtsgründen in 1a nicht dargestellt), die um ihre Achse A-A rotiert, wobei die Lage der Achse durch zwei Lager 13 und 14, die vorzugsweise an den Enden der Walze angebracht sind, relativ zum Maschinengehäuse bzw. Motorblock stabilisiert ist. Diese Walze wird im Folgenden als Kurbelwalze 12 bezeichnet.
• Der Motorblock besteht aus den beiden Doppelzylindern, die jeweils eine Aufnahme für die Lager 13 bzw. 14 besitzen und die zweckmäßigerweise so ausgeführt sind, dass sie mit einander zu einer starren, aber lösbaren Einheit verbunden werden können. Die Lösbarkeit ermöglicht die Montage der Kurbelwalze mit dem Kurbelpleuel zwischen den beiden Doppelzylindern. Der Motorblock kann auch aus vier gleichen Teilen aufgebaut sein, die miteinander entsprechend verschraubt werden können, wobei jedes Teil einen Zylinder enthält.
• Auf der Kurbelwalze 12 sitzt beispielsweise ein Zahnrad 15, über das die Drehbewegung nach außen geführt werden kann. Die Kurbelwalze 12 erfüllt zusätzlich die Aufgabe, die Kurbelpleuelwelle 11 gegen Verkippung zu stabilisieren. Hervorzuheben ist, dass die über das Kurbelpleuel eingeleiteten maximalen Druckkräfte in Richtung der „dicken” Seite der Kurbelwalze 12 wirken, also in den Bereich geleitet werden, der die Kurbelpleuelwelle 11 nicht enthält. Die Kurbelwalze 12 kann daher hohen Druckkräften, wie sie bei Verbrennungsmotoren oder Kompressoren im OT-Bereich auftreten, gut standhalten. Die Kolbenstange eines jeden Kolbenpaares wird, ähnlich wie bei einer Kreuzkopfkolbenmaschine, jeweils durch einen Gleitschuh, der in der Mitte der jeweiligen Kolbenstange angebracht ist und sich an Gleitschienen, die am Motorblock befestigt sind, abstützt (in 1a und 2a nicht dargestellt), linear derart geführt, dass die wirkenden Seitenkräfte in den Motorblock abgeleitet werden und nicht auf die Kolben wirken. Außerdem können weitere Gleitlager 16 an den Böden jedes Zylinderlaufbuchsenpaares 17 bzw. 18 als Dichtungen ausgeführt werden, so dass der Bereich, in dem die Umsetzung in die Drehbewegung erfolgt und in dem eine entsprechende Schmierung erforderlich ist, gegenüber den Zylinderlaufbuchsenräumen abgedichtet ist. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine erhält dadurch Eigenschaften einer Kreuzkopfmaschine. Im Vergleich zur Kreuzkopfmaschine ist der Vorteil des kleineren Bauvolumens besonders groß.
• Die erfindungsgemäße Ausführung ist in 1 einem konventionellen 2-Takt Sternmotor (1b, nur 2 Zylinder gezeigt) mit gleichem Hub und Kolbendurchmesser schematisch gegenübergestellt, um die Reduzierung der Bauhöhe deutlich zu machen. Der Vorteil der Bauhöhenreduzierung ist umso ausgeprägter je größer das gewählte Hub/Bohrungsverhältnis.
• Die prinzipielle Funktionsweise ist aus 1a und 2a zu ersehen. Betrachtet man die Bewegung eines einzelnen Kolbens vom OT zum UT, so erfolgt die Umsetzung der linearen Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung zunächst wie bei einer herkömmlichen Kolbenmaschine über Pleuelarm und Kurbelwelle, wobei letztere der Kurbelwalze 12 entspricht. Mit zunehmender Entfernung des Kolbens vom OT wird dann aber der Unterschied deutlich. Für die Kraftübertragung von einem Kolben bzw. Doppelkolben auf die Kurbelwalze 12 zur Drehmomenterzeugung ist nämlich bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nicht nur der diesem Kolben bzw. Doppelkolben gehörige Kurbelpleuelarm von Bedeutung, sondern auch der Kurbelpleuelarm des senkrecht gegenüberliegenden Doppelkolbens. Steht z. B. der Kurbelpleuelarm 2 des vorderen Doppelkolbens 10 senkrecht zu dessen Bewegungsrichtung (siehe 2a), so erfolgt die Kraftübertragung auf die Kurbelwalze 12 bzw. die Drehmomenterzeugung nur in Verbindung mit dem Kurbelpleuelarm 1 des senkrecht gegenüberliegenden Doppelkolbens 9, der sich an seinem linearen Gleitlager abstützt. Vom gegenüberliegenden Doppelkolben 9 wird in dieser Kurbelposition kein Drehmoment erzeugt, da sich die beiden zugehörigen Kolben in der OT bzw. UT Position befinden. Die Abstützung am linearen Gleitlager in dieser Position stellt auch sicher, dass, falls die Kurbelwalze 12 die Hubbewegung antreibt, z. B. beim Anwerfen eines Verbrennungsmotors, der in 2a gezeigte vordere Doppelkolben 10 nicht klemmt.
• Ist das Lagerspiel der Kurbelpleuelwelle 11 in der Kurbelwalze 12 geringer ausgelegt als die Lagerspiele der Zapfen des Kurbelpleuels in der Mitte der Kolbenstangen, dann können die Kolbenstangenmitten des vorderen und hinteren Doppelkolbens nicht gleichzeitig an ihren linearen Gleitlagern anliegen (außer für spezielle Kurbelwinkel). In diesem Fall stützt sich die Kolbenstangenmitte nur dann an seinem linearen Gleitlager ab, wenn sich ihre zugehörigen, beiden Kolben in einem Kurbelwinkelbereich von 45° vor bis 45° nach OT bzw. UT befinden. D. h. für die mittleren 70% des Hubweges der Kolbenstangenmitte ergibt sich keine Belastung des linearen Gleitlagers. In diesem mittleren Hubwegbereich erfolgt die Abstützung über die Kolbenstangenmitte des gegenüber liegenden Doppelkolbens, da sich dessen Kolben dann im Kurbelwinkelbereich OT – 45° bis OT + 45° bzw. UT – 45° bis UT + 45° befinden. Der Wechsel der Abstützung zwischen vorderem und hinteren Doppelkolben findet somit immer nach einer 90° Drehung der Walze bzw. des Kurbelpleuel statt. Nur beim Wechsel liegen kurzzeitig beide Kolbenstangenmitten gleichzeitig an ihren linearen Gleitlager an. Dies hat den Vorteil, dass im Bereich des mittleren Hubweges, wo die Hubbewegung am schnellsten ist, keine wesentlichen Lagerkräfte an den linearen Gleitlagern auftreten, wodurch die Reibleistung reduziert wird. Diese Besonderheit ist für eine gewöhnliche Kreuzkopfkolbenmaschine nicht gegeben.
• Die an den Kolbenstangen 7 und 8 auftretenden und durch die linearen Gleitlager abgefangenen Seitenkräfte werden teilweise reduziert, da ein Teil der notwendigen Kraftwirkung für die Verdichtung des Frischgases durch den am anderen Ende der Kolbenstange befindlichen Kolben erzeugt wird, in dessen Brennraum das Gas gerade expandiert. Erst in der Endphase der Verdichtung ist die Kraftwirkung durch die Kurbelwalze, angetrieben durch den gegenüber liegenden Doppelkolben, dominant. Diese direkt übertragene Kraftwirkung durch die jeweilige Kolbenstange führt generell zu einer geringeren Belastung aller Lager, so dass auch die Reibleistung in den Lagern vermindert wird. Günstig ist, dass der maximale Druck am OT eines Doppelkolbens nicht direkt auf das quer liegende Gleitlager des gegenüberliegenden Doppelkolbens wirkt, sondern über das Kurbelpleuel und die Kurbelwalze 12 vom Walzenlager 13 bzw. 14 aufgenommen wird, dass konzeptbedingt relativ groß und damit robust ist. Bei weiter zunehmender Entfernung des Kolbens vom OT bis zum UT rotiert das Kurbelpleuel mit den zugehörigen Kurbelpleuelarmen 1 und 2 um 180°, um dann auf dem Rückweg zum OT mit einer weiteren 180° Drehung schließlich eine ganze Umdrehung pro Zyklus zu vollenden. Die Drehungen von Kurbelpleuel und Kurbelwalze 12 sind dabei entgegen gesetzt.
• Die Fertigungstoleranzen, insbesondere was die Gleichheit von wirksamem Kurbelradius 6 und Pleuellänge 1 bzw. 2 betrifft, sollten kleiner als die notwendigen Lagerspiele sein. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass der Antrieb, vor allem in bestimmten Drehpositionen, klemmt. Dies gilt z. B. für die Position, wo der wirksame Kurbelarm der Kurbelwalze 12 und einer der Kurbelpleuelarme 1 oder 2 senkrecht zur Bewegungsachse des zugehörigen Doppelkolben stehen (Kurbelpleuelarm 2 in 2a). Eine Beeinträchtigung der Gleichheit aufgrund unterschiedlicher Erwärmung von Kurbelwalze 12 und Kurbelpleuel ist praktisch ausgeschlossen, da beide Bauteile nicht nur einen intensiven thermischen Kontakt haben, sondern auch in einem thermisch wenig belasteten Raum arbeiten. Auch ein Winkelverzug der senkrecht zueinander liegenden Zylinderbuchsen wird vermieden, da sich sowohl die mechanisch als auch thermisch bedingten Verspannungen im Wesentlichen nur in Richtung der Zylinderachsen aufbauen. Reichen die Lagerspiele ggf. nicht aus, kann als zusätzliche Maßnahme das Radiallager in der Mitte der Kolbenstangen, in dem die Zapfen des Kurbelpleuels gelagert sind, geringfügig als Langloch, wobei die lange Achse des Langlochs senkrecht zur Kolbenstangenachse steht, ausgeführt sein. Die Zapfen des Kurbelpleuels liegen dann im Betrieb definiert entweder an der einen oder anderen Seite des Langlochs an. Ein Anlagewechsel findet statt, nachdem der gegenüberliegende Doppelkolben gezündet hat.
• Beim Lagerspiel müssen auch leichte Verkippungen der Kurbelwalzenachse und der Kurbelpleuelwelle 11 berücksichtigt werden. Durch den hohen Druck auf den Doppelkolben, der sich am OT befindet, wird der Schmierspalt der Lager von Kurbelwalze und Kurbelpleuel auf dieser, hoch belasteten Seite verringert. Da der hohe Druck nur auf der Seite wirkt, auf der sich der Doppelkolben am OT bzw. UT befindet, und zudem auf die Kurbelwalze und das Kurbelpleuel ein leichtes Kippmoment ausübt, wird die Rotationsachse von der Kurbelwalze 12 und des Kurbelpleuels im Rahmen des Lagerspiels geringfügig gekippt. Dies muss insbesondere bei der Auslegung der in der Mitte der Kolbenstangen angebrachten Zapfenlager berücksichtigt werden.
• Obwohl es sich bei der Erfindung vorzugsweise um eine Vierzylinderkolbenmaschine handelt, kommt die Umsetzung der oszillierenden Bewegungen in eine Rotation mit nur vier bewegten Teilen aus, nämlich zwei Doppelkolben mit zugehöriger Kolbenstange, einem Kurbelpleuel und einem rotierenden Körper (Kurbelwalze), in dem die Achse des Kurbelpleuels exzentrisch gelagert ist. Bei einer herkömmlichen Kolbenmaschine werden vier einzeln bewegte Kolben und die zugehörigen Pleuels sowie eine Kurbelwelle, also neun bewegte Einzelteile, benötigt. Dementsprechend vermindert sich auch die Anzahl der Radiallager. Allerdings sind bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine zusätzlich lineare Führungslager für die Kolbenstangen erforderlich.
• Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine auch als Zweizylinder mit nur einem Doppelkolben und einem senkrecht gegenüber liegenden, linear geführten Schlitten, der die Kolbenstange des anderen Doppelkolbens ersetzt und in dem das andere Ende des Kurbelpleuels drehbar gelagert ist, betrieben werden. Allerdings fällt dann der Vorteil der Reduzierung bewegter Teile weg. Wird an den Schlitten 31, der durch ein lineares Gleitlager 33 geführt wird, ein zweiter Doppelkolben mit Kurbelwalze und Kurbelpleuel um 180° gedreht angeflanscht (3), wobei das freie Ende dieses Kurbelpleuels mit seinem Zapfen in dieselbe Bohrung des Schlittens wie das gegenüberliegende Kurbelpleuel des ersten Doppelkolbens/Kurbelwalze greift, dann erhält man eine Anordnung, bei der die beiden Doppelzylinder in einer Reihe liegen und die beiden Doppelkolben gegeneinander oszillieren. Da in diesem Fall die beiden Kurbelwalzen gegensinnig rotieren, ist es vorteilhaft, wenn der Zahnkranz, der jeweils auf einer Kurbelwalze sitzt, als Kegelverzahnung so ausgeführt ist, dass die beiden Zahnkränze 15a und 15b durch ein weiteres, zwischen ihnen sitzendes Kegelzahnrad 32 formschlüssig miteinander verbunden werden können. Von diesem weiteren, symmetrisch belasteten Kegelzahnrad kann dann die erzeugte Drehbewegung in vorteilhafter Weise nach außen geführt werden. Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung ist, dass sich damit gleiche Zündabstände realisieren lassen und sie daher auch als 4-Takt-Motor betrieben werden kann.
• Hervorzuheben ist, dass die Hubbewegung jedes Kolben bzw. Doppelkolbens anders als bei einer herkömmlichen Kolbenmaschine einer exakten Sinusform mit dem Drehwinkel folgt. Dadurch bleibt der Kolben über einem größeren Drehwinkelbereich in der OT Position, was bei Verbrennungsmotoren den Verbrennungsprozess mehr in Richtung Gleichraumverbrennung und damit zu höheren, thermischen Wirkungsgraden verschiebt. Andererseits steht dafür im 2-Takt-Betrieb am UT ein entsprechend kleinerer Winkelbereich für den Ladungswechsel zur Verfügung. Der größere Drehwinkelbereich in der OT Position bedeutet darüber hinaus, dass die Kraftübersetzung von der Walze und des Kurbelpleuels auf den Kolben in der letzten Phase der Kompression entsprechend größer ist, was vor allem für Motoren mit hoher Kompression günstig ist. Vorteilhaft ist auch, dass durch die sinusförmige Bewegung geringere maximale Beschleunigungswerte auftreten.
• Günstig für einen höheren thermischer Wirkungsgrad ist weiterhin die Möglichkeit, mit der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine deutlich unterquadratische bzw. langhubige Hub-Bohrungs-Verhältnisse zu realisieren, ohne dass dabei die Bauhöhe unakzeptabel groß wird. Hub-Bohrungsverhältnisse mit einem Wert über 2 sind bei entsprechender Auslegung realisierbar. Auch der normalerweise dadurch entstehende Nachteil größerer, rotierender Massenkräfte und höherer Seitenkräfte auf den Kolben wird mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform vermieden (siehe Ausführungsform in 4).
• Nachteilig ist hingegen, dass bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine in der besonders vorteilhaften, kreuzförmigen Anordnung der Doppelzylinder/Doppelkolben im 4-Takt-Betrieb eine ungleichmäßige Zündfolge entsteht. Darüber hinaus muss bei den meisten Anwendungen die Drehbewegung der Kurbewalze über eine Zahnradpaarung oder einen Kettenantrieb nach außen geführt werden. Während letzteres technisch kein Problem darstellt, verbietet die ungleichmäßige Zündfolge bei der kreuzförmigen Anordnung in aller Regel den Einsatz als 4-Taktmotor.
• Da die Länge der Kurbelwalze kein kritisches Maß ist, können auf die Kurbelwalze nicht nur ein Zahnrad, sondern ggf. weitere Bauteile, wie z. B. eine Kupplung oder sogar ein Schaltgetriebe, gesetzt werden.
• Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine erfordert keine wesentlichen Änderungen im Brennraum- und Zylinderkopfbereich gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren, so dass die bestehenden Erfahrungen und konstruktiven Lösungen aus dem bekannten Motorenbau übernommen werden können.
• Hinsichtlich der Spülung des Brennraumes ist man gegenüber konventionellen 2-Takt-Motoren nicht eingeschränkt. Im Gegenteil, dadurch das die Gleitlager bzw. Dichtungen 16 der Kolbenstangen den Raum, in dem die Umsetzung in die Drehbewegung stattfindet, gegenüber dem Raum, in dem sich die Kolben bewegen, abdichten, gelangt, falls die Kolbenunterseite als Spülpumpe benutzt wird, deutlich weniger Öl in die Spülluft. Die Spülung kann weiter verbessert werden, wenn jeweils auf der zur Kurbelwalze 12 abgewandten Seite in der Mitte der jeweiligen Kolbenstange eine in beide Richtungen wirkende Kolbenscheibe, die sich z. B. in einem halbzylindrischen Raum mit der Kolbenstange hin und her bewegt, als zusätzliche Spülpumpe angebracht wird, die die bekannte Spülung durch die Unterseite der Antriebskolben unterstützt, ggf. sogar ersetzt. Dadurch kann die Spülung so verstärkt werden, dass z. B. bei einer Gleichstromspülung eine einfache und sehr effiziente Aufladung der jeweiligen Brennräume möglich wird. Die Steuerung des Auslassventils im Falle einer Gleichstromspülung kann in herkömmlicher Weise, z. B. über Stösselstangen oder mit einer elektromechanischen Ventilsteuerung, erfolgen.
• Ausführungsbeispiele
• In 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der das in 1 und 2 gezeigte zweiarmige Kurbelpleuel als Welle 11 ausbildet ist, an deren Enden jeweils eine kreisförmige Scheibe 19 bzw. 20 exzentrisch angeformt ist. Die Baugruppe Kurbelwalze-Kurbelpleuel ist in 5 nochmals gesondert als Schnittzeichnung dargestellt, wobei die Drehpositionen von der Kurbelwalze 12 und dem Kurbelpleuel zueinander so angeordnet sind, dass alle Rotationsachsen in der Schnittebene liegen. Bezogen auf die Achse der Welle 11 liegen die beiden Scheiben 19 und 20 um 180° zueinander versetzt. Der Abstand von der Wellenachse zum Mittelpunkt der jeweiligen Scheibe 19 bzw. 20 bildet die jeweils wirksame Pleuelarmlänge 2 bzw. 1. Die Wellenachse liegt exzentrisch zur Kurbelwalzenachse A-A, wobei der Abstand der beiden Achsen zueinander (wirksamer Kurbelradius 6) gleich dem Abstand der Achse der Exzenterscheibenwelle zum jeweiligen Scheibenmittelpunkt (wirksame Pleuellänge 1 bzw. 2) ist. Auf der Kurbelwalze sitzt ein Zahnrad 15.
• Da das Kurbelpleuel vorzugsweise aus einem Teil gearbeitet ist, muss die Kurbelwalze mindestens zweiteilig aufgebaut sein, um das Kurbelpleuel aufnehmen zu können. Eine einfach zu fertigende Bauform der Kurbelwalze besteht aus einem mondsichelförmigen Innenteil 21, dessen äußerer Radius etwas größer ist als der Radius der Exzenterscheiben 19 bzw. 20, und einem Ring 22, der das Innenteil 21 konzentrisch umschließt (6). Das Innenteil 21 wird zunächst als Vollzylinder in den Ring 22 gesteckt. In diese zweiteilige Kurbelwalze wird dann die exzentrische Bohrung für die Lagerung der Kurbelpleuelwelle 11 gesetzt. Das jetzt mondsichelförmige Innenteil 21 wird anschließend aus dem Ring 22 heraus genommen und dann zusammen mit dem Kurbelpleuel, wobei das Kurbelpleuel relativ zum Innenteil 21 so gedreht wird, das eine der Exzenterscheiben 19 oder 20 konzentrisch zum äußeren, kreisförmigen Umfang des Innenteils liegt (hintere Exzenterscheibe 20 hinter Innenteil 21 in 6), wieder in den Ring 22 geschoben. Anschließend wird der Ring 22 und das Innenteil 21 durch einen Stift oder Schraube gegen Drehung gesichert. In einer weiteren Variante wird das Kurbelpleuel zunächst zweiteilig gefertigt. Anschließend werden die beiden Teile in der exzentrischen Bohrung der Kurbelwalze so zusammengeschweißt, dass die Drehbarkeit des Kurbelpleuels in der exzentrischen Bohrung erhalten bleibt. Auf die Demontierbarkeit der Baugruppe wird in diesem Fall verzichtet.
• Die Kolbenstange 7 bzw. 8 in 4 hat eine rechteckige Querschnittsform, dessen schmale Seite ggf. entsprechend dem Radius der Laufbuchse gerundet sein kann und dessen lange Seite sich über den gesamten Durchmesser der Laufbuchse 17 bzw. 18 erstreckt. Ist in der Mitte der Kolbenstange 7 bzw. 8, wie oben beschrieben, jeweils eine Kolbenscheibe zur Verbesserung der Spülung angebracht (in 4 nicht dargestellt), kann die Querschnittsform ggf. auch T-förmig ausgeführt sein, um die Durchbiegung der Kolbenscheiben bei der Verdichtung der Spülluft zu minimieren. Die schmale Seite liegt mindestens in der Mitte der Kolbenstangen an dem durchgehenden Teil 23 der Zylinderwand (in 4 nur für vorderen Doppelkolben dargestellt), die die beiden zu einem Doppelkolben gehörigen Zylinderbuchsen verbindet, an. Der durchgehende Teil 23 bildet das lineare Führungslager, dass die über das Kurbelpleuel auf die Kolbenstangen wirkenden Seitenkräfte abstützt und in den Motorblock leitet. Zu diesem Zweck ist eine Mindestbreite der schmalen Seite der Kolbenstange und des linearen Führungslagers erforderlich. Letzteres gilt auch für die kreisförmigen Exzenterscheiben 19 und 20, die jeweils in einer entsprechenden Aussparung in der Mitte der Kolbenstangen drehbar gelagert sind. Bei hohen Verbrennungsdrücken können die zu einem Doppelzylinder gehörigen Zylinderköpfe darüber hinaus durch Zuganker mit einander verbunden sein, wobei die Zuganker im Bereich der Kurbelwalzenlager im Motorblock zusätzlich verankert sind. Die Kolbenstangen haben, wie oben beschrieben, vorzugsweise jeweils am Boden der Zylinderräume eine Dichtung 16 (in 4 nicht dargestellt), die ggf. auch als Gleitführung ausgeführt ist, um ein Entweichen der komprimierten Spülluft bzw. des Kraftstoffluftgemisches aus dem unter dem Kolben liegenden Zylinderraum zu verhindern. Zur Massenreduzierung sollte die Kolbenstange vorzugsweise als Hohlkörper ausgeführt sein. Die Kurbelwalze 12 wird durch je einen Lagerring 13 und 14 (nur vorderer Lagerring 14 in 4 gezeigt), der durch den Motorblock fixiert ist, vorzugsweise an ihren Enden geführt, so dass die Ausrichtung ihrer Rotationsachse auch unter Belastung stabil bleibt.
• Die Ausführungsform in 7 entspricht der in 4 gezeigten Bauart, enthält aber als weiteres Merkmal die oben beschriebene, zusätzliche Spülpumpe mit einer halbkreisförmigen Kolbenscheibe 24 bzw. 25 je Doppelkolben. Der Schnitt liegt senkrecht zur Zeichnungsebene von 4 entlang der Linie B-B. Abweichend von 4 befindet sich das hintere Kolbenpaar in der OT- bzw. UT-Stellung und das vordere Kolbenpaar in der Mittelstellung. Außerdem sind die linearen Gleitlager 23 für die Kolbenstangenmitte, die die auf die Kolbenstange wirkenden Seitenkräfte in den Motorblock 34 ableiten, am jeweiligen Lagerring 13 bzw. 14 der Kurbelwalze 12 angeformt.
• Wird z. B. das hintere Kolbenpaar 9 von links nach rechts bewegt, dann wird im linken Zylinder die angesaugte Spülluft über Einlassschlitze 26 in den Überströmkanal 27 verdrängt. Gleichzeitig drückt die Kolbenscheibenpumpe 24 auf ihrer rechten Seite angesaugte Spülluft von der anderen Seite in den Überströmkanal 27. Gibt der linke Kolben des Kolbenpaares 9, nachdem über das Auslassventil 28 der Restdruck im Zylinder 17 abgelassen ist, die Einlassschlitze 26 frei, strömt die Spülluft mit entsprechendem Druck in den Zylinder 17. Der rechte Kolben sowie die linke Seite der Kolbenscheibenpumpe 24 saugt währenddessen über ein für 2-Taktmotoren übliches Rückschlagventil (Reedvalve) frische Spülluft von außen an.
• Jeder Zylinder ist in analoger Weise über einen eigenen Überströmkanal mit seinem zugehörigen Kolbenscheibenpumpenraum verbunden. Die beiden Überströmkanäle jeweils eines Doppelkolbens bzw. Doppelzylinders sind jeweils parallel in den Gehäusen 29 bzw. 30 der Kolbenscheibenpumpe angeordnet (siehe z. B. Überströmkanäle 27a und 27b im Gehäuse 30). Die Wände der Überströmkanäle und des halbzylindrischen Raumes der Kolbenscheibenspülpumpe 24 bzw. 25 sind vorzugsweise gekühlt, um den Temperaturanstieg bei der Verdichtung des Spülgases möglichst gering zu halten. Die Abdichtung des Raumes unterhalb der Kolben, der zur Verdichtung des Frischgases dient, erfolgt durch den Lagerring 13 bzw. 14 und die Gehäuse 29 und 30, die jeweils an der breiten Seite der Kolbenstange anliegen.
• Eine Verbesserung der Gleichstromspülung wird erzielt, wenn ein Überdruckventil, durch das das Frischgas zugeführt wird, in den Kolben eingebaut wird. Nachdem Öffnen des Auslassventils im Zylinderkopf und dem Ablassen des Überdruckes öffnet sich das Überdruckventil am Kolben durch den Druck des Spülgases. Es strömt dann durch den Kolben solange Frischgas in den zugehörigen Brennraum, bis der Druckausgleich nahezu hergestellt ist und das Überdruckventil durch seine Trägheit gegenüber der Beschleunigung der Hubbewegung und durch die Ventilfederkraft geschlossen wird. Ein hartes Aufsetzen des Ventiltellers auf den Kolben kann ggf. durch ein Gaspolster, gegen das der Ventilschaft fährt, vermieden werden. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der Kolben von innen sehr effizient durch das Frischgas gekühlt wird, und darüber hinaus die Kolbenringe nicht über Einlassschlitze in der Zylinderwand laufen müssen. Dies erhöht die Lebensdauer der Kolbenringe und senkt den Ölverbrauch. Außerdem öffnet und schließt das Überdruckventil immer zum richtigen Zeitpunkt, so dass es zu keinen Rückströmungen in die Frischgaskanäle kommt. Nachteilig ist demgegenüber der höhere konstruktive Aufwand im Vergleich zur Kolbenkantensteuerung.
• Die Ausführungsformen in 4 und 7 sind nicht nur besonders robust, sondern auch frei von jeglicher Unwucht rotierender Teile (bei gleichem spezifischen Gewicht von Walze und Kurbelpleuelwelle), da sich die Walze mit der Kurbelpleuelwelle nur um die eigene Rotationsachse dreht und die Exzenterscheiben neben der linearen Oszillation nur eine Eigenrotation um ihren Mittelpunkt ausführen. Dadurch wird auch jegliche laterale Oszillation vermieden. Zu erwähnen ist weiterhin, dass, ggf. bis auf das Lager der Exzenterscheibenwelle in der Walze, alle Radiallager ungeteilt ausführbar sind. Darüber hinaus besteht über die Kolbenstange die Möglichkeit, den Kolben mit Öl zu kühlen. Zu diesem Zweck können beispielsweise an den an der Zylinderwand anliegenden Flächen der Kolbenstange für jeden der beiden Kolben zwei Öffnungen angebracht sein, die über einen Kühlkanal im Kolben miteinander verbunden sind. Erreicht der Kolben die UT Position, kommen die beiden Öffnungen mit einer Öl-Einlass und -Auslassöffnung des Motorblocks oder der Zylinderlaufbuchse zur Deckung, so dass periodisch Öl durch den zugehörigen Kolben gepumpt wird.
• Wird der Motor als Ottomotor betrieben, ist es vorteilhaft, den Kraftstoff jeweils am unteren bzw. oberen Bereich des Gehäuses 29 und 30 der Kolbenscheibenspülpumpen zu zuführen, z. B. mittels eines Vergasers, da man dann in den Überströmkanälen eine Gasschicht mit hohem Kraftstoffanteil und eine zweite Gasschicht mit sehr geringem Kraftstoffanteil erhält. Die Schichtung kommt dadurch zustande, dass die Kolbenunterseiten der Doppelkolben, wie in gezeigt, nur reine Luft ansaugen, während die Kolbenscheibenspülpumpe 24 bzw. 25 aufgrund der Anordnung der Kraftstoffzufuhr kraftstoffhaltige Luft ansaugt. Die reine Luft wird vorzugsweise so angesaugt, dass sie zuerst den Raum auf der Kolbenunterseite durchströmt und dann über den zugehörigen Überströmkanal zur Kolbenscheibenspülpumpe gelangt. Dadurch wird kraftstoffhaltiges Restgas im Wesentlichen in den zugehörigen Überströmkanal und in die Kolbenscheibenspülpumpe zurückbefördert. Wird die angesaugte Luft anschließend verdichtet, drückt die Kolbenunterseite vom Bodenbereich des Zylinders her weitgehend reine Luft in den zugehörigen Überströmkanal, während von der gegenüber liegenden Seite kraftstoffhaltige Luft in denselben Überströmkanal gepresst wird. Bei entsprechender Gestaltung der Überströmkanäle vermischen sich die beiden Gasschichten nur wenig. Die kraftstoffarme Luft strömt dann zuerst in den Zylinder und spült das Abgas über das Auslassventil nach außen. Die kraftstoffreiche Luft dagegen strömt erst in den Zylinder, wenn der Spülvorgang abgeschlossen und das Auslassventil 28 geschlossen ist. Dadurch wird weitgehend vermieden, dass kraftstoffhaltige Luft unverbrannt durch das Auslassventil entweicht.
• Eine weitere Ausgestaltung zeigt 8a. Bei dieser Variante sind die beiden Doppelkolben vergleichsweise wenig zueinander versetzt. Die Walze 12 mit ihrer exzentrischen Bohrung ist hier zweigeteilt. Jede Hälfte ist hat ihr eigenes Lager 13 bzw. 14. Im Gegensatz zu 2b ist die Mitte 3 des Kurbelpleuels nicht als Welle ausgeführt, sondern das Kurbelpleuel (8b) greift in seiner Mitte 3 mit jeweils einem Zapfen in die exzentrische Bohrung jeder Walzenhälfte. Die Drehbewegung der Walzenhälften kann vorzugsweise durch eine Verzahnung der Walzenhälften mit einer gemeinsamen Welle synchronisiert werden (in 8a nicht dargestellt), so dass ein Verkippen des Kurbelpleuels unter Belastung vermieden wird. Die Variante baut weniger sperrig und benötigt keine großen Walzenlager.
• Bezugszeichenliste

1

erster Pleuelarm

2

zweiter Pleuelarm

3

Kurbelmitte

4

Ende des ersten Pleuelarms (Zapfen)

5

Ende des zweiten Pleuelarms (Zapfen)

6

Radius der kreisförmigen Bewegung der Kurbelmitte

7

Kolbenstange des hinteren Doppelkolbens

8

Kolbenstange des vorderen Doppelkolbens

9

hinterer Doppelkolben

10

vorderer Doppelkolben

11

Kurbelpleuelwelle

12

Kurbelwalze

13

hinteres Radiallager der Kurbelwalze

14

vorderes Radiallager der Kurbelwalze

15

Zahnrad (15a und b: Kegelzahnrad)

16

Dichtung (ggf. als Gleitlager ausgeführt)

17

hinteres Zylinderlaufbuchsenpaar

18

vorderes Zylinderlaufbuchsenpaar

19

vordere Exzenterscheibe des Kurbelpleuels

20

hintere Exzenterscheibe des Kurbelpleuels

21

Innenteil der Kurbelwalze

22

Ring, der Innenteil der Kurbelwalze umschließt

23

lineares Führungslager der Kolbenstangenmitte

24

Kolbenscheibe in der Mitte der Kolbenstange des hinteren Doppelkolbens

25

Kolbenscheibe in der Mitte der Kolbenstange des vorderen Doppelkolbens

26

Einlassschlitz

27

Überströmkanal

28

Auslassventil

29

Gehäuse der hinteren Kolbenscheibenpumpe

30

Gehäuse der vorderen Kolbenscheibenpumpe

31

Schlitten

32

Kegelzahnrad

33

lineares Führungslager des Schlittens

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• R. van Basshuysen, F. Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, 6. Auflage, 2012 [0003]

Claims (10)

1. Kolbenmaschine zur Umsetzung einer Hubbewegung in eine Drehbewegung und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurbelpleuel (2b bzw. 8b) neben einer hin- und hergehenden linearen Bewegung zusätzlich eine Rotationsbewegung um 360° pro Hubzyklus ausführt.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelpleuel aus einer Mitte (3) und zwei Pleuelarmen (1) und (2) besteht.
3. Kolbenmaschine nach einem der Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwei senkrecht zueinander oszillierende Hubbewegungen durch das Kurbelpleuel (2b bzw. 8b), das sich zwischen den Hubbewegungen befindet, derart miteinander gekoppelt sind, dass die Mitte (3) des Kurbelpleuels (2b bzw. 8b) eine kreisförmige Bewegung ausführt.
4. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte (3) des Kurbelpleuels (2b) als Welle (11) ausgeführt ist, an deren Enden jeweils ein Pleuelarm (1 bzw. 2) angebracht ist.
5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die wirksamen Pleuelarmlängen und der Radius (6) der kreisförmigen Bewegung der Kurbelpleuelmitte (3) gleich groß sind.
6. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Hub dem Vierfachen der wirksamen Pleuellänge bzw. des Radius (6) der kreisförmigen Bewegung der Kurbelpleuelmitte (3) entspricht.
7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelpleuelwelle (11) drehbar in einem Körper (12) gelagert ist, der sich zwischen den senkrecht zueinander oszillierenden Hubbewegungen befindet und selbst ebenfalls drehbar gelagert ist, wobei dessen Rotationsachse durch den Mittelpunkt des Kreises geht, der durch die kreisförmige Bewegung der Achse der Kurbelpleuelwelle (11) beschrieben wird.
8. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der drehbar gelagerte Körper (12) als Walze ausgebildet ist.
9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Rotationsachse der Walze (12) relativ zum Motorblock fixiert ist.
10. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden senkrecht zueinander oszillierenden Hubbewegungen jeweils von einem Doppelkolben ausgeführt werden, wobei die einzelnen Doppelkolben (9 bzw. 10) jeweils aus zwei Einzelkolben bestehen, die starr miteinander durch eine Kolbenstange (7 bzw. 8) verbunden sind, wobei das jeweilige Ende (4 bzw. 5) einer der beiden Pleuelarme (1 bzw. 2) des Kurbelpleuels jeweils in einer der Kolbenstangen (7 bzw. 8) drehbar gelagert ist.

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