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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, mit wenigstens einem Zylinder und zumindest einem im Zylinder linear hin- und herbewegbaren Kolben, wobei die Linearbewegung des Kolbens über eine an den Kolben starr angeschlossene Kulisse in eine Drehbewegung einer mit der Kulisse mechanisch wechselwirkenden Kurbelwelle umgewandelt wird, und wobei die Kulisse mit einer Hohlbohrung ausgerüstet ist, in welche ein Antriebsrad für die Kurbelwelle gelenkig und/oder reibschlüssig eingreift.
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Bei Verbrennungsmotoren, wie sie beispielsweise in der
DE 101 07 921 B4 oder der
DE 44 44 767 C2 vorgestellt werden, ist die jeweils starr mit dem Kolben gekoppelte Kulisse mit einer Schlitzführung ausgerüstet, in welche bei der
DE 101 07 921 B4 ein Kulissenstein eingreift. Mit Hilfe des Kulissensteines wird die Kurbelwelle angetrieben. Vergleichbar geht die
DE 44 44 767 C2 vor.
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Ein Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Gestaltung ist Gegenstand der
US 2013/0019835 A1 . Dabei sind jeweils zwei Kolben an eine gemeinsame Kulisse angeschlossen. Außerdem ist die Auslegung so getroffen, dass die Kolben relativ lange im oberen Totpunkt verharren. Dadurch soll die Verbrennung effizienter gestaltet werden. Allerdings ist die Hohlbohrung aufgrund der speziellen Auslegung komplex gestaltet.
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Bei den bekannten Verbrennungsmotoren mit der dort vorgesehenen Schlitzführung bzw. Kurbelkulisse besteht das Problem, dass die Krafteinleitung auf die Kurbelwelle nicht gleichmäßig erfolgt und im Übrigen der Kulissenstein im Innern der Kurbelkulisse Schrägkräfte überträgt, zumindest stark verschleißt. Aus diesem Grund haben sich die einleitend beschriebenen Verbrennungsmotoren in der Praxis praktisch nicht durchsetzen können. Hier setzt die Erfindung ein.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Ausführungsform so weiterzuentwickeln, dass eine gleichmäßige Kraftübertragung möglichst ohne Kippmomente erfolgt und gleichzeitig der auftretende Verschleiß gegenüber bisherigen Ausgestaltungen verringert ist.
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Zur Lösung dieser technischen Problemstellung schlägt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verbrennungsmotor vor, dass das Antriebsrad und die Hohlbohrung jeweils kreisförmig und so ausgebildet sind, dass das Antriebsrad einen an einen Innendurchmesser der Hohlbohrung angepassten Außendurchmesser aufweist und der Außendurchmesser des Antriebsrades maximal halb so groß wie der Innendurchmesser der Hohlbohrung ausgebildet ist.
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Im Falle einer reibschlüssigen Kopplung zwischen dem Antriebsrad einerseits und der Hohlbohrung andererseits sind sowohl das Antriebsrad als auch die Hohlbohrung jeweils mit einer Verzahnung ausgerüstet. In diesem Zusammenhang verfügt die Hohlbohrung meistens über eine Innenverzahnung. Das Antriebsrad ist demgegenüber mit einer Außenverzahnung ausgerüstet. Die Innenverzahnung der Hohlbohrung und die Außenverzahnung des Antriebsrades greifen ineinander.
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Im Falle der gelenkigen Kopplung zwischen dem Antriebsrad und der Hohlbohrung wird so vorgegangen, dass das Antriebsrad in der Hohlbohrung axial gesichert gehalten wird und dadurch im Innern der Hohlbohrung rotieren kann. Lineare Auf- und Abwärtsbewegungen der Kulisse werden dadurch in beiden Fällen in Drehbewegungen des Antriebsrades umgesetzt, die zu Drehbewegungen der Kurbelwelle korrespondieren, welche mit dem Antriebsrad mechanisch gekoppelt ist.
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Außerdem ist die Auslegung regelmäßig so getroffen, dass der Außendurchmesser des Antriebsrades an den Innendurchmesser der Hohlbohrung angepasst ist. D. h., das Antriebsrad verfügt im Allgemeinen über einen an den Innendurchmesser der Hohlbohrung angepassten Außendurchmesser. Dabei hat es sich aus kinematischer Sicht besonders bewährt, wenn der Außendurchmesser des Antriebsrades maximal halb so groß wie der Innendurchmesser der Hohlbohrung ausgebildet ist. Tatsächlich ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei welcher der Außendurchmesser des Antriebsrades der Hälfte des Innendurchmessers der Hohlbohrung entspricht.
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Obwohl der Verbrennungsmotor grundsätzlich nur mit einem Zylinder und einem Kolben arbeiten kann und folglich als Einzylindermotor realisierbar ist, empfiehlt es sich für einen besonders vibrationsarmen Lauf des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit sich kompensierenden Massenmomenten zu arbeiten. Tatsächlich sind regelmäßig zwei sich gegenüberliegende Zylinder mit jeweiligen Kolben in der Art eines Boxermotors realisiert. In diesem Zusammenhang sind die beiden Kolben jeweils starr an die gemeinsame Kulisse angeschlossen. Dabei hat sich regelmäßig eine symmetrische Auslegung im Vergleich zu einer durch die Kurbelwelle hindurchgehenden Symmetrieachse bzw. Symmetrieebene als besonders günstig erwiesen.
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Im Ergebnis wird ein Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, bei dem etwaige Kippmomente und daraus resultierender Verschleiß auf ein Minimum reduziert sind. Tatsächlich sorgt der im Zylinder hin- und herbewegbare Kolben bzw. sorgen die beiden in der Art eines Boxermotors hin- und herbewegbaren Kolben dafür, dass die starr an den Kolben bzw. die beiden sich gegenüberliegenden Kolben angeschlossene Kulisse der beschriebenen Linearbewegung folgt. Die Linearbewegung des Kolbens bzw. der Kolben und folglich der Kulisse wird über die Hohlbohrung auf das Antriebsrad übertragen und in eine Rotationsbewegung des Antriebsrades umgewandelt. Die Rotationsbewegung des Antriebsrades bringt die hiermit mechanisch gekoppelte Kurbelwelle ebenfalls in Rotation.
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Dabei hat sich für einen besonders ruhigen und größtenteils Kippmoment freien Lauf des Kolbens bzw. der Kolben im Zylinder erfindungsgemäß als günstig erwiesen, dass der Außendurchmesser des Antriebsrades halb so groß wie der Innendurchmesser der Hohlbohrung ausgelegt ist. Denn dadurch besteht die Möglichkeit, dass das Antriebsrad mit einer tragenden Welle ausgerüstet wird, die ihre Position auf einer Zentralachse beibehält. Diese Zentralachse wird durch die jeweilige Lage des Mittelpunktes der Hohlbohrung in der Kulisse bei ihrer Linearbewegung definiert.
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Als Folge hiervon arbeiten auf die mit der vom Antriebsrad getragenen Welle wechselwirkende Kurbelwelle praktisch ausschließlich linear gerichtete Kräfte entlang der Zentralachse. Dadurch kann beispielsweise die vom Antriebsrad getragene Welle mit einer Kurbel ausgerüstet werden, welche die Kurbelwelle unmittelbar antreibt bzw. einen Bestandteil derselben darstellt oder darstellen kann. D. h., neben einem vibrationsarmen Lauf des Verbrennungsmotors ist damit zu rechnen, dass Kippmomente auf den Kolben oder die beiden Kolben praktisch nicht (mehr) auftreten und zugleich der Verschleiß nicht nur zwischen Kolben und Zylinder, sondern auch im weiteren Antriebsstrang gegenüber bisherigen Ausführungsformen deutlich reduziert ist.
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Hinzu kommt, dass der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor äußerst kompakt aufgebaut ist, weil im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren eine mehr oder minder lang ausgelegte Pleuelstange fehlt, die dann ihrerseits die Kraft auf die Kurbelwelle überträgt. Vielmehr kann im Rahmen der Erfindung der Kolben oder können die beiden Kolben auf letztlich einen Kolbenboden oder eine Kreisscheibe mit ggf. seitlichen Kolbenringen reduziert werden. Denn aufgrund der Tatsache, dass Kippmomente am jeweiligen Kolben praktisch nicht (mehr) angreifen, ist eine Verlängerung des Kolbens in axialer Richtung, d. h. der bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor vorgesehene Kolbenschaft mit dem Pleuelauge, entbehrlich.
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Tatsächlich besteht bei der Variante als Boxermotor sogar die Möglichkeit, die Kolben respektive Kolbenböden oder die scheibenförmigen Kolben so weit einander anzunähern, dass die jeweilige Unterkante des Kolbenbodens unmittelbar benachbart zum Rand der Hohlbohrung der Kulisse angeordnet wird. Dadurch besteht die weitere Möglichkeit, dass der Kolben bzw. die beiden Kolben und die Kulisse ein einteiliges Bauteil, beispielsweise ein in einem Arbeitsgang herstellbares Schmiedeteil definieren. Das hält die Produktionskosten gering.
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Hinzu kommt, dass ein solchermaßen aufgebauter Einzylindermotor oder auch Zweizylindermotor bzw. Boxermotor über Außenabmessungen verfügt, die den vom Kolben im Zylinder überstrichenen Hub nicht wesentlich übersteigen. Tatsächlich kann die Auslegung beispielsweise bei einem Boxermotor nach der Erfindung so getroffen werden, dass dessen Baubreite entlang der Zentralachse maximal das Dreifache des Hubes im jeweiligen Zylinder beträgt. Demgegenüber verfügen herkömmliche Boxermotoren über Baubreiten an dieser Stelle, die meistens das 10-fache des Hubes oder noch weit mehr betragen.
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Zu den besonders kompakten Abmessungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors trägt weiter die Tatsache bei, dass die Auslegung von Kolben und Zylinder meistens unterquadratisch ist, d. h., der Durchmesser der Bohrung übersteigt den Hub des jeweiligen Kolbens. In Verbindung mit der zuvor angegebenen Bemessungsregel, dass nämlich der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor als Boxermotor über eine maximale Baubreite verfügt, die das Dreifache des Einzelhubes des jeweiligen Zylinders beträgt oder unterschreitet, lassen sich besonders schmal bauende und kompakte Aggregate realisieren.
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Hinzu kommt, dass nur eine geringe Anzahl an Bauteilen erforderlich ist, was die Herstellungskosten und auch die Montagekosten deutlich gegenüber bisherigen Ausführungsformen reduziert. Schließlich ist mit einer besonders hohen Lebensdauer des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zu rechnen, weil auf den jeweiligen Kolben praktisch kein Kippmoment erzeugt wird, vielmehr die im zugehörigen Zylinder hin- und herbewegten Kolben eine lineare Kraft entlang der Zentralachse erzeugen, die besonders wirkungsvoll und praktisch verlustfrei auf die Kurbelwelle übertragen werden kann.
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Als weiterer und besonderer Vorteil ist zu berücksichtigen, dass im Regelfall bei am oberen Totpunkt befindlichen Kolben im Zylinder eine Maximalkraft auf das Antriebsrad im Innern der Hohlbohrung wirkt. Diese Maximalkraft korrespondiert dazu, dass auch das Antriebsrad seine relativ zur Kurbelwelle höchste Position einnimmt. Die hierbei erzeugten Verbrennungskräfte werden dadurch nahezu verlustfrei in die Kurbelwelle eingeleitet, weil die Kulisse und das Antriebsrad in diesem Fall gleichsam wie eine starre und mit der Kurbelwelle verbundene Verbindung wirken.
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Befindet sich der Kolben demgegenüber in einer mittleren Stellung zwischen oberem und unterem Totpunkt innerhalb des Zylinders, so wird bei einer reibschlüssigen Verbindung zwischen dem Antriebsrad und der Hohlbohrung eine maximale Kraft von der Kulisse über die Hohlbohrung auf das Antriebsrad übertragen. Für den Fall, dass das Antriebsrad gelenkig in die Hohlbohrung eingreift, ändert sich nichts wesentlich an der Krafteinleitung, erfolgt diese nach wie vor überwiegend vertikal und wird mit Hilfe beispielsweise einem exzentrisch an das Antriebsrad angeschlossenen Kurbelzapfen in die gewünschte Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
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Darüber hinaus hat es sich bewährt, wenn die Innenverzahnung der Hohlbohrung und die Außenverzahnung des Antriebsrades jeweils als Gradverzahnung oder Schrägverzahnung ausgebildet sind. Bei Rückgriff auf eine Schrägverzahnung ist ein besonders reibungsarmer und vibrationsoptimierter Lauf zu beobachten. Außerdem hat es sich bewährt, wenn das Antriebsrad gegenüber der das Antriebsrad aufnehmenden Hohlbohrung eine axiale Sicherung bzw. axiale Ausrichtung erfährt. Zu diesem Zweck weist das Antriebsrad typischerweise gegenüber der Hohlbohrung eine Axialsicherung auf, die zur axialen Ausrichtung des Antriebsrades und auch zum Halt und zur Positionierung des Antriebsrades im Innern der Hohlbohrung dient.
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Bei der zuvor angesprochenen Axialsicherung für das Antriebsrad handelt es sich beispielsweise um einen die Hohlbohrung übergreifende Gleitring. Alternativ oder zusätzlich kann es sich aber auch um einen in die Hohlbohrung eingreifenden Gleitring handeln. Auch zwei gegenüberliegende Gleitringe sind denkbar, zwischen denen das Antriebsrad angeordnet ist und mit der Hohlbohrung wechselwirkt. Genauso gut können natürlich auch zwei auf einer gemeinsamen Achse angeordnete Antriebsräder vorgesehen werden, die mit beispielsweise einem dazwischen angeordneten Gleitring die gewünschte Axialsicherung gegenüber der Hohlbohrung definieren. Selbstverständlich sind auch Kombinationen denkbar.
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Wie zuvor bereits erläutert, verfügt das Antriebsrad über eine Welle bzw. ist eine Welle an das Antriebsrad angeschlossen. Bei dieser Welle kann es sich prinzipiell um die Kurbelwelle handeln. Es ist aber auch möglich, dass das Antriebsrad Bestandteil eines gemeinsamen Zwischengetriebes zwischen dem einen oder den beiden Kolben und der hiermit wechselwirkenden Kurbelwelle ist.
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Sofern eine das Antriebsrad tragende Welle realisiert ist, hat es sich bewährt, wenn die betreffende Welle an die zuvor bereits beschriebene Axialsicherung angeschlossen ist. Alternativ oder zusätzlich kann die fragliche Welle auch an das Antriebsrad angeschlossen bzw. mit diesem verbunden werden. Dadurch erfährt nicht nur das Antriebsrad mit Hilfe der Axialsicherung eine axiale Ausrichtung im Innern der Hohlbohrung, sondern dies gilt ebenso für die das Antriebsrad tragende bzw. mit dem Antriebsrad verbundene Welle. Anders ausgedrückt, sorgt die Axialsicherung für eine Positionierung sowohl des Antriebsrades wie auch der an das Antriebsrad angeschlossenen bzw. mit dem Antriebsrad verbundenen respektive das Antriebsrad tragenden Welle. Dadurch können weder das Antriebsrad noch die betreffende Welle in Axialrichtung ausweichen und wird dadurch erreicht, dass eine einwandfreie Kraftübertragung über die Hohlbohrung auf das Antriebsrad schließlich auf die Welle erfolgt, und zwar letztendlich entlang der bereits beschriebenen Zentralachse.
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Denn die das Antriebsrad tragende Welle ist im Allgemeinen auf der Zentralachse angeordnet und behält ihre Position bei, ist also ortsfest ausgelegt. Demgegenüber bewegt sich bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens im Innern des Zylinders bzw. der beiden Kolben im Innern der jeweiligen Zylinder der Mittelpunkt der Hohlbohrung und folglich die Kulisse entlang bzw. auf der fraglichen Zentralachse.
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Wie bereits erläutert, kann das Antriebsrad Bestandteil eines Zwischengetriebes zwischen dem jeweiligen Kolben und der Kurbelwelle sein. Im Allgemeinen ist das Antriebsrad jedoch als Kurbel respektive Kurbelzapfen der Kurbelwelle ausgebildet. Genauso gut ist es aber auch denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, wenn das Antriebsrad drehfest an den vorgenannten Kurbelzapfen angeschlossen ist.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann prinzipiell als Viertaktmotor, Zweitaktmotor oder auch Dieselmotor ausgebildet sein. Neben der Ausgestaltung als Einzylinder- oder Boxermotor sind auch Varianten in der Art eines Sternmotors denkbar. Darüber hinaus kann der fragliche Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem Reihenmotor oder auch V-Motor eingesetzt werden. Eine besonders bevorzugte Variante stellt der sogenannte X-Motor dar, welcher aus zwei sich kreuzenden Boxermotoren zusammengesetzt ist. Diese sämtlichen Varianten lassen sich besonders einfach dadurch variieren, dass der Antrieb der Kurbelwelle über das in die Hohlbohrung der Kulisse eingreifende Antriebsrad erfolgt. Dadurch können ganz unterschiedliche Kulissenanordnungen realisiert werden.
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Um die Abmessungen besonders gering zu halten und eine kompakte Ausführungsform zu begünstigen, empfiehlt es sich in diesem Zusammenhang, wenn der jeweilige Brennraum im Kolbenboden ganz oder teilweise definiert wird. Darüber hinaus ist es denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Hohlbohrung in der Kulisse ein oder mehrere angeschlossene Ausgleichswellen aufweist. Mit Hilfe der einen oder der mehreren Ausgleichswellen können etwaige Vibrationen ausgeglichen werden.
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Dabei ist es denkbar, dass zwei sich diametral im Vergleich zum Zentrum der Hohlbohrung gegenüberliegende Ausgleichswellen realisiert sind. Grundsätzlich können an dieser Stelle auch Nockenwellen vorgesehen werden. Dabei wird man meistens untenliegende Nockenwellen vorsehen, die über Kippstößel auf die im Zylinderkopf befindlichen Ventile arbeiten. Grundsätzlich kann es sich aber auch um eine obenliegende Nockenwelle handeln bzw. lässt sich mit Hilfe der einen oder der mehreren Ausgleichswellen auch ein Antrieb für die Nockenwelle im Zylinderkopf umsetzen. Außerdem können die Ausgleichswellen noch eine weitere Zusatzfunktion übernehmen. Beispielsweise ist es denkbar, dass eine Ausgleichswelle zugleich als Ölpumpe fungiert. Außerdem kann neben der einen oder den mehreren Ausgleichswellen auch eine zusätzliche Verbindungswelle zwischen den beiden Kolben zur Stabilisierung des Laufes vorgesehen werden. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
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1 bis 3 den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor in unterschiedlichen Funktionsstellungen in einer ersten Variante,
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4 und 5 eine abgewandelte Ausführung des Verbrennungsmotors nach den 1 und 2 und
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6 und 7 eine Abwandlung der Ausführungsform nach den 4 und 5 in der Ausführungsform als Boxermotor.
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In den Figuren ist ein Verbrennungsmotor dargestellt, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 und 6 und 7 sowie nicht einschränkend um einen Zweizylinder-Boxermotor handelt. Das Ausführungsbeispiel nach den 4 und 5 ist dagegen als Einzylinder-Motor ausgelegt. Im Falle des Boxermotors sind zwei sich gegenüberliegende Zylinder 1 realisiert, in denen jeweilige Kolben 2 hin- und herbewegt werden. Tatsächlich bewegen sich die beiden Kolben 2 im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 und 6 und 7 jeweils entlang einer Zentralachse Z. Demgegenüber ist bei dem Einzylinder-Motor nach den 4 und 5 lediglich ein einziger Kolben 2 dargestellt, der erneut hin- und herbewegt wird.
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Der dargestellte Verbrennungsmotor kann prinzipiell als Ottomotor oder auch Dieselmotor arbeiten. Grundsätzlich kann es sich dabei um einen Viertaktmotor oder auch einen Zweitaktmotor handeln. Aus diesem Grund sind für die Erfindung unwesentliche Details in diesem Zusammenhang wie Zündkerzen, Ventile, Überströmkanäle etc. nicht explizit dargestellt.
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Um eine besonders kompakte Bauform zu realisieren, befindet sich ein Brennraum 3 ganz oder teilweise im Kolbenboden des Kolbens 2. Der Kolben 2 ist im Ausführungsbeispiel scheibenartig ausgelegt und verfügt in Strenge nur über einen Kolbenboden, welcher außenumfangsseitig einen oder mehrere angedeutete Kolbenringe 4 trägt. Demgegenüber fehlt ein Kolbenschaft in den Ausführungsformen der 4 bis 7 bzw. ist nur ein Kolbenschaft geringer Länge erforderlich, wie er im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 dargestellt ist. Demgegenüber benötigen herkömmliche Verbrennungsmotoren Kolbenschäfte erheblicher Länge, um eine einwandfreie Führung des Kolbens 2 im Zylinder 1 zu gewährleisten. Das ist erfindungsgemäß in diesem Ausmaß wie beim Stand der Technik nicht erforderlich, weil allenfalls ein geringfügiges Kolbenkippen beobachtet wird und beherrscht werden muss.
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Die beschriebene Auslegung lässt sich im Kern darauf zurückführen, dass auf den jeweiligen Kolben 2 im Rahmen der Ausführungsvariante nach den 4 bis 7 praktisch keine Querkräfte oder Kippkräfte wirken, so dass an dieser Stelle Kolbenkippen nicht beobachtet wird und der angesprochene Kolbenschaft entbehrlich ist. Vielmehr erzeugt der jeweilige Kolben 2 nahezu ausschließlich eine lineare Kraft entlang der Zentralachse Z. Das wird nachfolgend noch näher im Detail erläutert werden. Bei der Variante nach den 1 bis 3 sind dagegen geringfügige Kippkräfte des Kolbens 2 möglich und werden durch den kurzen Kolbenschaft zur Führung des Kolbens 2 im Zylinder 1 aufgefangen und beherrscht.
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Der jeweils hin- und herbewegbare Kolben 2 ist an eine Kulisse 5 starr angeschlossen. Wie die Übersichtsdarstellung in den 1 und 4 deutlich macht, kann die Kulisse 5 als mit dem Kolben 2 verbundene Stange oder auch als Kolbenfortsatz ausgelegt sein. Die Kulisse 5 weist eine Hohlbohrung 6 auf. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 und 6, 7 sind beide sich gegenüberliegenden Kolben 2 an eine gemeinsame sowie dazwischen angeordnete Kulisse 5 angeschlossen. Außerdem ist die Auslegung so getroffen, dass die beiden sich gegenüberliegenden Kolben 2 mit der mittigen und starr angeschlossenen Kulisse 5 sowie der Hohlbohrung 6 symmetrisch im Vergleich zu einer Symmetrieebene 10 ausgelegt sind, die durch das Zentrum bzw. einem Mittelpunkt M der Hohlbohrung 6 hindurchgeht. Die beiden Kolben 2 und die starr angeschlossene Kulisse 5 können in einem gemeinsamen Arbeitsgang hergestellt werden, beispielsweise als einteiliges Schmiedeteil ausgeführt werden. Das ist selbstverständlich nicht zwingend.
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Die Linearbewegung des jeweiligen Kolbens 2 entlang der Zentralachse Z wird über die jeweils starr an den Kolben 2 angeschlossene Kulisse 5 in eine Drehbewegung einer mit der Kulisse 5 mechanisch wechselwirkenden Kurbelwelle 7 umgewandelt. Zu diesem Zweck ist die Kurbelwelle 7 gleichsam exzentrisch an die Kulisse 5 angeschlossen, damit die Linearbewegungen der Kulisse 5 in die gewünschten Drehbewegungen der Kurbelwelle 7 umgewandelt werden können. Die Kurbelwelle 7 ist lediglich in den Figuren angedeutet. Man erkennt, dass die Kurbelwelle 7 um einen ortsfesten Punkt auf der Zentralachse Z rotiert. Dieser Punkt fällt bei jeweils mittig angeordneten Kolben 2 im Zylinder 1 bei der Variante nach den 1 bis 3 und 6, 7 mit dem Zentrum bzw. der Mitte M der Zentralbohrung 6 zusammen.
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Wie bereits erläutert, verfügt die Kulisse 5 über eine Hohlbohrung 6. Das Antriebsrad 8 für die Kurbelwelle 7 greift in die Hohlbohrung 6 ein. Das kann reibschlüssig erfolgen, wie dies die 1 bis 3 darstellen oder auch gelenkig, entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 7. Die Kurbelwelle 7 ist an das Antriebsrad 8 angeschlossen, und zwar exzentrisch. Dabei wird meistens eine drehfeste Kopplung verfolgt, damit über das Antriebsrad 8 die Linearbewegungen der Kulisse 5 und den exzentrischen Anschluss in die gewünschten Drehbewegungen der Kurbelwelle 7 umgesetzt werden können.
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Sofern das Antriebsrad 8 in die Hohlbohrung 6 reibschlüssig eingreift, verfügt das Antriebsrad 8 einerseits und die Hohlbohrung 6 andererseits über jeweils eine Verzahnung. Hierzu korrespondiert das Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3. Dazu ist eine nicht ausdrücklich dargestellte Innenverzahnung der Hohlbohrung 6 vorgesehen. Darüber hinaus verfügt das Antriebsrad 8 über eine Außenverzahnung. Die Außenverzahnung des Antriebsrades 8 und die Innenverzahnung der Hohlbohrung 6 greifen in diesem Fall ineinander. Bei der Verzahnung kann es sich um eine Gradverzahnung oder auch eine Schrägverzahnung handeln.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 7 greift das Antriebsrad 8 gelenkig in die Hohlbohrung 6 ein. In diesem Fall füllt das Antriebsrad 8 die Hohlbohrung 6 praktisch vollständig aus und ist hierin drehbar gelagert. Dadurch, dass die Kurbelwelle 7 exzentrisch an das Antriebsrad 8 angeschlossen ist, werden die Linearbewegungen der Kulisse 5 in Drehbewegungen des Antriebsrades 8 im Innern der Hohlbohrung 6 umgewandelt, die ihrerseits die Kurbelwelle 7 in Rotationen versetzen.
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In beiden Fällen verfügt das Antriebsrad 8 über eine Axialsicherung 9. Die Axialsicherung 9 ist in den sämtlichen Ausführungsbeispielen als Gleitring 9 ausgebildet. Bei der Variante nach den 1 bis 3 mag der Gleitring 9 in die Hohlbohrung 6 eingreifen. Beim Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 7 übergreift der Gleitring 9 die Hohlbohrung 6. Das gilt jedenfalls für die Variante nach den 4 und 5. Im Rahmen des Beispiels nach den 6 und 7 ist dagegen der Gleitring 9 entbehrlich, weil in diesem Zusammenhang Stützräder 13 für eine Sicherung des Antriebsrades 8 in axialer Richtung sorgen. Denn die Stützräder 13 sind drehbar gelenkig an die Kurbelwelle 7 angeschlossen und kämmen zusätzlich mit einem Laufrad 11 in einer gemeinsamen Hohlbohrung 12.
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In beiden Fällen sorgt die Axialsicherung bzw. der Gleitring 9 respektive sorgen die Stützräder 13 dafür, dass das Antriebsrad 8 im Innern der Hohlbohrung 6 verbleibt und folglich axial nicht ausweichen kann. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 sind zwei Gleitringe 9 realisiert, die das Antriebsrad 8 zwischen sich aufnehmen und dafür sorgen, dass das Antriebsrad 8 in Axialrichtung, das heißt senkrecht zur jeweils dargestellten Zeichenebene, die gewünschte Sicherung in dieser Axialrichtung erfährt. Grundsätzlich kann an dieser Stelle aber auch mit zwei Antriebsrädern 8 gearbeitet werden, die zwischen sich den Gleitring 9 als Axialsicherung 9 aufweisen. Dabei greift der Gleitring 9 in eine nicht dargestellte Nut in der Hohlbohrung 6 ein und erfährt auf diese Weise die gewünschte Fixierung.
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Bei der Variante nach den 4 bis 7 bzw. im Ausführungsbeispiel nach 4 und 5 sind zwei Gleitringe 9 vorgesehen, die beidseitig außen an das Antriebsrad 8 angeschlossen sind und dieses vom Durchmesser her übergreifen. Dadurch liegen die beiden Gleitringe 9 außen an der Kulisse 5 an und sorgen für die gewünschte Sicherung des Antriebsrades 8 in der Axialrichtung.
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Das Antriebsrad 8 ist an eine Welle 7 angeschlossen. Hierbei handelt es sich im Ausführungsbeispiel um die Kurbelwelle 7. Die Welle 7 trägt das Antriebsrad 8. Außerdem ist die Auslegung im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 so getroffen, dass das Antriebsrad 8 über einen Außendurchmesser d verfügt, welcher an einen Innendurchmesser D der Hohlbohrung 6 angepasst ist. Tatsächlich ist im Ausführungsbeispiel die Auslegung so getroffen, dass der Außendurchmesser d des Antriebsrades 8 halb so groß wie der Innendurchmesser D der Hohlbohrung 6 ausgebildet ist. Das heißt, es gilt: D = 2 × d.
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Weil die Kurbelwelle 7 das Antriebsrad 8 trägt, ist das Antriebsrad 8 im Ausführungsbeispiel als Kurbelzapfen der Kurbelwelle 7 ausgebildet. Grundsätzlich kann das Antriebsrad 8 aber auch drehfest an einen Kurbelzapfen der Kurbelwelle 7 angeschlossen werden. Nicht ausdrücklich dargestellt sind ein oder zwei Ausgleichswellen, die bei der linearen Hin- und Herbewegung des jeweiligen Kolbens 2 entlang der Zentralachse Z zusammen mit dem Antriebsrad 8 rotativ angetrieben werden. Dabei kann eine der beiden Ausgleichswellen zugleich als Ölpumpe fungieren oder arbeiten.
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Beim Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 7 ist das Antriebsrad 8 von seinem Außendurchmesser d her an den Innendurchmesser D der Hohlbohrung 6 derart angepasst, dass sich beide Durchmesser d und D im Wesentlichen entsprechen. Darüber hinaus erkennt man neben dem Antriebsrad 8 die drei Stützräder 13 und schließlich das bereits zuvor erwähnte Laufrad 11. Das Laufrad 11 und die drei Stützräder 13 greifen insgesamt in die bereits besprochene Hohlbohrung 12 ein, die gehäusefest ausgelegt ist. Dadurch erfährt die Kulisse 5 eine zusätzliche Führung und Stabilisierung. Zu diesem Zweck hat es sich bewährt, wenn der Außendurchmesser des fraglichen Laufrades 11 in etwa halb so groß ist wie der Innendurchmesser der Hohlbohrung 12. Die Hohlbohrung 12 ist mit einer Innenverzahnung ausgerüstet, während das Laufrad 11 eine Außenverzahnung aufweist.
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Anhand der schematischen Seitenansicht in den 6 und 7 erkennt man, dass in diesem Fall bei dem dort dargestellten Boxermotor die beiden Kulissen 5 jeweils beidseitig symmetrisch der dort eingezeichneten Symmetrieebene T angeordnet sind, und zwar jeweils gleich beabstandet von der fraglichen Symmetrieebene T. Dadurch kann die Auslegung so getroffen werden, dass die beiden Zylinder 1 miteinander fluchten. Als Folge hiervon ist die Kulisse 5 jeweils außermittig an den Kolben 2 angeschlossen, was bei dem Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 7 kein Problem darstellt, weil in diesem Zusammenhang primär senkrecht gerichtete Verbrennungskräfte unmittelbar in Rotationen der Kurbelwelle 7 umgewandelt werden.
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Die Funktionsweise ist wie folgt. Wie bereits dargelegt, zeigt die 1 eine Übersichtsdarstellung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in einer ersten Variante mit jeweils in der Mitte ihres Hubes H angeordnetem Kolben 2. Bei der zweiten Variante nach der 4 befindet sich der Kolben 2 im Bereich des unteren Totpunktes, wohingegen die 5 das Ausführungsbeispiel nach der 4 am oberen Totpunkt darstellt. Anhand der Übersichtsdarstellungen erkennt man, dass der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor besonders kompakt baut. Denn seine gesamte Baubreite B lässt sich allgemein so bemessen und einrichten, dass diese gesamte Baubreite B nicht mehr als das Vierfache und insbesondere nicht mehr als Dreifache des Hubes H des jeweiligen Kolbens 2 im zugehörigen Zylinder 1 beträgt. Das lässt sich im Kern darauf zurückführen, dass der jeweilige Kolben 2 praktisch auf einen Kolbenboden mit darin integriertem Verbrennungsraum reduziert ist und der Abstand der beiden sich gegenüberliegenden Kolben 2 bei dem dargestellten Boxermotor nahezu vollständig von der Hohlbohrung 6 ausgefüllt wird.
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Außerdem ist die Auslegung so getroffen, dass beide Kolben 2 in einem gemeinsamen Zylinder 1 aufgenommen werden. Der Durchmesser des Zylinders 1 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser D der Hohlbohrung 6, so dass die Hohlbohrung 6 bzw. deren Außenwandung zugleich zur Führung der beiden Kolben 2 im Innern des gemeinsamen Zylinders 1 beiträgt.
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In der 2 ist nun eine Position des oberen Kolbens 2 nahe seinem Totpunkt dargestellt, wohingegen die 3 den oberen Kolben 2 nahe seinem unteren Totpunkt wiedergibt. Zwischen diesen beiden Totpunkten wird bekanntermaßen der Hub H beschrieben. Im Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungsmotor insgesamt unterquadratisch ausgelegt. D. h., die Bohrung des Zylinders 1, entsprechend in etwa dem Durchmesser D der Hohlbohrung 6, ist größer als der Hub H ausgelegt. Das gilt selbstverständlich nur beispielhaft und nicht einschränkend.
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Man erkennt beim Vergleich der 2 und 3, dass der jeweilige Kolben 2 entlang der Zentralachse Z linear hin- und herbewegt wird, und zwar in dem Zylinder 1. Der Bewegung des Kolbens 2 folgt die starr angeschlossene Kulisse 5 und folglich die Hohlbohrung 6 in der Kulisse 5. Als Folge dieser Linearbewegung der Hohlbohrung 6 der Kulisse 5 absolviert das Antriebsrad 8 eine Halbkreisbewegung, und zwar von einer oberen bis zu einer unteren Stellung. Diese Halbkreisbewegung des Antriebsrades 8 wird auf die ortsfeste Kurbelwelle 7 wie dargestellt übertragen, so dass diese um ihre Achse rotiert und auch rotieren kann. Die Achse der Kurbelwelle 7 fällt dabei mit dem Zentrum bzw. der Mitte M der Zentralbohrung 6 zusammen. Es wird deutlich, dass die jeweilige Linearbewegung des Kolbens 2 im Zylinder 1 unmittelbar in die Drehbewegung des Antriebsrades 8 im Innern der Hohlbohrung 6 umgesetzt wird, wobei als jeweiliger Angriffspunkt für die Kraftübertragung der Mittelpunkt M der Hohlbohrung 6 fungiert. Dadurch erfolgt die Krafteinleitung praktisch ausschließlich auf der Zentralachse Z, so dass auf die betreffenden Kolben 2 keine Querkräfte arbeiten. Das bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren oftmals beobachtete Kolbenkippen tritt folglich nicht auf, so dass zugehörige Kolbenschäfte am jeweiligen Kolben 2 – wie beschrieben – entbehrlich sind bzw. eine nur geringe Länge aufweisen.
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Eine ähnliche Funktionsweise wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 7 beobachtet. Auch in diesem Fall ist die Baubreite B selbst bei dem Einzylinder-Motor nach den 4 und 5 auf maximal das Vierfache des Hubes H des zugehörigen Kolbens 2 im Zylinder 1 begrenzt. Bei der als Boxermotor ausgebildeten Variante nach den 6 und 7 ist die Baubreite B im Wesentlichen so bemessen, dass sie in etwa dem Dreifachen des gesamten Hubes H entspricht. Sobald bei dieser Ausführungsvariante eine Verbrennung gezündet wird, bewegt sich der Kolben 2 ausgehend von seiner Stellung im oberen Totpunkt nach der 5 abwärts. Dadurch dreht sich das Antriebsrad 8 im Innern der Hohlbohrung 6 und bewegt sich zugleich das exzentrisch an das Antriebsrad 8, beispielsweise an dessen Umfang angeordnete Laufrad 11 in seine unterste Position im Vergleich zu der Hohlbohrung 12. Demgegenüber korrespondiert die in der 4 dargestellte Position zum Kolben 2 am unteren Totpunkt, bei dem das Laufrad 11 seine oberste Position im Vergleich zu der Hohlbohrung 12 einnimmt.
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Vergleichbare Szenarien werden bei dem Boxermotor nach den 6 und 7 beobachtet. In beiden Fällen treten praktisch keine am Kolben 2 angreifenden Seitenkräfte auf, so dass der Kolben 2 praktisch ohne Kolbenschaft auskommt und dennoch einwandfrei im jeweiligen Zylinder 1 geführt wird.
