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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse, einem Zylinder und einem darin zwischen einer vorderen und einer hinteren Position verschiebbaren Kolben, einem Kurbelwellengehäuse und einer darin drehbaren Kurbelwelle, einem Pleuel zwischen Kolben und Kurbelwelle, und einer Zündkerze, wobei ein von dem Zylinder, dem Kolben und dem Gehäuse eingeschlossenes Volumen einen Verbrennungsraum bildet.
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STAND DER TECHNIK
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Bekannt sind ventilgesteuerte Viertakt-Verbrennungsmotoren, welche Ihre Gaseinlasszeiten und Gasauslasszeiten über eine Nockenwelle, Ventile, Zahnriemen und eine Steuerkette steuern. Die Anzahl der Teile ist dadurch relativ hoch und der gesamte Aufbau relativ komplex.
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Aus
DE 10 2007 034 941 A1 ist ein Rotationsmotor bekannt mit einer in einem Gehäuse drehbaren Drehscheibe, in der ein Hubkolben über ein starr mit ihm verbundenes, abgewinkeltes Pleuel eine exzentrisch gelagerte Welle antreibt. Eine Kurbelwelle ist nicht vorhanden.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit wenigen Teilen, insbesondere ohne Ventilsteuerung und den dazugehörenden Bauteilen wie Nockenwellen, Ventilfedern, Zahnriemen oder Steuerketten anzugeben. Die Bauteile des Motors sollen einfache geometrische Formen aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen Viertakt-Verbrennungsmotor gemäss dem Patentanspruch 1. Dieser Motor ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder mit dem Kolben, das Kurbelwellengehäuse mit der Kurbelwelle sowie das Pleuel in einer Drehscheibe integriert sind, die um eine erste Achse in dem Gehäuse drehbar ist, wobei die Kurbelwelle in der Drehscheibe um eine gegenüber der ersten Achse exzentrische, zweite Achse drehbar ist, wobei die Drehstellung der Kurbelwelle und die Drehstellung der Drehscheibe fix gekoppelt sind, wobei der Zylinder beim Übergang von einer ersten Drehstellung der Drehscheibe, in welcher sich der Kolben in seiner vorderen Position befindet in eine gegenüber der ersten um 90° gedrehte Drehstellung der Drehscheibe, in welcher sich der Kolben sich in seiner hinteren Position befindet, eine Ansaugöffnung im Gehäuse passiert, wobei in einer dritten, gegenüber der ersten um 180° gedrehten Drehstellung der Drehscheibe der Zylinder gegenüber der Zündkerze ausgerichtet ist und sich der Kolben in seiner vorderen Position befindet, und wobei der Zylinder beim Übergang von einer vierten, gegenüber der ersten um 270° gedrehten Drehstellung der Drehscheibe, in welcher sich der Kolben in seiner hinteren Position befindet, wieder in die erste Drehstellung, eine Abgasöffnung im Gehäuses passiert.
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Der erfindungsgemässe Motor umfasst insofern eine Drehscheibe, die sich in einem Gehäuse dreht. In die Drehscheibe ist eine Hubkolbensteuerung eingebaut. Bei jeder Umdrehung der Drehscheibe werden Ansaugen, Verdichten, Zünden und Ausstossen des Gasgemisches durchgeführt.
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Durch die erfindungsgemässe Ausbildung werden folgende Vorteile erreicht:
Die benötigte Kraft, um einen Viertakt-Motor gegen die Federkraft der Ventilfedern und deren Antriebskomponenten, wie Nockenwelle, Zahnriemen, Zahnriemenspanner oder Steuerkette und Steuerkettenspanner zu drehen, entfällt.
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Indem auf Bauteile wie einen Zylinderkopf mit zugehörigen Komponenten verzichtet werden kann, ergibt sich eine Reduzierung der benötigten Bauteile. Der Motor ist dadurch leichter und wesentlich einfacher herzustellen.
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Die geometrische Form des Motors ermöglicht ein Abdichten gegen Ölverlust mit Normbauteilen wie Simmer Ringe und O-Ringe.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemässen Motors sind in anhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Gemäss einer solchen bevorzugten Ausbildung ist die Drehstellung der Kurbelwelle mit der Drehstellung der Drehscheibe fix gekoppelt durch zwei miteinander in Eingriff befindliche Zahnräder, von denen eines auf der Achse der Kurbelwelle und das andere in Flucht mit der Achse der Drehscheibe am Gehäuse angeordnet ist.
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Der Innenraum des Gehäuses kann bis auf eine Erweiterung in einem Winkelbereich zwischen der ersten und zweiten Drehstellung der Drehscheibe kreiszylindrisch sein.
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Ebenso kann die die Drehscheibe bis auf eine an den Zylinder angrenzende Ausnehmung kreiszylindrisch sein.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse auf seinen Stirnseiten durch je einen Deckel abgeschlossen.
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Zur Abdichtung des Kurbelwellengehäuses gegenüber dem Verbrennungsraum können in den Deckeln teilweise eingelassene und mit der Drehscheibe in Kontakt befindliche Dichtringe vorhanden sein.
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Zur Abdichtung des Verbrennungsraumes können in der Drehscheibe in deren Umfangsrichtung beidseits des Zylinders über die Drehscheibe nach aussen vorstehende, auf der Innenwand des Gehäuses ablaufende Dichtplatten vorhanden sein.
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Zur Abdichtung des Verbrennungsraums gegenüber dem Kurbelwellengehäuse kann der Kolben in bewährter Weise mit wenigstens einem Kolbenring versehen sein.
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Die Drehscheibe und die Kurbelwelle können in Lagern gelagert sein, welche mit Bohrungen versehen sind, wobei bei der Drehung der Kurbelwelle im Kurbelwellengehäuse entstehender Unterdruck zum Ansaugen eines Schmiermittels durch diese Bohrungen und entstehender Überdruck zum Ausstossen des Schmiermittels durch diese Bohrungen verwendet wird.
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Das Schmiermittel, vorzugsweise ein Öl, kann über Leitungen den Bohrungen zugeführt bzw. von diesen weggeführt werden, wobei der Schmiermittelstrom über Einweg Kugelventile einfach gesteuert werden kann, die sich bei einem gewissen Überdruck selbsttätig öffnen.
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Für die Steuerung der Zündkerze kann auf der Achse der Drehscheibe eine Zündnocke ausgebildet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1a)–h) schematische Querschnitte eines erfindungsgemässen Motors mit verschiedenen Stellungen der Drehscheibe;
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2 einen Längsschnitt A-A des erfindungsgemässen Motors;
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3 einen Längsschnitt B-B des erfindungsgemässen Motors;
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4 in perspektivischer Darstellung den Motor mit entferntem rechten Gehäusedeckel und entferntem Zahnradgehäuse; und
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5 eine Explosionszeichnung des erfindungsgemässen Motors;
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In den Figuren sind übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Der Motor umfasst eine in einem Gehäuse 1 um eine erste Achse drehbare Drehscheibe 2. In der Drehscheibe 2 ist ein Zylinder 3 vorhanden, in welchem ein Kolben 4 zwischen einer vorderen und einer hinteren Position (vorderer und hinterer Totpunkt) verschiebbar ist. In der Drehscheibe 2 ist weiter ein Kurbelwellengehäuse 5 vorhanden, in welchem eine Kurbelwelle 6 um eine gegenüber der ersten Achse exzentrisch angeordnete, zweite Achse drehbar ist. Über ein Pleuel 7 ist der Kolben 4 mit der Kurbelwelle 6 gekoppelt. Die Drehscheibe 2 bildet eine Schwungmasse für die Kurbelwelle. 6
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Die Drehstellung der Kurbelwelle 6 und damit die Position des Kolbens 4 im Zylinder 3 ist mit der Drehstellung der Drehscheibe 2 über noch näher beschriebene Zahnräder im Verhältnis 2:1 fix gekoppelt. Bei jeder Umdrehung der Drehscheibe 2 dreht sich die Kurbelwelle 6 daher zweimal.
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Das Gehäuse 1 ist weiter auf seinem Umfang mit einer Ansaugöffnung 8, einer Abgasöffnung 9 und einer Gewindeöffnung 10 versehen. In die Gewindeöffnung 10 ist eine Zündkerze 11 eingeschraubt. Die Ansaugöffnung 8 und die Absagöffnung 9 liegen relativ eng beieinander und sind gemeinsam diametral gegenüberliegend zur Zündkerze 11 angeordnet.
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Die Ansaugöffnung 8 wird in nicht dargestellter Weise an eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Treibstoff-Luftgemischs angeschlossen. Die Abgasöffnung 9 könnte offen sein, wird jedoch schon wegen der Schalldämmung sinnvollerweise an eine Auspuffanlage angeschlossen. Ventile sind weder an der Ansaugöffnung 8 noch an der Abgasöffnung 9 erforderlich und deshalb auch nicht vorgesehen.
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Wie dies in den 2 und 3 erkennbar ist, ist das Gehäuse 1 auf seinen Stirnseiten jeweils durch einen Gehäusedeckel 12 bzw. 13 abgeschlossen.
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Die Drehrichtung der Drehscheibe 2 im Gehäuse 1 wenn der Motor läuft ist in den 1a)–1h) mit einem Pfeil gekennzeichnet. Diese Figuren zeigen den Motor mit verschiedenen Drehstellungen der Drehscheibe 2 und den jeweils zugehörigen Drehstellungen der Kurbelwelle 6 bzw. Positionen des Kolbens 4 entsprechend den verschiedenen charakteristischen Arbeitsphasen des Motors, die im Folgenden erläutert werden.
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In 1a) befindet sich die Drehscheibe 2 im Gehäuse 1 in einer im Folgenden als ersten bezeichneten Drehstellung, wobei sich der Zylinder 3 zwischen der Abgasöffnung 9 und der Absaugöffnung 8 befindet. Die Kurbelwelle 6 befindet sich dabei ebenfalls in einer im Folgenden als ersten bezeichneten Drehstellung. Der Kolben 4 befindet sich dabei in seiner vorderen Position.
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Beim Übergang von der ersten Drehstellung der Drehscheibe 2 gemäss 1a) in eine gegenüber dieser um 90° gedrehte, zweite Drehstellung gemäss 1c) passiert der Zylinder 3 die Ansaugöffnung 8. Gleichzeitig wird der Kolben 4 durch die mit der Drehung der Drehscheibe 2 gekoppelte Drehung der Kurbelwelle 6 um 180° in seine hintere Position bewegt. Durch diese Bewegung und den dadurch im Zylinder 3 erzeugten Unterdruck saugt der Kolben 4 Gemisch aus der Ansaugöffnung 8 an. 1b) zeigt eine Zwischenstellung zwischen der ersten und der zweiten Drehstellung.
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Im Winkelbereich zwischen der ersten und zweiten Drehstellung der Drehscheibe 2 und mit der Ansaugöffnung 8 überlappend ist der im Übrigen kreiszylindrisch geformte Innenraum des Gehäuses 1 mit einer Erweiterung 14 versehen, die in axialer Richtung jedoch begrenzt ist und sich insofern nicht bis zu den erwähnten Gehäusedeckeln 12 bzw. 13 erstreckt. Diese Erweiterung 14 begünstigt das Ansaugen des Gemischs aus der Ansaugöffnung 8.
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In Drehrichtung an den Zylinder 3 anschliessend ist die Drehscheibe 2 mit einer Ausnehmung 15 versehen. Das vom Zylinder 3, dem Kolben 4, der Ausnehmung 15 und dem Gehäuse 1 eingeschlossene Volumen bildet den Verbrennungsraum.
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Beim Weiterdrehen der Drehscheibe 1 in eine gegenüber der ersten um 180° gedrehte, dritte Drehstellung gemäss 1e) wird die Verbindung zwischen dem Zylinder 3 und der Ansaugöffnung 8 unterbrochen, die Ansaugphase dadurch beendet und das im Zylinder 3 befindliche Gemisch durch den im Zylinder 3 wieder in seine vordere Position bewegten Kolben 4 komprimiert. 1d) zeigt eine Zwischenstellung zwischen der zweiten und der dritten Drehstellung.
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In ihrer in 1e) gezeigten Drehstellung ist die Kurbelwelle 6 ist gegenüber ihrer ersten Drehstellung um 360° gedreht, so dass sich der Kolben 4 in seiner vorderen Position befindet und die Kompression des Gemischs maximal ist. Die Kompressionsphase ist abgeschlossen. Nun erfolgt die Zündung des Gemischs durch die Zündkerze 11.
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Die Zündung der Zündkerze 11 leitet die Arbeitsphase ein, in welcher der Kolben 4 im Zylinder 3 zurück gedrückt und dadurch die Kurbelwelle 6 weitergedreht wird, was wiederum die Weiterdrehung der Drehscheibe 2 bewirkt. Durch die Ausnehmung 15 übt das zündende Gemisch auch direkt ein Drehmoment auf die Drehscheibe 2 aus.
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1g) zeigt die Drehscheibe 2 am Ende der Arbeitsphase in einer vierten, gegenüber der ersten um 270° gedrehten Drehstellung. Die Kurbelwelle 6 hat ist gegenüber ihrer ersten Drehstellung bereits um 540° gedreht. Der Kolben 4 befindet sich in seiner hinteren Position. 1f) zeigt eine Zwischenstellung zwischen der dritten und der vierten Drehstellung.
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Bei Weiterdrehen der Drehscheibe 2 erfolgt das Ausstossen der Abgase durch die Abgasöffnung 9, indem zunächst die Ausnehmung 15 und dann der Zylinder 3 mit dieser in Überdeckung kommt, wie dies in 1h) dargestellt ist.
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Schliesslich erreicht die Drehscheibe nach einer vollen Umdrehung um 360° wieder ihre Ausgangsdrehstellung gemäss 1a), wobei die Kurbelwelle zwei volle Umdrehungen entsprechend 720° hinter sich hat.
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In den 1a)–1h) sind noch zwei Dichtplatten 16 zu sehen, die in Axialnuten auf dem Umfang der Drehscheibe 2 in deren Umfangsrichtung beidseits des Zylinders 3 radial etwas verschiebbar angeordnet sind. Wenn sich die Drehscheibe 2 dreht, werden diese Dichtplatten 16 unter der Wirkung der Fliehkraft nach aussen versetzt bis sie über die Drehscheibe 2 geringfügig vorstehen und auf der Innenwand des Gehäuses ablaufen. Sie dienen dazu, den Verbrennungsraum abzudichten, so dass in diesem in der Kompressions- und in der Arbeitsphase genügend Druck aufgebaut werden kann.
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In den Längsschnitten der 2 und 3 sind die bereits erwähnten Teile 1–7 sowie 10–13 ebenfalls sichtbar. Erkennbar ist hier zudem, dass die Drehscheibe 2 aus zwei Teilen 2.1 und 2.2 zusammengesetzt ist. Jeder Teil ist mit einer Bohrung für eines der Kurbelwellenlager und für eine Zylinderhälfte versehen. In 2 ist die erste Achse, um welche sich die Drehscheibe 2 dreht, mit A1 und die zweite Achse, um die sich die Kurbelwelle 6 dreht, mit A2 bezeichnet. Gelagert ist die Drehscheibe 2 einerseits im linken Gehäusedeckel 12 in einem linken Drehscheibenlager 17, das von einem linken Lagerdeckel 18 gehalten wird und andererseits im rechten Gehäusedeckel 13 in einem rechten Drehscheibenlager 19, das von einem rechten Lagerdeckel 20 gehalten wird.
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Die Kurbelwelle 6 ist einerseits im linken Drehscheibenteil 2.1 mit einem linken Kurbelwellenlager 21 und andererseits im rechten Drehscheibenteil 2.2 mit einem rechten Kurbelwellenlager 22 gelagert.
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Mit der Kurbelwelle 6 verbunden ist das kleinere 23 der bereits erwähnten Zahnräder, das mit dem grösseren 24 dieser Zahnräder zur Kraftübertragung in Eingriff ist. Das Zahnrad 24 ist über ein Verbindungselement 25 in Flucht mit der Achse A1 der Drehscheibe 2 mit einem Fixierelement 26 verbunden, das wiederum mit dem rechten Gehäusedeckel 13 verbunden ist. Das Zahnrad 24 ist insofern gegenüber dem Gehäuse 2 feststehend. Das mit der Kurbelwelle 6 verbundene Zahnrad 23 läuft um das feststehende Zahnrad 25 herum. Wie bereits erwähnt beträgt die durch die beiden Zahnräder 23, 24 bewirkte Übersetzung 2:1. Die beiden Zahnräder 23, 24 sind angeordnet in einem Zahnradgehäuse 27, das am rechten Drehscheibenteil 2.2 befestigt ist. Über das Zahnradgehäuse 27 und eine an diesem ausgebildeter Wellenzapfen ist die Drehscheibe 2 im im rechten Drehscheibenlager 19 gelagert. 4 zeigt den Motor mit abgenommenem rechtem Gehäusedeckel 13 und abgenommenem Zahnradgehäuse 27, so dass die beiden Zahnräder 23 und 24 gut zu erkennen sind.
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Die Lager der Drehscheibe 2 und die Lager der Kurbelwelle 6 werden über Ölleitungen 28 und über mit diesen in Verbindung stehende Ölbohrungen mit Öl als Schmierstoff versorgt. Eine dieser Ölbohrungen ist mit 29 bezeichnet. Das Kurbelwellengehäuse 5 dient als Ölzwischenspeicher. Das im Kurbelwellengehäuse 5 verwirbelte Öl schmiert auch den Kolben 4 und die Pleuellager. Es wird keine Ölpumpe benötigt. Das Öl wird nämlich durch die Drehung der Kurbelwelle (6) wechselweise im Kurbelwellengehäuse 5 erzeugten Unterdruck und Überdruck angesaugt bzw. ausgestossen. Einweg Kugelventile (nicht dargestellt) genügen, um den Pumpvorgang zu garantieren.
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Damit kein Schmierstoff in den Verbrennungsraum gelangen kann, wird der Ölkreislauf einerseits mit Dichtringen 30, 31 zwischen der Drehscheibe 2 und den Gehäusedeckeln abgedichtet. Der linke Dichtring 30 ist einer Nut des linken Gehäusedeckels 12 und der rechte Dichtring 31 in einer Nut des rechten Gehäusedeckels 13 angeordnet.
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ist auch der Kolben 4 zur Abdichtung des Verbrennungsraums in üblicher Weise mit wenigstens einem Kolbenring 32 versehen. Die beiden Dichtplatten 16 wurden bereits erwähnt. Weiter ist auf dem Umfang des Zahnradgehäuses 27 eine Wellendichtung 33 vorhanden. Schliesslich ist das linke Drehscheibenlager 17 mit einem linken Wellendichtring 34 und das rechte Drehscheibenlager 18 mit einem rechten Wellendichtring 35 abgedichtet. Für diese sind Simmer Ringe verwendet.
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Für die Betätigung des Zündvorgangs ist auf der Achse deslinken Drehscheibenteils 2.1 ausserhalb des Gehäuses noch eine Zündnocke 36 ausgebildet.
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In der Explosionszeichnung von 5 sind alle vorbeschrieben Teile übersichtlich separat dargestellt. Hier ist auch zu sehen, wie die einzelnen Teile mit diversen, nicht näher bezeichneten Schrauben lösbar miteinander verschraubt sind. Das Pleuel 7 ist mit dem Kolben 4 durch einen Kolbenbolzen 37 verbunden
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Der Motor lässt sich um weiter Zylinder (3) erweitern, dabei bietet es sich an die Drehscheibe (2) statt radial axial zu teilen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Drehscheibe
- 2.1
- Drehscheibenteil links
- 2.2
- Drehscheibenteil rechts
- 3
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 5
- Kurbelwellengehäuse
- 6
- Kurbelwelle
- 7
- Pleuel
- 8
- Ansaugöffnung
- 9
- Abgasöffnung
- 10
- Gewindeöffnung
- 11
- Zündkerze
- 12
- Gehäusedeckel links
- 13
- Gehäusedeckel rechts
- 14
- Erweiterung im Gehäuse
- 15
- Ausnehmung in der Drehscheibe
- 16
- Dichtplatten
- A1
- erste Achse/Drehscheibenachse
- A2
- zweite Achse/Kurbelwellenachse
- 17
- Drehscheibenlager links
- 18
- Lagerdeckel links
- 19
- Drehscheibenlager rechts
- 20
- Lagerdeckel rechts
- 21
- Kurbelwellenlager links
- 22
- Kurbelwellenlager rechts
- 23
- kleines Zahnrad
- 24
- grosses Zahnrad
- 25
- Verbindungselement
- 26
- Fixierelement
- 27
- Zahnradgehäuse
- 28
- Ölleitungen
- 29
- Ölbohrungen
- 30
- Dichtring links
- 31
- Dichtring rechts
- 32
- Kolbenring
- 33
- Wellendichtung
- 34
- Wellendichtring links
- 35
- Wellendichtring rechts
- 36
- Zündnocke
- 37
- Kolbenbolzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007034941 A1 [0003]
