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Die Erfindung betrifft die Axialkolben-, Boxer-, Kurvenscheiben-/Schrägscheiben- und Kolbenmotoren.
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Es gab immer wieder Versuche, den Kurbeltrieb durch kurbelwellenlose Triebwerke zu ersetzen. Beweggründe und Ziele der Versuche waren:
- – der Wunsch nach höherer Leistung, wobei man die Zylinderzahl erhöhen musste; dabei stieß man triebwerksmechanisch rasch an die Grenzen,
- – Veränderung des Bewegungsgesetzes der Kolben zur Verbesserung des Gaswechsels, z. B. Verkürzung des Arbeitstaktes zugunsten von Verlängerung des Ansaugtaktes dank dem Aufhalten der Kolben eine gewisse Zeit im unteren Totpunkt,
- – dank Beseitigung der Seitenkraft an den Kolben: Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und bessere Abgaswerte wegen gleichmäßigem Verschleiß der Zylinderwand am Umfang sowie Verkleinerung der Höhe des Kolbens,
- – Streben zu kleineren Reibungsverlusten, weil die Kurbel-Pleuel-Triebwerke viele schmierbedürftige Gelenkflächen haben,
- – Verkleinerung dynamischer Verluste, weil Kurbelwelle viele massive Ausgleichselemente enthält.
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Der herkömmliche Boxermotor hat durch die horizontale und gegenläufige Zylinder-Kolben-Anordnung zahlreiche Vorzüge gegenüber herkömmlichem Hubkolbenmotor:
- – Ausgleichswellen und an den Kurbelwellenwangen vergossene Ausgleichsgewichte entfallen wegen der sich kompensierenden Massen- bzw. Kolbengegenbewegungen (Querkräfte an der Kurbelwelle werden aufgehoben),
- – weniger Lager an Kurbelwelle,
- – geringe Trägheit,
- – kurze Bauweise,
- – vibrationsarmer Motorlauf,
- – niedrigster Schwerpunkt im Fahrzeug.
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Die Nachteile der herkömmlichen Boxermotoren:
- – doppelter Aufwand für Ventiltrieb,
- – es findet, wie bei konventionellen Hubkolbenmotoren, das Abstützmoment der Kurbelwelle statt; da die einander gegenüberliegenden Zylinder etwas versetzt zueinander angeordnet sind, spürt man beim plötzlichen Gasgeben eine Neigung – meistens zu rechter Seite (je nach Drehrichtung der Kurbelwelle),
- – der Motor eignet sich wegen großer Baubreite schlecht für den Quereinbau.
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Die Grundidee vorgeschlagener Erfindung bezieht sich auf zwei Erfindungen: Kurvenscheiben-Motor von Charles La Fontaine – siehe Patent
US 1 181 463 A (patentiert am 2.05.1916) und Boxer-Kurvenscheiben-Motor nach Konzept der Brüder Glaser – siehe „Bauart Herrman” in MTZ 11/1997, 660, S. 7 „Gescheiterte Motorenkonzeptionen ...”, S. Zima».
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Dieses Motorkonzept wurde ab dem Jahr 1916 bis 1960 hinweg vom Herrmann als „Herrmann-Motor” entwickelt:
US 2 237 621 A ,
US 2 237 989 A ,
US 2 243 817 A ,
US 2 243 818 A ,
US 2 243 819 A ,
US 2 284 319 A ,
US 2 243 820 A ,
US 2 243 821 A ,
US 2 243 822 A ,
US 2 966 899 A ,
US 2 983 264 A ,
US 3 016 110 A .
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Es wurden 40 Prototypen-Motoren von der Herrmann-Gruppe gebaut. Im Herrmann-Motor (in seiner Versuchsvariante vom Baujahr 1937 als 12-Zylinder-Viertakt-Ottomotor: Bohrung – 77,6 mm, Hub – 95,3 mm) sah man in den 1920-er und 1930-er Jahren eine aussichtsreiche Alternative zu herkömmlichen Flugzeugmotoren.
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Seitdem wurde/wird „Herrmann-Motor” vom Unternehmen „Dyna-Cam Motor” als „Dynamotor” entwickelt. Dabei wurde folgendes eingesetzt: Keramikzylinderlaufbuchsen ohne Kolbenringe, piezoelektrische Ventile und viel anderes:
WO 2007 014 245 A2 ,
US 2007 006 9043 A1 . Diese Motoren kann man auf folgenden Videos anschauen:
http://www.engineeringtv.com/video/AVEC-Axial-Vector-Engine
https://www.youtube.com/watch?v=uJSLDq7MkhQ (ab 6:08 min.).
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Die Nachteile der Konstruktionen des Herrmann-Motors und Dynamotors:
- – der Pistol besteht aus zwei entgegengerichteten gekuppelten Kolben mit einem massiven verbindenden Übergangsteil und hat große Trägheit. Bei der Hin- und Herbewegung wird sich große Trägheitskraft des Pistols mit der Gaskraft summieren, das auf die Motorteile zerstörende Wirkung aufweisen soll,
- – die Kolbenringe fehlen; dieser Übergangsteil ist von der Motorachse weit verschoben, deswegen ist sein Massenschwerpunkt auch verschoben. Aus diesem Grund wird die Achse des Pistols beim Oszillieren schwanken, und einschwenkende Stirnfläche des Kolbens wird die Zylinderfläche anschrammen,
- – abwechselnd einseitige Kraftanlegung an die Kurvenscheibe/Hubscheibe vom erwähnten Pistol. Das entstehende Quermoment ist gleich dem Produkt der [Gaskraft/Achsenkraft vom Brennraum an den Kolbenboden] mal den [Abstand von der Kolbenachse bis Motorachse]. Dieses Quermoment führt zum Schwanken der Motorachse samt der Kurvenscheibe, das zu forcierter Abnutzung der Lager an der Motorwelle und zur Unparallelität der Kontaktflächen der Rolle mit der Kurvenscheibe (als Folge – schnelle Abnutzung der beiden) führt,
- – da die Rolle aus einem Bolzen mit auf ihm aufgesetzten Ring (siehe ab 2:10 http://www.engineeringtv.com/video/AVEC-Axial-Vector-Engine) besteht, kann man keine große Pressung gestatten;
- – die Achsenkraft an jede Rolle wird an/von die/der Kurvenscheibe/Hubscheibe durch die Rollenknote (siehe US 3 016 110 A , Blatt 1, 1) übertragen. Diese Knote ist nicht dauerhaft: sie ist den Knoten von Walzen der Walzgerüste ähnlich, davon sollen ähnliche Probleme stattfinden. Erstens verursacht die Belastung auf die Rolle ihre Biegung (als Folge – ungünstige Lagerung) und zweitens liegt ganze Belastung auf die Rollenzapfen, die kleine Durchmesser haben. Deswegen wird auf ihnen großer Herzscher Druck stattfinden, und die Rollenzapfen werden wegen der Achsenkraft zusammen mit der Rolle auch verbogen; somit sind die Rollenzapfen schwächste und angriffsgefärdete Bereiche des Dynacam-Motors wegen großen Hertzscher Drucks und ihrer Biegung,
- – Verbindung der Kolben mit der Rollenknote in eine Ganze (ähnliche Lösung siehe in Pistons But No Connecting Rods
http://www.thetruthaboutcars.com/2013/07/the-new-waissi-engine-pistons-but-no-connecting-rods/) ist misslungen: die Wärmeabgabe vom Brennraum erfolgt direkt an die Rolle,
- – Zusammenbau ist sehr aufwendig: das Unterbringen der Kurvenscheibe zwischen dem Rollenpaar ist sehr aufwendig. Wenn die gekuppelten Kolben einteilig sind, ist das Unterbringen der Kurvenscheibe nur vor dem Unterbringen der Kolben in Passbohrungen möglich. Wenn die gekuppelten Kolben mehrteilig sind, ist ihr Erzeugen sehr kompliziert, und sie werden einige Zonen der Spannungskonzentration haben. Denkbare Varianten des Zusammenbaus sind vom Dynamotor für die Serienproduktion sind unverträglich aufwendig: sie fordern strenge technologische Maßnahmen und Zusammenarbeit eines großen Arbeitsteams.
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In Werken vom Autor:
DE 10 2010 056125 B4 und
DE 10 2010 056126 A1 sind diese Nachteile teilweise eliminiert; die Abwärtsbewegung der Kolbeneinheit erfolgt dank Verwendung einer zusätzlichen Rücklaufscheibe und einer zusätzlichen Rolle. Es wird an diese Rolle von der Rücklaufscheibe die Achsenkraft mit einem Drehmoment angelegt, das problematisch zu kompensieren ist.
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Das Ziel vorliegender Idee ist das Erschaffen eines kurbelwellenlosen Boxermotors, der keine erwähnten Nachteile bekannter Kurvenscheiben- und Boxermotoren aufweist.
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Es sind folgende Kennzeichnungen angegeben:
- AR
- – Arbeitsrolle
- D
- – Hubscheibe/Kurvenscheibe/Schrägscheibe
- F
- – Fixierelement
- G
- – Halter
- H
- – Hülse im Halter G oder im Zylinder Z
- K
- – Kolbenstange
- L
- – Führung
- N
- – Passfeder
- NH
- – Nut für Passfeder N in Hülse H
- NL
- – Nut für Passfeder N in Führung L
- OD
- – oberes Profil der Ringschiene T
- OH
- – obere Hülse für das Umfassen der Arbeitsrolle AR
- OS
- – oberer Anteil des Stützelements S
- P
- – Säule
- RR
- – Rücklaufrolle
- S
- – Stützelement
- T
- – Ringschiene der Hubscheibe D
- UD
- – unteres Profil der Ringschiene T
- UH
- – untere Hülse für das Umfassen der Rücklaufrolle RR
- US
- – unterer Anteil des Stützelements
- V
- – Ventilsteuerscheibe
- W
- – Triebwelle
- Z
- – Zylinder (Arbeitszylinder).
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Das Ziel wird dadurch erreicht, indem ein Motor mit den Merkmalen:
- – zwei festgestellte Halter G, jeder von denen die axialsymmetrisch angeordneten und paarweise auf gleichen Achsen befindlichen Bohrungen hat,
- – eine in den Zentralbohrungen der Halter G sich drehende Triebwelle W,
- – eine auf der Triebwelle W zwischen den Haltern G festgestellte Hubscheibe D, auf Stirnflächen derer je ein gleiches Profil spiegelartig ausgeführt ist,
- – in jeder Bohrung der Halter G ist ein Zylinder Z festgestellt, in dem eine Kolbeneinheit oszilliert, die eine Kolbenstange K und ein Stützelement S beinhaltet,
- – das Stützelement S fasst eine Rücklaufrolle RR und eine die Stirnfläche der Hubscheibe D abrollende Arbeitsrolle AR um,
wobei - – an beiden Stirnflächen der Hubscheibe D ist je eine Ringschiene T ausgeführt, die sich ein T-förmiges Profil oder ein Einschenkel-Profil darstellt, dabei obere Fläche OD und untere Fläche UD der Ringschiene T sind der Achse der Hubscheibe D orthogonal,
- – die unteren Flächen UD der Ringschiene T werden mit den Rücklaufrollen RR abgerollt, damit wird die Abwärtsbewegung der Kolbeneinheiten bei Ansaugtakt und Motorstart gewährleistet,
- – jede Rücklaufrolle RR wird im Bereich des Kontakts mit der Fläche UD der Hubscheibe D mindestens auf die Hälfte mit dem Stützelement S umgefasst,
- – die Achsen der in einem Stützelement S angeordneten Rücklaufrollen RR sind parallel und liegen hauptsächlich auf einer Achse,
- – die obere Fläche OD der Ringschiene T wird mit der Arbeitsrolle AR abgerollt.
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Auf den –5 sind vereinfachte Ausführungsvarianten des vorliegenden Motors gezeigt; für bessere Übersichtlichkeit wurde vornehmlich vertikaler Aufbau angenommen.
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Die Hin- und Herbewegung der Kolbeneinheit erfolgt dank der Gleitbewegung der Innenfläche von Führung L auf der Außenfläche hervorstehenden Teils des Zylinders Z.
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Für den größeren Widerstand der Seitenkraft an die Kolbeneinheit kann man
- – zusätzliches Fixieren der Führung L auf der Innerfläche der Hülse H verwenden – siehe , , ,
- – oder dank dem Einsatz der Säulen P, die durch/an die Stützelemente S von den gegenüber befindlichen Kolbeneinheiten verlaufen – siehe , , (mit und ohne Hubscheibe D), .
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Nichtverdrehung der Kolbeneinheit wird dank
- – dem Einsatz einer Passfeder N, die sich in Nut NL der Führung L und in Nut NH der Hülse H untergebracht ist – siehe ,
- – oder dank dem oben erwähnten Einsatz der Säulen P – siehe , , , .
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Das T-förmige Profil auf der Ringschiene T ist im Vergleich zum Einschenkel-Profil bevorzugt, weil es beiderseitigen Druck mit einem Paar Rücklaufrollen RR auf das Stützelement S aufweist. Im Fall des Einschenkel-Profils – siehe , – nimmt das Stützelement S von der Rücklaufrolle RR einseitigen Druck auf, das das Hebelmoment an die Kolbeneinheit herbeistellt.
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Die Rollen AR und RR kann man ohne oder mit Hülsen ausführen:
- – OH – obere Hülse für das Umfassen der Arbeitsrolle AR,
- – UH – untere Hülsen für das Umfassen der zwei Rücklaufrollen RR.
Die Variante mit den Hülsen ist vorteilhaft, weil sich sie aus Materialien mit wesentlich höherer Härte als Material des Stützelements S anfertigen und Bohrungen für die Rollen AR und RR mit engeren Toleranzen schleifen lassen. Die Rücklaufrolle RR soll einen Stütz von unten haben und seitlich maximal umgefasst sein, d. h. sie darf als die Konsole nicht arbeiten, sonst wird sie auf dem Kontakt mit dem Rand des Stützelements S wegen höher Spannungskonzentration schnell abgenutzt sein.
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Es werden folgende Varianten des Stützelements S vorgeschlagen:
- – einteiliges – siehe – , – ,
- – mehrteiliges, bestehend aus 3 Teilen: aus oberem Stützelement OS für die Haltung der oberen Hülse OH samt/oder der Arbeitsrolle AR und aus zwei unteren Anteilen US für die Haltung der unteren Hülsen UH samt/oder den/der Rücklaufrollen RR – siehe , , , – .
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Die Nichtverschiebung der Rollen AR und RR wird z. B. dank dem Einsatz von Fixatoren F gewährleistet.
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Im Fall des einteiligen Stützelements S soll sein Zusammenbau folgendermaßen erfolgen:
- – man soll nach dem Unterbringen des Stützelements S an der Ringschiene T die im Kohlendioxidschnee oder flüssigen Stickstoff abgekühlten Hülsen OH und UH in seine mit dem Öl bedeckten Bohrungen einstecken,
- – oder man soll nach der Erwärmung des Stützelements S im warmen (90°C) Öl oder im Kochwasser es an der Ringschiene T hineinbringen und dann die mit dem Öl bedeckten Hülsen OH und UH in seine Bohrungen einstecken.
Dabei soll das Übermaß minimal sein: Absolutsumme von Maßabweichungen der gefügten Teile.
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Zwecks radikaler Verkürzung von Baugrößen des vorgeschlagenen Motors ist der Einsatz von zwei oder einigen Kolbenstangen K, die sich auf das breitere Stützelement S aufstützen, empfohlen – siehe , . In diesem Fall findet folgendes statt:
- – zwei Mal kleinere Achsen- und Seitenkraft an jede Kolbenstange K,
- – gleichmäßige Kraftverteilung und fast zwei Mal kleinere Hertzsche Pressung auf dem Kontakt breiteren Profils OD der Ringschiene T mit breiterer Arbeitsrolle AR.
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Es wird empfohlen, die Hubscheibe D aus zwei Teilen siehe – zu erzeugen.
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Der Gaswechsel beim vorgeschlagenen Motor erfolgt dank der Hin- und Herbewegung von Kugeln der Ansaug- und Auslassventile an den Leitprofilen der Ventilsteuerscheiben V. Man soll die Luftabfuhr aus dem Unterkolbenraum ins Ansaugrohr oder durch den Seitenraum des Zylinders Z zu den Ansaugventilen nach
DE 10 2011 017 247 vorsehen.
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Da die Zylinderwand keiner Seitenkraft ausgesetzt wird, wird sie gleichmäßig umkreis verrieben. Deshalb kann man beim vorgeschlagenen Motor größere Verdichtung und bessere Abgaswerte erzielen. Das Auslassen der Seitenkraft ermöglicht die Verwendung des Kolbens mit wesentlich kleinerer Höhe und sogar, wie beim oben erwähnten Dynamotor, ohne Kolbenringe.
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Da die Kurvenscheibentrieb jede Kinematik der hin- und her Bewegung ermöglicht, soll man die Abwärtsbewegung maximal beschleunigen und somit den Kolben im unteren Totpunkt eine gewisse Zeit aufhalten. Somit werden beim verkürzten Arbeitstakt kleinere Erwärmung der Zylinderwand und größerer Unterdruck im Brennraum beim Ansaugtakt erreicht sein, – das ermöglicht größere Auffüllung und höheres Verdichtungsverhältnis.
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Um die Verdrehung der Rollen AR und RR zu vermeiden, soll ihre Härte nicht kleiner sein als die Härte der Ringschiene T und der sie umfassenden Teile, und zwar des Stützelements S oder seiner Hülsen OH und UH.
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Es werden folgende Materialien für die Bestandteile des vorgeschlagenen Motors empfohlen:
- – für Hubscheibe D: einteilige Hubscheibe D und Außenteil der zweiteiligen Hubscheibe D – aus einem rostfreien martensitischen Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt C ≥ 0,8%, und ihr Innenteil der zweiteiligen Hubscheibe D – aus einem niedriglegierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt,
- – für Ventilsteuerscheiben V – aus einem rostfreien martensitischen Stahl mit dem Kohlenstoffgehalt C ≥ 0,8%,
- – für Teile des Stützelements S, und zwar: für das einteilige Stützelements S und für den oberen Anteil OS des mehrteiligen Stützelements S – rostfreier martensitischer Stahl mit entweder mittlerem Kohlenstoffgehalt mit dem Nitrieren nach dem Schleifen oder mit dem Kohlenstoffgehalt C ≥ 0,8%; für den unteren Anteil US des mehrteiligen Stützelements S – rostfreier martensitischer Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Dank sehr großer Härte, niedrigem spezifischem Gewicht und kleiner Bindefähigkeit am Stahl passt Siliziumnitrid für die Rollen AR und RR sowie für ihre Hülsen OH und UH ideal.
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Es sind folgende Hauptmaße für eine Versuchsvariante des vorgeschlagenen Motors als 16-Zylinder-Motor angegeben (weiterhin: ⌀ – Außendurchmesser): Arbeitszylinder – ⌀ 80 mm, Kolbenhub – 80 mm, Arbeitsrolle AR – ⌀25 mm, Ringschiene T – ⌀400 mm, Ventilsteuerscheibe V – ⌀470 mm, Gehäuse mit Wassermantel – ⌀550 mm, die Länge des Motors als Abstand zwischen den Außenstirnflächen der Hubscheiben V – nahe 1000 mm. Somit ergibt sich die Außenmaße vom Block des 16-Zylinder (je ⌀80 mm)-Motors ⌀0,55 m × 1 m.
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Das Auslassen von Kurbelwelle, Kurbel, Pleuel und Kraftübertragungsmechanismus zwischen der Triebwelle und dem Ventiltrieb sowie die Verwendung der Kolben mit wesentlich kleinerer Höhe (dabei ohne Kolbenbolzen) ermöglichen rasche Startfähigkeit des Fahrzeugs.
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Der Motor hat sehr ruhigen Motorlauf, weil in seiner Konstruktion vollständiger Massenausgleich erreicht ist.
