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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit kurbelwellenlosem
Triebwerk bei dem konzentrisch-koaxial angeordnete Zylinder und
eine Kurvenbahn einen kompakten Antrieb bilden.
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Bekannt
ist ein derartiger Kurvenbahnmotor als Herrmann-Motor, gebaut 1935 als Versuchsmotor für Flugzeuge
in den USA. Zwei Zylinderblöcke
mit je sechs konzentrisch-koaxial angeordneten Zylindern sind hier
zu einer Einheit verschraubt. Je zwei sich gegenüberliegende Kolben sind miteinander
verbunden und greifen mit Rollen an einer sinusförmigen Kurvenscheibe an. Diese
dreht sich unter den Kolbenkräften
weg und treibt die Antriebsrolle an (FH Friedberg. Prof.
Stefan Zima, "Gescheiterte
Motorkonzeptionen – Ungeeignete
Konstruktionen oder der Wandel der Randbedingungen" in MTZ 11/1997 S.
660 ff und 20.9.2007 unter http//www.fh-friedberg.de/users/zima/konzept.html).
Eine Scheibe, die die Kurvenbahn trägt, auf der die Rollen ablaufen, liegt
dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung der oszillierenden Kolben
auf der Antriebswelle angeordnet.
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Ähnlich ist
die Verbrennungskraftmaschine nach
DE 879 624 C ausgebildet. Um zu verhindern, dass
durch die fortdauernden Explosionsschläge, die von den Rollen auf
die Kurvenbahn übertragen
werden müssen,
Deformierungen und ein unruhiger Lauf hervorgerufen werden, wird
hier eine federnde Lagerung der Kurvenscheibe vorgeschlagen. Ferner
soll die Kurvenscheibe axial verschiebbar sein, um Kompressionsverstellungen
zu ermöglichen.
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In
der
DE 25 006 08 A wird
ein kurvenscheibenangetriebener und -gesteuerter 4-Takt-Hubkolbenmotor
mit kontinuierlich einstellbarem Zylinderraum beschrieben. Die Kolbenstangen
rollen hier auf zwei konzentrisch, gleichgeformten Kurvenscheiben ab.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Einstellbarkeit eines Verbrennungsmotors,
dessen oszillierende Kolbenbewegung über eine Kurvenbahn in eine
drehende Antriebswellenbewegung umgeformt wird, zu verbessern und
belastungsabhängig
vornehmen zu können.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit den Merkmalen des 1. Anspruches, vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist bei
einem Verbrennungsmotor mit einem kurbelwellenlosen Triebwerk, bei
dem Kolbenpaarungen von sich gegenüberliegenden konzentrisch und
koaxial um eine Antriebswelle angeordneten und miteinander durch
eine Kolbenstange verbundenen Kolben angeordnet sind, wobei von
den Kolbenstangen die oszillierende Kolbenbewegung auf einen auf
der Antriebswelle angeordneten Kurvenbahnträger mit einer Kurvenbahn übertragbar
ist und die Antriebsbewegung entsteht, indem sich die Kurvenbahn
unter den Kolbenkräften wegdreht,
vorgesehen, dass der Kurvenbahnträger ein Zylinder ist, der verdrehfest
auf der Antriebswelle gelagert ist und die Kurvenbahn aus mindestens
zwei parallel verlaufenden Nuten im Zylindermantel des Zylinders
des Kurvenbahnträgers
besteht, wobei in den Nuten Zapfen geführt sind, die mit jeweils einer Kolbenstange
verbunden sind.
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Das
Gehäuse
ist bei diesem Motor bevorzugt dreigeteilt ausgebildet, nämlich einem
Zylinderbuchsengehäuse
jeweils außen
und einem zwischen diesen angeordneten Triebwerksgehäuse für den Kurvenbahnträger mit
der Kurvenbahn und den Füh rungsteilen
für die
Führungszapfen,
die in die Nute der Kurvenbahn eingreifen. Die Gehäuseteile
sind untereinander verbunden, vorzugsweise verschraubt.
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Ein
derartig ausgebildeter Motor hat einen kompakten Aufbau ist einfach
steuerbar und verfügt über ein
hohes lastabhängiges
Einstellpotential wie nachfolgend noch detailliert erläutert wird.
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Die
Antriebswelle, die das Gehäuse
zentrisch durchläuft,
ist in der bevorzugten Ausführung geteilt
und symmetrisch ausgebildet, wobei die beiden Antriebswellenteile
spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, im Bereich des Kurvenbahnträgers beginnend
mit einem Zahnstangenabschnitt, so dass durch eine entsprechende
Verzahnung in einer zentrischen Bohrung des Kurvenbahnträgers die
verdrehfeste Verbindung zwischen dem Kurvenbahnträger und
den Antriebswellenteilen herstellbar ist. Neben entsprechenden Lagerteilen
ist ein weiteren Zahnstangenabschnitt am äußeren Ende mindestens einer
der Antriebswellenteile zur Aufnahme von Teilen des Ventilsteuergetriebes,
insbesondere des Antriebsritzels für dieses Getriebe, vorgesehen.
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Abtriebsseitig
verfügt
das Ventilsteuergetriebe über
eine Nockenscheibe zur Betätigung
der Ventile für
die Arbeitsräume über den
Kolben. Dabei ist Bestandteil des Ventilsteuergetriebes in einer
bevorzugten Ausführung
ein Zahnriemen zwischen Antriebsritzel und Nockenscheibe.
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Wie
oben dargestellt greifen in die Nute der Kurvenbahn Führungszapfen
ein. Die Führungszapfen
sind wiederum in einem Führungszapfenträger gelagert,
der mit der jeweiligen Kolbenstange gekoppelt ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht nunmehr vor, dass diese Kopplung
lösbar
ist, so dass Kolbenpaare zu- oder abschaltbar sind, wobei sie in abgeschalteter
Position nicht zwangsweise der Kurvenbahn folgen müssen, sondern
sogar stillstehen können.
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Der
Führungszapfenträger ist
dazu auf der Kolbenstange verschiebbar und feststellbar angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführung
verfügt
die Kolbenstange mindestens über
eine umlaufende Nut, in die zur Herstellung einer lösbaren Verbindung
zwischen Führungszapfenträger und
Kolbenstange Feststellkeile, die im Führungszapfenträger gelagert sind,
eingreifen. Die Ansteuerung der Feststellkeile kann mechanisch,
elektromotorisch, elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch
oder einer Kombination daraus erfolgen.
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Die
form- und/oder kraftschlüssige
Verbindung zwischen der Kolbenstange und dem Führungszapfenträger erfolgt
dabei bei einer Kolbenstellung im Bereich des oberen bzw. unteren
Totpunktes der Kolben, da deren Bewegung hier dem Wert Null angenähert ist.
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Vorteilhafterweise
weist die Kolbenstangennut ferner einen nach außen geöffneten prismatischen Querschnitt
auf, so dass sich für
die Herstellung des Eingriffs der Feststellkeile in die Kolbenstangennut
ein größeres Zeitfenster
ergibt.
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Wenn
zwischen den Feststellkeilen und der Kolbenstangennut Formschluss
hergestellt ist, befindet sich die Kolbenpaarung in der optimalen
Arbeitsposition. Zusätzliche
Verstellmöglichkeiten
der Feststellkeile z.B. durch Verdrehen oder Wechselmöglichkeiten
zwischen Feststellkeilen schaffen zusätzliche Möglichkeiten für eine Optimierung
der Motorsteuerung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kolben gegenüber der
Kolbenstange ein axiales Spiel besitzen.
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Das
axiale Spiel kann bei einer Ausführung durch
ein axiales Kolbenlager der Kolbenstange auf der Innenseite des
Kolbens bewirkt werden. Das Kolbenlager besteht dabei aus einem
Kolbenträger
in Form einer Scheibe, die zentrisch mit der Kolbenstange verbunden
ist und auf der das Kolbengehäuse innenseitig
vorzugsweise flächig
aufliegt, wobei die mögliche
kolbengehäuseinnenseitige
Auflagefläche > ist als die Scheibenfläche und
die Scheibe durch einen Körper,
vorzugsweise einen in das Kolbengehäuse einschraubbaren Innenring
hinterfasst ist, der eine Durchgangsöffnung für die Kolbenstange aufweist,
die größer ist
als die Querschnittsfläche
der Kolbenstange selbst.
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Ausführungsbeispiele
sollen anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen
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1 den
Motoraufbau in einer Exposedarstellung,
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2 die
Arbeitszyklen,
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3 eine
Ventilsteuerung,
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4 Führungszapfenträger und
Kolbenstange und
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5 die
Lagerung des Kolbens auf der Kolbenstange
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In 1 ist
in einer Exposedarstellung der Verbrennungsmotor mit einem kurbelwellenlosen Triebwerk
abgebildet. Das Gehäuse 1 ist
dreigeteilt ausgebildet, einem Zylinderbuchsengehäuse 2 und 3 jeweils
außen
und einem zwischen diesen angeordneten Triebwerksgehäuse 4.
Die Gehäuseteile 2, 3, 4 sind
untereinander verbunden, vorzugsweise durch Verschrauben.
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Der
Verbrennungsmotor ist mit Kolbenpaarungen von sich gegenüberliegenden
konzentrisch und koaxial um die Antriebswelle 16 angeordneten und
miteinander durch eine Kolbenstange 7 verbundenen Kolben 5, 6 ausgestattet,
wobei sich die Kolben 5, 6 in den Zylinderbuchsengehäusen 2 bzw. 3 bewegen.
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Von
den Kolbenstangen 7 wird die oszillierende Kolbenbewegung
auf den auf der Antriebswelle 16 angeordneten Kurvenbahnträger 11 mit
der Kurvenbahn 11.1 übertragen
und die Antriebsbewegung entsteht, indem sich die Kurvenbahn 11.1 unter
den Kolbenkräften
wegdreht. Der Kurvenbahnträger 11 befindet
sich im Triebwerksgehäuse 4.
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Die
dargestellte Kurvenbahn 11.1 besteht aus vier parallel
verlaufenden Nuten 11.2 im Zylindermantel des Zylinders
des Kurvenbahnträgers 11,
wobei in den Nuten 11.2 Zapfen 9 geführt sind,
die mit jeweils einer Kolbenstange 7 über einen Führungszapfenträger 8 verbunden
sind.
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Neben
dem Kurvenbahnträger 11 mit
der Kurvenbahn 11.1 befinden sich auch die Führungsteile 10 für die Führungszapfenträger 8 im
Triebwerksgehäuse 4.
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Aus
der Darstellung ist auch ersichtlich, dass die Antriebswelle 16 geteilt
und symmetrisch ausgebildet und die beiden Antriebswellenteile 16.1 und 16.2 spiegelbildlich
zueinander angeordnet sind, im Bereich des Kurvenbahnträgers 11 beginnend
mit einem Zahnstangenabschnitt 12, so dass durch eine entsprechende
Verzahnung in einer zentri schen Bohrung des Kurvenbahnträgers 11 die
verdrehfeste Verbindung zwischen dem Kurvenbahnträger 11 und den
Antriebswellenteilen herstellbar ist.
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Ein
weiterer Zahnstangenabschnitt 13 ist jeweils an den anderen
Enden der Antriebswellen 16.1 und 16.2 angeordnet
und dient zur Aufnahme von Teilen des Ventilsteuergetriebes 17,
insbesondere des Antriebsritzels 17.1.
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Ferner
wird gezeigt, dass die Verbindung zwischen der Kolbenstange 7 und
den Führungszapfen 9 über einen
auf oder an der Kolbenstange 7 angeordneten Führungszapfenträger 8 hergestellt
wird. Dabei ist der Führungszapfenträger 8 auf
der Kolbenstange 7 verschiebbar und feststellbar angeordnet. Das
eröffnet
die Möglichkeit,
Kolbenpaarungen aus dem Motorbetrieb herauszunehmen oder zuzuschalten.
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2 zeigt
die Arbeitszyklen am Beispiel eines Verbrennungsmotors mit vier
Kolbenpaaren von sich gegenüberliegenden
konzentrisch und koaxial um die Antriebswelle 16 angeordneten
und miteinander durch eine Kolbenstange 7 verbundenen Kolben 5 und 6.
Die Kolben 5, 6 bewegen sich in den Zylinderbuchsengehäusen 2 bzw. 3.
Von den Kolbenstangen 7 wird die oszillierende Kolbenbewegung
auf den im Triebwerksgehäuse 4 auf
der Antriebswelle 16 angeordneten Kurvenbahnträger 11 mit
der Kurvenbahn 11.1 übertragen,
indem sich die Kurvenbahn 11.1 unter den Kolbenkräften, übertragen
durch die Führungszapfen 9 wegdreht.
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3 zeigt
eine vorteilhafte Ventilsteuerung über ein Ventilsteuergetriebe 17,
das auf der einen Seite mit der Antriebswelle 16 gekoppelt
ist und auf der anderen Seite mit einer Nockenscheibe 17.3 zur Betätigung der
Ventile 17.4. Bestandteil des Ventilsteuergetriebes 17 ist
ein Zahnriemen 17.2, der unter Zwischenschaltung eines
weiteren Zahnrades die Bewegung des Antriebsritzels 17.1,
auf der Antriebswelle 16 angeordnet, auf eine Nockenscheibe 17.3 überträgt. In dieser
Darstellung sind jeweils die Ventile jedes Arbeitsraumes eines Kolbens 5 oder 6 über einen
separaten Zahnriemen 17.2 mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.
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Denkbar
sind je nach Verwendung, Platzbedarf und Einstellbedarf auch andere
Getriebe.
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4 zeigt
einen Schitt durch den Führungszapfenträger 8 und
die Kolbenstange 7. Der Führungszapfenträger 8 ist
auf der Kolbenstange 7 verschiebbar und feststellbar angeordnet
und stellt über hier
nicht dargestellte Führungszapfen 9 den
ständigen
Eingriff mit der Kurvenbahn 11.1 des Kurvenbahnträgers 11 her,
so dass die oszillierende Kolbenbewegung auf den auf der Antriebswelle
angeordneten Kurvenbahnträger 11 erfolgt,
indem sich die Kurvenbahn unter den Kolbenkräften wegdreht.
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Die
Kolbenstange 7 verfügt
mindestens über eine
umlaufende Nut 15, in die zur Herstellung einer lösbaren Verbindung
zwischen Führungszapfenträger 8 und
Kolbenstange 7 Feststellkeile 14, die im Führungszapfenträger 8 gelagert
sind, eingreifen.
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In
der unteren hälftigen
Darstellung befinden sich die Feststellkeile 14 im Eingriff
mit der Kolbenstangennut 15, d.h., die oszillierende Kolbenbewegung
wird auf die Antriebswelle 16 übertragen.
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In
der oberen hälftigen
Darstellung ist die Verbindung Kolbenstange 7 – Führungszapfenträger 8 unterbrochen.
Im Motorbetrieb folgt der Führungszapfenträger 8 der
Bewegung der Kurvenbahn sozusagen im Leerlauf, denn die Kolben 5, 6 dieser
Paarung stehen zusammen mit der sie verbindenden Kolbenstange 7 still,
diese Kolbenpaarung ist aus dem Motorbetrieb herausgenommen.
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Durch
das Einrasten der Feststellkeile 14 in die Kolbenstangennut 15 wird
die form- und/oder kraftschlüssige
Verbindung Kolbenstange 7 – Führungszapfenträger 8 hergestellt,
die Kolbenpaarung wird zugeschaltet.
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Das
Herstellen dieser form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der
Kolbenstange 7 und dem Führungszapfenträger 8 erfolgt
bevozugt bei einer Kolbenstellung im Bereich des oberen Totpunktes
des Kolbens 5 und des unteren Totpunktes des Kolbens 6 oder
umgekehrt, da deren Bewegung hier dem Wert Null angenähert ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist vorgesehen, dass die Kolben 5,6 gegenüber der
Kolbenstange 7 ein axiales Spiel besitzen. Eine solche
Ausführung
ist in 5 dargestellt.
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Das
axiale Spiel wird durch ein axiales Kolbenlager 18 der
Kolbenstange 7 auf der Innenseite des Kolbens 5,6 bewirkt.
Das Kolbenlager 18 besteht aus einem Kolbenträger 18.2 in
Form einer Scheibe, die zentrisch mit der Kolbenstange 7 verbunden
ist und auf der das Kolbengehäuse 18.1 innenseitig
flächig
aufliegt, wobei die mögliche
Auflagefläche > ist als die Scheibenfläche und
die Scheibe durch einen Körper,
vorzugsweise einen in das Kolbengehäuse 18.1 einschraubbaren
Innenring 18.3 hinterfasst ist, der eine Durchgangsöffnung für die Kolbenstange 7 aufweist,
die größer ist
als die Querschnittsfläche
der Kolbenstange 7.
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Schwingungen
der Bewegungsübertragungsmechanismen
Kolbenstange 7 – Führungszapfenträger 8 und
Führungszapfenträger 8 – Führungszapfen 9 – Kurvenbahnträger 11 werden
so nicht auf die Kolben 5, 6 übertragen (Kolbenverkanten).
Ferner brauchen die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen sowie
die Montagetoleranzen zwischen den Gehäuseteilen 2, 3, 4 so
nicht zu hoch angesetzt werden. Das sind weitere wesentliche Vorteile.
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Werden
wie dargestellt zwischen dem Innenring 18.3 und der Unterseite
der Scheibe des Kolbenträgers 18.2 weitere
Scheiben, vorzugsweise drei Scheiben 18.4 angeordnet, deren
Auflageflächen mindestens
eine Paarung mit einer zur Antriebswelle 16 geneigten Oberfläche enthält und deren
Durchgangsöffnung
für die
Kolbenstange 7 größer ist
als deren Querschnittsfläche,
wirken zusätzlich
Selbstzentrierungskräfte
des Kolbengehäuses 18.1 bezogen
auf den Kolbenträger 18.2.
Von Vorteil ist es dabei, wenn mindestens eine Scheibe 18.4 sich
außen elastisch
an der Kolbengehäuseinnenseite
abstützt.
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In
den Ausführungsbeispielen
ist die Motorvariante beschrieben. Natürlich kann dieser Motor auch
als Kompressor betrieben werden.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Zylinderbuchsengehäuse
- 3
- Zylinderbuchsengehäuse
- 4
- Triebwerksgehäuse
- 5
- Kolben
einer Paarung
- 6
- Kolben
einer Paarung
- 7
- Kolbenstange
- 8
- Führungszapfenträger
- 9
- Führungszapfen
- 10
- Führungsteil
- 11
- Kurvenbahnträger
- 11.1
- Kurvenbahn
- 11.2
- Nute
- 12
- Zahnstangenabschnitt
- 13
- Zahnstangenabschnitt
- 14
- Feststellkeile
- 15
- Kolbenstangennut
- 16
- Antriebswelle
- 17
- Ventilsteuergetriebe
- 17.1
- Antriebsritzel
- 17.2
- Zahnriemen
- 17.3
- Nockenscheibe
- 17.4
- Ventile
- 18
- Kolbenlager
- 18.1
- Kolbengehäuse
- 18.2
- Kolbenträger
- 18.3
- Innenring
- 18.4
- Scheiben