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Kolbenmaschine mit hin- und hergehendem und sich drehendem Kolben
Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit hin- und hergehendem und sich drehendem
Kolben, insbesondere eine Brennkraftkolbenmaschine, bei der die Gase über Öffnungen
in der Zylinderwand und die durchbrochene, sich drehende Kolbenlauffläche in den
Verbrennungsraum gesaugt und aus diesem ausgestoßen werden und bei der der Kolben
einen oder mehrere gegen die Kolbenoberseite zu ausmündende Kanäle oder Einbuchtungen
aufweist, die gegen die Kolbenlauffläche zu so weit offen sind, daß ihre untere
Begrenzung die Oberkante der Zylinderwandöffnungen nicht überläuft, und daß die
Absperrung des Hubraums beim Arbeits- und beim Verdichtungstakt in der Weise vonstatten
geht, daß der volle Teil des in seiner Gesamtheit sich drehenden Kolbens die Öffnungen
in der Zylinderwand unmittelbar oder unter Mithilfe von Kolbendichtungen absperrt.
Eine Maschine dieser Art ist Gegenstand des Patentes 1143 057.
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Die Erfindung ist ein Zusatz zu dem vorgenannten Patent, mit dem Kennzeichen,
daß der Kolben an seinem unteren Ende zum Aufladen und/oder Spülen wirksam ist,
wozu ein Kanal oder mehrere Kanäle am unteren Ende seiner Lauffläche bei seinem
Hin-und Hergang und bei der gleichzeitigen Rotation mit entsprechenden unteren Ein-
und Auslaßschlitzen in der Zylinderwand in Verbindung gebracht wird bzw. werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kolben einen oberen
und einen unteren Kanal auf. Nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
hat der Kolben einen oberen Kanal und zwei untere Kanäle. Bei einer dritten Ausführungsform
der Maschine nach der Erfindung weist der Kolben zwei gegenüberliegende obere Kanäle
und vier gegenüberliegende untere Kanäle auf. Die Erfindung ist jedoch an diese
Ausführungsformen nicht gebunden.
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Die Erfindung befaßt sich weiter mit einem Vorschlag zur Kraftübertragung
von Kolben der beschriebenen Art auf die Kurbelwelle. Die Kolben sind drehbar auf
in Hubrichtung geführten Kolbenlagern angeordnet, die auf der Kurbelwellenkröpfung
sitzende Exzenterscheiben kreuzkopfartig umfassen.
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Gemäß der Erfindung haben die Kolbenlager eine Innenverzahnung, in
welcher ein den halben Durchmesser der Innenverzahnung aufweisendes Ritzel der Kurbelwellenkröpfung
kämmt, die gegenüber der Kurbelwellenachse eine den vierten Teil des Durchmessers
der Innenverzahnung aufweisende Exzentrizität hat.
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Bei der Maschine nach der Erfindung kann die Anzahl der Zylinderkolben
und ihre Anordnung beliebig sein. Wenn die Erfindung auch zunächst für eine Brennkraftkolbenmaschine
bestimmt ist, so kann sie auch bei anderen Maschinen, z. B. Kompressoren, angewandt
werden. Dabei können die Massen vollkommen ausgeglichen werden; eine hohe Drehzahl
ist erreichbar.
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Es sind Kolbenmaschinen bekannt, bei denen die Kolben über eine Pleuelstange
od. dgl. auf eine Kurbelwelle einwirken und die Steuerung der Gase durch besondere
Elemente erfolgt. Bekanntlich sind diese Maschinen störanfällig und in der Drehzahl
begrenzt. Auch die bisher bekanntgewordenen Kolbenmaschinen, bei denen die Steuerung
der Gase durch Kolben erfolgt, die bei der Hin- und Herbewegung rotieren, haben
die gleichen Nachteile.
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Die nach der Erfindung vorgeschlagene, auf der Kurbelwellenkröpfung
drehbar angebrachte Exzenterscheibe rotiert in einem geradegeführten Kreuzkopf.
Der Exzenter hat die gleiche Drehzahl wie die Kurbelwelle und dreht sich in entgegengesetzter
Richtung. Die Exzentrizität des Exzenters und die Kröpfung der Kurbelwelle betragen
das gleiche Maß und ergeben zusammen den Hub. Der Kreuzkopf ist mit einer Innenverzahnung
versehen, die mit einem Ritzel der Kurbelwellenkröpfung kämmt. Das Zahnverhältnis
beträgt hierbei 2 : 1. Durch das Zusammenwirken der vorher beschriebenen Merkmale
wird bei der Umdrehung der Kurbelwelle eine gleichmäßige und geradlinige Hin- und
Herbewegung des Kreuzkopfes erzielt.
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Auf dem Kreuzkopf ist ein Kolben bzw. ein Kolbenpaar drehbar angebracht,
der bzw. die an seiner Lauffläche seitlich und nach oben offene Kanäle oder Einbuchtungen
besitzt bzw. besitzen, welche durch
die Rotation des Kolbens beim
Auf- und Abwärtsgang abwechselnd mit den Ein- und Auslaßschlitzen des Zylinders
in Verbindung gebracht werden. Die Rotation des Kolbens wird durch einen Zahnradring
veranlaßt, der am Exzenter gelagert ist und die Hubbewegung mitmacht. In dem Innenkranz
des Zahnradringes kämmt ein Ritzel der Kurbelwellenkröpfung. Mit seinen äußeren
Zähnen steht der Zahnradring mit der Zahnung des Kolbens im Eingriff.
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Nach der Erfindung ist der Kolben oder sind die Kolben gleichzeitig
an der Oberseite und an der Unterseite wirksam, so daß jeder Kolben beidseitig zum
Aufladen, Spülen, Komprimieren und zur Arbeitsleistung herangezogen werden kann.
Aus diesem Grund ist der Kolben auch nach der Unterseite hin mit entsprechenden
Öffnungen versehen, die durch die gleiche Rotation des Kolbens mit weiteren Ein-und
Auslaßschlitzen des Zylinders in Verbindung gebracht werden.
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Die Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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A b b. 1 ist ein Längsschnitt durch Kolben, Zylinder und Kurbelwelle
in Richtung der letztgenannten; Ab b.2 ist ein Längsschnitt quer zur Kurbelwelle;
A b b. 3 zeigt den Kreuzkopf in verschiedenen Schnitten und Stellungen; A b b. 4
zeigt Querschnitte durch Kolben und Zylinder.
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A b b. 1 und 2 zeigen eine Doppelkolbenmaschine, bei welcher der untere
Teil in der Zeichnung nicht ganz sichtbar ist. Auf einer Kurbelwellenkröpfung g
ist eine kreisförmige Exzenterscheibe h drehbar angebracht, die in einem Kreuzkopf
i rotiert und geführt wird. Der Kreuzkopf i gleitet in seiner Führung
j. Er ist mit einer Innenverzahnung k versehen, die mit einem Ritzel 1 der
Kurbelwellenkröpfung g kämmt. Das Ritzel 1 hat die halbe Zähnezahl als der Zahnkranz
k. Die Kraftübertragung von der Kolbenstange m2 auf die Kurbelwelle erfolgt hier
also nach dem Prinzip der Hypozykloide.
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Auf dem Kreuzkopf i ist ein Kolben bzw. ein Kol# benpaar m drehbar
angebracht. Jeder Kolben hat an seiner Lauffläche bei dem gezeigten Beispiel einen
seitlich und nach oben offenen Kanal n, welcher durch die Rotation des Kolbens beim
Auf- und Abwärtsgang abwechselnd mit Ein- und Auslaßschlitzen o des Zylinders p
in Verbindung gebracht wird.
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Die Rotation des Kolbens m wird durch einen Zahnradring q bewirkt.
Dieser ist auf dem Exzenter h gelagert. Der Zahnradring q kämmt mit seinen äußeren
Zähnen q2 mit der Zahnung des Kolbens ml. In dem Innenkranz q , kämmt
ein Ritzel r der Kurbel-Unterseite wirksam sein können, sind Abschlußteile
s wellenkröpfung. Dadurch, daß die Zähnezahl des Ritzels r von der halben Zähnezahl
des Zahnkranzes q1 abweicht, ergibt sich die Drehung des Kolbens, welche durch die
Kegelradverzahnung qQ, ml auf den Kolben übertragen wird.
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Die Unterseite des Kolbens ist so ausgebildet, daß sie zum Aufladen,
Spülen usw. wirksam ist. Aus diesem Grund ist der Kolben auch nach der Unterseite
hin mit entsprechenden Öffnungen n1 versehen, die durch die Rotation des Kolbens
m mit Ein- und Auslaßschlitzen o1 des Zylinders in Verbindung gebracht werden. Die
Öffnungen o1 des Zylinders stehen mit den oberen öffnungen o des Zylinders p in
Verbindung, durch die die Aufladung bzw. Spülung erfolgt. Damit zwei gegenüberliegende
Kolben an ihrer angebracht, die das Kurbelgehäuse t zu den Zylindern p abschließen.
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Die A b b. 3 zeigt Schnitte durch den Kreuzkopf in Richtung der Kurbelwelle
und quer dazu. Außerdem sind in der A b b. 3 verschiedene Stellungen des Kreuzkopfes
dargestellt.
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Die Schnitte unter b entsprechen BB der Abbildung a, die Schnitte
unter c entsprechen CC der gleichen Abbildung.
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Die Abbildungen d, e und f zeigen den Kreuzkopf in verschiedenen
Hubstellungen.
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In der A b b. 3 sind wiederuni die Kurbelwellenkröpfung g und der
Exzenter h zu erkennen, der im Kreuzkopf i rotiert und geführt wird. Der Kreuzkopf
i gleitet in seiner Geradführung j und weist die Innenverzahnung
k auf, in dem das Ritzel 1 der Kurbelwellenkröpfung g kämmt.
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Bei den Stellungen nach c, d, e und f hat sich die Kurbelwelle
jeweils um eine Viertelumdrehung im Uhrzeigerdrehsinn weitergedreht.
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Gemäß der A b b. 4 ist unter a und a1 ein Ausführungsbeispiel für
die Ausführung eines Kolbens und eines Zylinders im Schnitt dargestellt. Dabei ist
a ein Schnitt durch den oberen Teil und a1 ein Schnitt durch den unteren Teil. Die
verschiedenen Kolbenstellungen sind mit den Ziffern 1, 2, 3 und 4 gekennzeichnet.
Das Ausführungsbeispiel a und a1 bezieht sich auf die Steuerung eines Viertaktmotors.
Der Kolben rotiert im Uhrzeigerdrehsinn. Der Eintritt und der Austritt der Gase
sind durch Pfeile gekennzeichnet.
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Nach dem Beispiel a nimmt der Kolben m in der Stellung
1 eine obere Stellung ein. Dabei sind die Ein- und Auslaßschlitze o vom vollen
Teil des Kolbens verschlossen. Bei der Abwärtsbewegung und gleichzeitiger Rotation
des Kolbens gleitet derselbe mit seinem Kanal n über den Einlaßschlitz o des Zylinders
p hinweg und hat am unteren Punkt bei Stellung 2 des Kolbenkanals den Ansaugtakt
beendet. In der oberen Stellung 3 des Kolbenkanals hat der Kolben m den Verdichtungstakt
und in der unteren Stellung bei 4 den Arbeitstakt beendet. Die Ein- und Auslaßschlitze
o des Zylinders p bleiben hierbei durch den Kolben m verschlossen. Durch die weitere
Rotation des Kolbens beim Hinaufgehen wird der Auslaßschlitz o im Zylinder durch
den Kolbenkanal n freigegeben, wobei die verbrannten Gase ausgeschoben werden. Bei
der oberen Stellung 1 des Kolbenkanals ist der Auslaßschlitz wieder vom Kolben geschlossen,
und der Arbeitszyklus beginnt von neuem.
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In der unterhalb von a dargestellten Abbildung a1 ist die Unterseite
des Kolbens zu sehen, die als Kompressor zum Aufladen, Spülen usw. wirksam ist.
Hier ist der Kolben mit den Öffnungen n1 versehen, die bei der Rotation mit den
Ein- und Auslaßschlitzen o1 des Zylinders in Verbindung gebracht werden. Bei einem
Viertaktzyklus des Motors macht der Kolben zur Unterseite hin zwei Kompressionsschübe,
die beide zum Aufladen oder Spülen des Motors oder auch kombiniert Anwendung finden
können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel b handelt es sich ebenfalls um einen Viertaktmotor,
bei dem wiederum der Kolben im Uhrzeigersinn rotiert. Die verschiedenen Kolbenstellungen
sind wiederum mit Ziffern angedeutet. Wie aus der Abbildung b zu erkennen ist, hat
hier der Kolben zwei gegenüberliegende Kanäle n. Diesen Kanälen entspricht je ein
Paar gegenüberliegende
Ein- und Auslaßschlitze. An der Unterseite
hat der Kolben im Winkel von 90° zueinander versetzte Paare von einander gegenüberliegenden
unteren Öffnungen. Die Steuerung der Gase geschieht hier analog wie bei a.
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In c ist ein Kompressor dargestellt mit einem Kanal im Kolben in oberer
Stellung 1 des Zylinders. Die Ein und Auslaßschlitze des Zylinders sind hierbei
vom vollen Teil des Kolbens verschlossen. Bei der Abwärtsbewegung und gleichzeitigen
Rotation des Kolbens gleitet derselbe mit seinem Kanal über den Einlaßschlitz des
Zylinders hinweg und hat am unteren Punkt bei Stellung 2 des Kolbenkanals den Ansaugtakt
und in oberer Stellung 1 den Ausströmtakt beendet. Gemäß cl ist der Kolben an der
Unterseite analog wie a1 und b1 gleichzeitig mit wirksam.
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Bei einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine muß die Lage und Anzahl
der Kolbenkanäle an der Obersowie an der Unterseite mit der Lage und Anzahl der
Ein- und Auslaßschütze des Zylinders und der Umdrehungszahl des Kolbens in einem
solchen Verhältnis zueinander stehen, daß der Motor bzw. Kompressor ein- und ausatmen
kann. Nach der Erfindung kann das Spülen bzw. Aufladen der Kolbenmaschine während
des ganzen Aus- bzw. Einströmhubes stattfinden. Der Gaswechsel ist auch mit einem
Kolbenkanal möglich. Damit einseitige Kolbendrücke vermieden werden, ist es von
Vorteil, einander ausgleichende gegenüberliegende Kolbenkanäle anzubringen. Um eine
gute Abdichtung zu erreichen, ist der Kolben oben und unten mit Dichtringen und
seitlich an den Kanälen mit Dichtleisten zu versehen.
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Die Anzahl und Anordnung der Kolbenexzenter und Ritzel auf der Kurbelwellenkröpfung
ist beliebig. Die Rotation der Kolben kann auf verschiedene Weise erfolgen. Unter
anderem ist es möglich, den Kolben nach der vorbeschriebenen Art anstatt über ein
besonderes Zahnrad, direkt vom Exzenter anzutreiben. Da aber ein zu großer Unterschied
im Durchmesser des Exzenters gegenüber der Kurbelwellenkröpfung besteht, ist die
vorgenannte Antriebsart aus baulichen Gründen ungünstig. Das Abschlußteil s unterhalb
des Zylinders erübrigt sich, wenn das Kurbelgehäuse der Kolbenmaschine als Abschluß
dient. In diesem Fall kann der Kolben direkt auf dem Kreuzkopf gelagert sein, wobei
die Kolbenstange nicht erforderlich ist.
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Die in den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten
Merkmale können einzeln oder miteinander kombiniert Anwendung finden. Auch ist der
Motor nach der vorbeschriebenen Art als Zweitakter zu gebrauchen.
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Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine gestattet eine kompakte Bauart.
Das Ein- bzw. Ausströmen der Gase vollzieht sich während des ganzen Hubes und findet
schnell und verlustlos in einfacher Weise statt.