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Verbrennungskraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungskraftmaschine,
welche nach dem Prinzip der im Hauptpatent (Anm. Aktz.
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P 19 09 610.?) dargestellten Verdrängerpumpe aufgebaut ist und arbeitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine doppelt wirkende Verbrennungskraftmaschine
zu schaffen, die keinem hohen Verschleiß unterliegt, ohne aufwendige Steueranordnung
arbeitet, wenig Bauteile besitzt, aus einfach herstellbaren Einzelteilen zusammengesetzt
ist, nur geringe Massen beschleunigt und ohne komplizierte störanfällige Dichtungen
arbeitet. Die Verbrennungskraftmaschine soll leicht in hohen Stückzahlen insbesondere
als Zweitaktmotor herstellbar sein und bei hoher Leistungsabgabe möglichst geringe
Abmessungen besitzen.
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Erfindungsgemäß wird bei einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs
beschriebenen Art vorgeschlagen, daß die Verbrennung des Kraftstoffes in einem sein
Volumen in vorbestimmten Arbeitstakten zwischen einem Minimum und einem Maximum
ändernden Verbrennungsraum stattfindet, welcher jeweils durch eine an den beiden
Stirnseiten eines Ringkolbens zwischen dessen
in einem vorbestimmten
Winkel « zu seiner Längsachse abgeschrägten Stirnflächen und den an diese angrenzenden
und im gleichen Winkel o( abgeschrägten Kreisringflächen der Anlaufscheiben gebildete
Kammer dargestellt wird und daß die abgeschrägten Stirnflächen sowohl des Ringkolbens
als auch der Anlaufscheiben als Steuerkurven ausgebildet sind, deren Berührungsflächen
senkrecht zur Längsachse-des Ringkolbens stehen und aufeinander gleiten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 das Schnittbild einer
Verbrennungskraftmaschine, Fig. 2 das Schnittbild der Verbrennungskraftmaschine
mit gegenüber der Fig. 1 um 1800 gedrehter Rotoreinheit, Fig. 3 eine perspektivische
Ansicht der wichtigsten Einzelteile der Verbrennungskraftmaschine, Fig. 4 bis 7
Abwicklungen der Ringkolben- und Rotoreinheit wahrend der einzelnen Arbeitstakte,
Fig. 8 bis 11 Abwicklungen der Ringkolben- und Rotoreinheit der Verbrennungskraftmaschine
während der einzelnen Arbeitstakte bei Betrieb als Zweitaktmotor mit Spülgebläse,
Fig. 12 die Verbrennungskraftmaschine als ventilgesteuerter Viertaktmotor mit der
im Schnitt gezeichneten Ventilanordnung, Fig. 13 die Draufsicht auf die Ventilsteuerung,
Fig.
14 bis 17 eine Abwicklung der Ringkolben- und Rotoreinheit der Verbrennungskraftmaschine
bei Betrieb als doppelt wirkender Viertakt-Otto-Motor und Fig. 18 das Prinzip der
Ventilsteuerung bei Betrieb als Viertaktmotor.
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In den Fig. 1, 2 und 3 ist eine Prinzipsskizze der Ringkolben-Verbrennungskraftmaschine
dargestellt. Im Innenraum des feststehenden, vorzugsweise in waagerechter Arbeitslage
angeordneten Zylinders 1 mit den an seinen beiden Stirnseiten befestigAten Lagerschilden
2 und 3 ist die Rotoreinheit, bestehend aus der Welle 6 und den mit ihr fest verbundenen
Anlaufscheiben 7 und 8, angeordnet. Die Welle 6 ist in den Naben 4 und 5 der Lagerschilde
2 und 3 gelagert. Zwischen den beiden Anlauf scheiben 7 und 8 befindet sich auf
der Welle 6 im Innenraum des Zylinders 1 der ebenfalls rohrförmige Ringkolben 9.
Die beiden Stirnseiten des Ringkolbens 9 sowie die ihnen zugekehrten Stirnseiten
der Anlaufscheiben 7 und 8 sind in einem vorbestimmten Winkel o( (Fig.2) zur Mittelachse
der Welle abgeschrägt, so daß ihre Abwicklung eine auf- und absteigende Kurve, ähnlich
einer Sinuskurve, freigibt, wie dies z. B.
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aus der Fig. 4 ersichtlich ist. Die einander zugekehrten Kanten, Kante
10 der Anlaufscheibe 7 und Kante 11 des Ringkolbens 9, stehen dabei - ebenso wie
die einander zugekehrten Kanten der Anlaufscheibe 8 und des Ringkolbens 9 -über
ihre gesamte Berührungsfläche senkrecht zur Achsrichtung der Welle 6. Diese Kanten
bilden die Steuerkurven für den Ringkolben 9. Bei Drehung der Rotoreinheit in Richtung
des Pfeiles 15 gleiten die Kanten aufeinander und haben eine Hin- und Herbewegung
des Ringkolbens 9 in Achsrichtung der Welle 6 zur Folge. Die Anlaufscheiben und
der
Ringkolben sind also - für sich betrachtet - schräg abgeschnittene
Hohlzylinder, deren Schnittflächen so bearbeitet sind, daß sie senkrecht zur Zylinderachsrichtung
und somit auch zur Wellenachsrichtung stehen.
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Die beiden Anlaufscheiben 7 und 8 sind so auf der Welle 6 befestigt,
daß ihre Abschrägungen genau parallel zueinander verlaufen. Der Abstand zwischen
ihnen ist an jeder Stelle des Umfanges der Welle 6 gleich. Dagegen sind die Stirnseiten
des Ringkolbens 9 so bearbeitet, daß ihre Abschrägungen in einander entgegengesetzter
Richtung verlaufen und daher die Länge des Ringkolbens 9 - in der Abwicklung betrachtet
- ein Maximum und ein Minimum aufweist. Der Ringkolben 9 besitzt auf seinem äußeren
Umfang an beliebiger Stelle eine Nut 12, in welcher eine am Zylinder 1 befestigte
Paßfeder 13 gleitet und wird dadurch an einer Drehbewegung, nicht jedoch an einer
Axialbewegung in Richtung der Pfeile 16 und 18 (Fig.3) gehindert. Infolge der in
unterschiedlichen Richtungen verlaufenden Abschrägungen der Anlaufscheiben einerseits
und des Ringkolbens andererseits entsteht an dessen beiden Enden bei Drehung der
Rotoreinheit je eine Kammer 31 bzw. 32 mit veränderbarem Raume inhalt, welche als
K,mpressions- bzw. Gemischansaug- und Verbrennungsräum benutzt wird. Der Rauminhalt
verändért~sich bei Drehung der Rotoreinheit in Richtung des Pfeiles 15 je nach Stellung
des Ringkolbens und der Anlauf scheiben zueinander zwischen einem Minimum und einem
Maximum. Dabeierreicht jeweils eine der beiden Kammern dann ein Maximum, wenn die
andere ein Minimum aufweist. Im Normalfall sind die beiden Kammern 31 bzw. 32 gleich
groß, können jedoch für spezielle Anwendungszwecke durch Veränderung ihrer Durchmesser
in unterschiedlicher Größe hergestellt werden. Die Größe der Kammern 31 bzw. 32
ist also im Normalfall abhängig von der Größe des Winkels CC , durch welchen - wenn
man die Abwicklung der Steuerkurven nach den Fig. 4 bis 7 betrachtet - die Amplitudenhöhe
dieser Steuerkurven bestimmt wird. Sie ist weiterhin abhängig vom Durchmesser der
Welle 6 und dem der Bohrung im Zylinder 1.
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Die Befestigung der Anlaufscheiben 7 und 8 auf der Welle 6 erfolgt
vorzugsweise durch Auf schrumpfen, kann jedoch auch durch Kleben, durch Paß- oder
Schraubstifte, durch Unterkühlen oder ähnliche bekannte Maßnahmen erfolgen. Die
Paßfeder 19 kann durch jede andere Konstruktion ersetzt werden, welche geeignet
ist, dem Ringkolben 9 lediglich eine Bewegung in axialer Richtung zu erlauben.
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Bei sehr hohen Kompressionsdrücken, wie sie zum Beispiel bei Dieselbetrieb
auftreten, können zur Abdichtung der Kompressionsräume zusätzlich normale Kolbenringe,
beispielsweise am Außendurchmesser des Ringkolbens 9 und am Wellenumfang angeordnet
werden. Normalerweise reicht jedoch die Dichtung, welche durch die Länge der Lagerflächen
sowohl des Ringkolbens als auch der Anlaufscheiben im Inneren des Zylinders 1 gegeben
iSt, aus.
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Um einen möglichst wirksamen Toleranz- bzw. Verschleißausgleich der
Steuerkurven zu erreichen, kann vorzugsweise eine der beiden Anlaufscheiben 7 bzw.
8 so auf der Welle 6 befestigt werden, daß sie in ihrer Achsrichtung beweglich und
mittels konterbarer Stellmuttern genau einstellbar ist. Die Anlaufscheibe ist dabei
mit üblichen Mitteln ( zW B. Nut und Feder ) versehen, welche zwar eine Axialbewegung
aber keine Drehbewegung zulassen. Zur Verschleiß- und Reibungsminderung kann in
dem am weitesten vorspringenden rUnkt der Kante 10 bzwX 11 eine Walze oder Kugel
30 drehbar eingesetzt werden7 wie dies in der Fig. 3 angedeutet ist.
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Eing Verbrennungskraftmaschine der beschriebenen Art eignet sich besonders
zum Betrieb als Zwei-Takt-Motor. Dabei wird bei flrehnq' der Rotoreinheit in die
Kammern 31 und 32 durch im Zylinder 1 vorgesehene und ggf. mittels Ventilen verschlossene
Öffnngen ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt oder eingediclrt. Bei
weiterer Drehung der Welle 6
und damit verbundener Verringerung
des Kammervolumens wird das Gemisch verdichtet und schließlich zu einem geeigneten
Zeitpunkt auf übliche Art gezündet, so daß der entstehende Explosionsdruck die Rotoreinheit
in der vorbestimmten Drehrichtung weitertreibt. Dazu können im Zylinder 1 besondere
Kammern zur Aufnahme der Zündvorrichtung und zur Bildung eines Zündraumes vorgesehen
sein.
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Zur besseren Veranschaulichung der einzelnen Arbeitstakte sind in
den Fig. 4 bis 7 kurvenförmige Mantelabwicklungen des Ringkolbens 9 und der Anlauf
scheiben 7 und 8 dargestellt.
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Die in diesen Fig. dargestellte Arbeitsweise der Verbrennungskraftmaschine
ist die gleiche wie bei einem herkömmlichen gebläsegespülten Zweitakt-Otto-Motor
in Hubkolben-Bauart.
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Beim Hin- und Hergleiten des Ringkolbens 9 in Richtung der Pfeile
16 und 18 werden von ihm als Schlitze ausgebildete Öffnungen 14 in der Wand des
Zylinders 1 freigegeben.
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In der Fig. 4 wird davon ausgegangen, daß bei Beginn des ersten Arbeitstaktes
der Ringkolben 9 in derjenigen Stellung steht, in welcher der Rauminhalt der Kammer
31 ein Minimum beträgt und das in ihr verdichtete Eraftstoff-Luft-Gemisch gezündet
wird. Die Rotoreinheit dreht sich infolge des auf die Kante 10 der Anlaufscheibe
7 wirkenden Explosionsdruckes in Richtung des Pfeiles 15. Dadurch wird vom Ringkolben
9, welcher sich axial in Richtung des Pfeiles 16 bewegt, zunächst der AuslaSschlìtz
17 freigegeben (Fig. 5 bis 6). Die in der Kammer 31 befindlichen aber noch unter
hohem Druck stehenden verbrannten Gase können sich nun durch den Schlitz 17 in den
Auspuff entspannen. Wird bei weiterer Drehung der Rotoreinheit der Binlaßschli*z
19 freigegeben, so drückt ein ( nicht dar6gestelltes ) Gebläse frisches Kraftstoff-liuft-Geinisch
in die Kammer 31, wodurch die restlichen verbrannten Gase ausgespült werden (Fig.
6). Bei weiterer Drehung der Rotoreinheit bewegt sich der Ringkolben 9 in Richtung
des Pfeiles 18 (2.Takt), dabei wird nach Abschluß aller Schlitze in der ZylinderwaaduFX
das
Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet (Fig. 7), so daß ein neues Arbeitsspiel beginnen
kann.
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Da sich dieser Arbeitsablauf sowohl auf der einen Seite als auch -
im Ablauf jeweils um 1800 versetzt - auf der anderen Seite des Ringkolbens vollzieht,
hat die Verbrennungskraftmaschine einen doppelt wirkenden Ringkolben.
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Bei gleicher Leistungsabgabe des Motors pro Umdrehung sind beim Hubkolben-Otto-Motor
zwei Kolben notwendig.
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In den Fig. 8 bis 11 wird eine Ausführung gezeigt, die bei Ausbildung
als Hubkolben-Otto-Motor als kurbelgehäusegespülter Zweitakt-Motor bezeichnet wird.
Dabei besteht beispielsweise die Möglichkeit, eine Seite des Ringkolbens als Gemischpumpe
arbeiten zu lassen und dadurch das Kurbelgehäuse ersetzende Gebläse einzusparen.
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Bei Drehbewegung der Rotoreinheit in Richtung des Pfeiles 15 entsteht
in der Kammer 20 ein Unterdruck, bis die Kante des Ringkolbens 9 den Einlaßschlitz
21 im Zylinder 1 und damit den Weg für das frische Kraftstoff-Luft-Gemisch freigibt
(Fig. 9). Bei der weiteren Drehbewegung der Rotoreinheit wird das in der Kammer
20 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch etwas verdichtet (Fig. 10), so daß es, sobald
die Kante 11 des Ringkolbens 9 den Uberströmschlitz 22 im Zylinder 1 und damit den
Uberströmkanal 23 als Verbindung zwischen Pumpe (Kammer 20) und Verbrennungsraum
(Kammer 34) freigibt, in den Zylinderraum gelangen kann (Fig. 11). Gleichzeitig
läuft im Verbrennungsraum (Kammer 34) auf der anderen Seite des Ringkolbens 9 derselbe
Vorgang, wie er bei den Fig. 4 bis 7 beschrieben ist, ab.
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In den Fig. 12 und 13 ist die Möglichkeit dargestellt, für die Verbrennungskraftmaschine
eine Nockenwelle 25 vorzusehen, welche über eine Untersetzung 24 mit der Abstufung
1:2 von der Motorabtriebswelle 6 angetrieben wird. Damit kann
die
Maschine als durch die Ventile 26 und 27 gesteuerter Viertakt-Otto- oder Diesel-Motor
betrieben werden. Die Arbeitsweise entspricht derjenigen, die in den Fig. 4 bis
7 auf der linken Seite des Ringkolbens 9 dargestellt ist: 1. Takt ansaugen: bei
geöffnetem Einlaßventil 26 saugt der Ringkolben 9 bei Bewegung in Richtung des Pfeiles
16 frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Kammer 36, die Rotoreinheit führt dabei
eine Drehbewegung in Richtung des Pfeiles 15 aus (Fig. 5 und 7).
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2. Takt verdichten: bei geschlossenen Ventilen verdichtet der sich
in Richtung des Pfeiles 18 bewegende Ringkolben 9 das Kraftstoff-Luft-Gemisch; dann
erfolgt die Zündung durch eine Zündkerze (Fig. 6 und 4).
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3. Takt arbeiten: bei geschlossenen Ventilen treibt der Druck der
Verbrennung den Ringkolben wieder in Richtung des Pfeiles 16 (Fig. 5) und die Rotoreinheit
weiter in Richtung des Pfeiles 15.
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4. Takt ausstoßen: bei geöffnetem Auslaßventil stößt der Ringkolben
die verbrannten Gase aus (Fig. 7).
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Bei jedem Takt findet eine halbe Umdrehung der Rotoreinheit statt.
Da sich diese auf einer Seite des Ringkolbens angenommenen Arbeitsvorgänge um 1800
versetzt auch auf der anderen Seite vollziehen, hat der Motor bei jeder Umdrehung
einen Arbeitstakt. Es besteht die Möglichkeit, mehrere derartige Motoren in Kaskade
zu schalten. Um dabei einen gleichmäßigen Lauf zu erzielen, ist es zweckmäßig, mehrere
Maschinen auf einer gemeinsamen Welle anzuordnen, wobei die mittleren Anlaufscheiben
beidseitig mit einer Steuerkurve versehen werden können. Dabei ist es auch möglich,
alle auf einer Welle hintereinander angeordneten Motoren in einem einzigen Zylinder
unterzubringen.
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In den Fig. 14 bis 17 ist das Prinzip eines Viertakt-Motors, bei dem
bei einer Umdrehung der Rotoreinheit der Ringkolben 9 zwei Hin- und Herbewegungen
ausführt, dargestellt. Damit wird bei nur einer Umdrehung der Rotoreinheit sowohl
der Lade- als auch der Arbeitstakt vollzogen. Die in den Fig. 14 bis 18 gezeigte
Abwicklung des Ringkolbens 40 und der dazugehörigen Anlaufscheiben 41 und 42 lassen
erkennen, daß auf jeder Seite des Ringkolbens jeweils zwei Kammern - Kammer 43 und
44 auf der einen, Kammer 45 und 46 auf der anderen Kolbenseite - gebildet werden.
Die Arbeitsweise ist folgende: In Big. 14 bewegt sich der Ringkolben 40 in Richtung
des Pfeiles 47, die Rotoreinheit in Richtung des Pfeiles 48. Dabei wird in der Kammer
43 das angesaugte Gemisch verdichtet, während aus der Kammer 44 das verbrannte Gemisch
ausgestoßen wird. In der Fig. 15 ist das Gemisch in der Kammer 43 verdichtet und
wird gezündet, der Ringkolben 40 bewegt sich in Richtung des Pfeiles 49. Für die
Kammer 44 wird das Ei.nlaßventil geöffnet. Der Arbeitstakt der Kammer 43 ist in
der Fig. 16 dargestellt, dabei ist für die Kammer +4 der Ansaugvorgang fast beendet.
Bei Rückbewegung des Ringkolbens 40 wird dann aus der Kammer 43 das verbrannte Gemisch
ausgestoßen und in der Kammer 44 das angesaugte Gemisch verdichv tet (Fig. 17).
Auf der anderen Seite des Ringkolbens finden gleiczeitig die gleichen Arbeitsgänge,
jeweils um einen Arbeitstakt verschoben, statt.
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Die für einen solchen Motor erforderliche Ventilsteuerung ist aus
der Fig. 18 zu ersehen. Die Steuerstangen 28 des Einlaßventils 29 und des Auslaßventils
30 werden unabhängig voneinander durch. zwei Nockenrillen 50 am Umfang der Anlaufscheiben
geteu ert.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die oszillierende Bewegung des
Ringkolbens, unterstützt durch den Explosionsdruck, der unmittelbar auf die Anlaufscheiben
wirkt, auf sehr einfache Weise in die rotierende Bewegung der Rotoreinheit umgesetzt
wird. Der verwendete Ringkolben benutzt nur eine relativ geringe Klasse, so
daß
die Energieverluste beim Umsteuern des Kolbens ebenfalls nur gering sind. Die Anordnung
ist leicht steuerbar und infolge der relativ großen Länge des Ringkolbens und des
Zylinders sind auch keine besonderen Dichtungen erforderlich, da diese langen tragenden
Flächen gegenüber dem erreichbaren Überdruck sicher dichthalten. Im Rahmen der Erfindung
ist es selbstverständlich möglich, mehrere derartige Vertrennungskraftmaschinen
in Kaskadenform auf einer gemeinsamen Welle anzuordnen. Die Ausführung der Maschine
mit einer mittels Stellring und Paßfeder befestigten Anlaufscheibe läßt es zu, daß
der Luftspalt zwischen den Anlaufscheiben und dem Ringkolben bei Verschleiß nachgestellt
werden kann. Außerdem besitzt die Erfindung den Vorteil, mittels weniger unkomplizierter
Einzelteile äußerst wirtschaftlich gefertigt werden zu können.
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- Patentanspruche -