DE2211848A1 - Kolbenmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Dipl.-Phys. Dr. jur. Jürgen Witte - Patentanwalt - ο O 1 1 Q /

D-8031 Gröbenzell bei München - Fimstraße 7 £ 4 I I <? 4

S 36.4

Dipl.-Ingο V/. Salzmann Solothurn, Touringhaus (Schweiz)

Kolbenmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor,

Zusatz zu P 20 28 916.1

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Kolbenmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren, bei denen der Kolben mit der Pleuelstange starr verbunden und die Hubraummantelfläche angenähert den Pendelbewegungen des Kolbens entsprechend derart geformt ist, daß der Hitteilpunkt des Kolbenrandes möglichst nahe der Mittelachse des Hubraummantels verläuft.

Bei konsequenter Ausnutzung der in diesem Pendelkolben-Prinzip enthaltenen Möglichkeiten entstehen neuartige Kolbenmaschinen, insbesondere Pendelkolbenmotoren, die gegenüber den heutigen Hubkolben- und Rotationskolben-

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uo boren v/es entliehe Vorteile aufweise:..

Ziel der vorliegenden Krfindum; idü lie v/eibere -/e.·;·- besserung der in der uauptpatenbanneluun,'" P ?0 ?. j'lb.'l beschriebenen PeacLelkolben—honatruktionen hirii-io-itlicii des mechanischen und thermischen LaufVerhaltens des Kolbens, einer Reduktion der bewegten Kassen, der jjauhühe und der Herstellungskosten, sowie bei der Verwendung der Erfindung für Verbrennungsmotoren hinsichtlich der Verbrennungsverhältnisse und damit der Erzielung schadstoffarmer Abgase.

Das Pendelkolben-Prinzip kann bei Motoren Jeder Art und Größe und für jedes Verbrennungsverfahren angewandt werden. .Ferner kann es auch bei Kompressoren und Pumpen zur Erzielung größerer Einfachheit, Kompaktheit und Laufruhe zur Anwendung kommen.

Die nach der Erfindung vorgeschlagenen Pendelkolbenmaschinen sollen nachfolgend arn Beispiel von Verbrennungsmotoren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert werden.

Es zeigen:

Ji¹Ig. 1 A und 3 einen Querschnitt durch Pendelkolben und Zylindergehäuse eines Verbrennungsmotors,

Fig. 2 einen halben Querschnitt durch einen Pendelkolben,

Fig. 3 A und B den Oberteil eines Diesel-Pendelkolbens im Querschnitt,

Fig. 4- eine nicht die Erfindung behandelnde Prinzipdarstellung eines Wankelmotors zum Vergleich mit Fig. 5,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines Kolbenmotors in Zweitakt-Ausführung zum Vergleich mit Fig. 4,

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BAD ORIGINA!,.

i^pi-. 6 A und % _fje sur Hälfte einen Zv;eitakt—;3ensinunu Dieselmotor, im Querschnitt,

!''ir;. 7 A und b Längsschnitte entsprechend den Darstellungen der J?ig. 6 A und B,

Fi;;. c bis 10 Viertel-Abschnitte von rechteckigen Kolbendichtunr:en für Motoren nach -FiR. 6 und 7_?

jiip;. 11 einen liegenden Glühkopfmotor mit Pendelkolben im Querschnitt,

Fiu¹. 11 A einen für den Motor nach Fig. 11 verwendbaren Vielstoff-Zylinderkopf für Schichtladung,

ϊχ£» 12 einen Stirlingmotor im teilweisen Querschnitt mit Pendelkolben,

Fig. 13 eine Schemazeichnung eines nicht zur Erfindung gehörenden Zweitakt-Großdieselmotors mit Kreuzkopf-Kurbeltrieb zum Vergleich mit Fig. 14,

Fig. 14 einen Zweitakt-Dieselmotor mit Pendelkolben, im Querschnitt, zum Vergleich mit Fig. 13,

Fig. 15 A und B teilweise Längsschnitte durch die Kurbelgehäuse von Zweitakt-Großdieselmotoren von ähnlichem Aufbau wie in Fig. 14,

Fig. 16 einen Pendelkolben-Zweitaktmotor für Wärmekraftwerke, im Querschnitt,

Fig. 17 den Motor nach Fig. 16 in teilweisem Längsschnitt und

Fig. 18 A und B Querschnitte durch die Dichtungskanten von Pendelkolben nach Fig. 15 bis 17, in zehnfacher Vergrößerung.

Die Schnittangaben "Querschnitt" und "Längsschnitt" beziehen sich auf die Kurbelwelle. In den Fig. 1, 3, 6 und 7 veranschaulxchen die rechten (A) und linken (B) Bildhälften unterschiedliche konstruktive Gestaltungen.

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Alle Ausfuhrungsbeispxele rotieren entgegen dem U/mzeigersinn.

Fig· 1 A und i3 zeigen die Hauptteile eines Fahrzeugrnotors in verschiedenen Ausfiihrungsformen im Querschnitt. Aus geometrischen Gründen muß der runde Pendelkolben in einem Zylinder laufen, dessen Lauffläche den Pendelbewegungen des Kolbenringes entsprechend geformt ist und somit von einer Zylindermantelfläche abweicht. Hierbei bewegt sich der Mittelpunkt 1 des Kolbenringes auf einer Schlaufe 3» deren !Form abhängig ist vom Kolbendurchmesser, Kolbenhub und Pleuel stange η--länge (zwischen Mittelpunkt 1 und Kurbelzapfenzentrum 4·. Auf den Kurven 6 läuft der Mittelpunkt 7 der balligen Laufflächen des Kolbenringes 2, der über Wellenfedern den Kolben spiellos führt. Es ist zweckmäßig, die Laufbahnen 5 derart zu wählen, daß im Bereich der halben Hubhöhe die Federn 8 die größte Vorspannung aufweisen, damit die in diesem Bereich auftretenden, quergerichteten Massenkräfte 9 des Pendelkolbens aufgenommen werden können. Die Kurven 5 und 6 können auch die thermischen Dehnungen berücksichtigen, in einem nicht gezeichneten Ilittelscnnitt durch den Zylinder und die Längsachse 10 der Kurbelwelle werden die Kurven ^!j> und 6 zu Geraden, von denen ,jedoch die vorerwähnten Abweichungen (variable Kolbenring vorspannung und V/ärmedehnungskompensation) überlagert sind. Diese Kurven sind mit den Kurven 5 und 6 durch Ellipsenbögen oder davon geringfügig abweichende Kurven verbunden.

Aus .Fig. 1 ist weiter der aus Blech gepreßte Kolbenboden 11 mit der einseitigen Kolbenmulde 12 und dem etwa gemäß Linie 13 tangential einmündenden Verbindungskanal 14 ersichtlich. Der Rand des leicht bombierten Kolbenbodens 11 ist absteigend gewellt und trägt den Kolbenring 2 und dessen Feder O₁ die durch einen Gewindering

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15 gehalten sind. Wach Demontage des Zylinderkopfes 16 und des Gewinderings 15 können Kolbenring 2 und Feder von oben her demontiert und ersetzt werden. Der Kolbenring 2 hat vorzugsweise einen überlappten Stoß und besteht z.B. aus Gußeisen, Stahl oder Leichtmetall. Nötigenfalls ist seine ballige Lauffläche mit Chrom, Molybdän usw. beschichtet. Er kann auch aus zwei unter sich gleichen, drehgesicherten Halbringen bestehen, deren überlappte Stöße in einer durch die Längsachse gehenden Normalebene zur Bildebene liegen^ Der Kolbenboden 11 ist aus Stahl, Leichtmetall usw. gepreßt und mit dem Pleuelschaft aus demselben Material verschweißt. Gemäß Fig. 1 A besteht dieser Pleuelschaft aus einem Rohr 1o, das unten mit ovalem oder rechteckigen Querschnitt an der oberen Hälfte des großen Pleuelauges 19 angeschweißt und oben kreisförmig ausgeweitet ist. Die Kolbenkühlung erfolgt durch Spritzöl aus der Düse 20, das durch periphere Öffnungen 21 entweicht. Gemäß Fig. 1 B ist der kelchförmige Pleuelschaft. 22 mit dem Pleuelauge aus einem Stück gefertigt,' beispielsweise in Druckguß oder Sintermetall. Zur Reduktion der Abstützkräfte des Kolbenringes ist ein möglichst geringes Gewicht des Pendelkolbens (Massenkräfte 9) und ein möglichst geringer Durchmesser des Pleuellagers (Lagerreibungsmoment) 23 anzustreben. Günstig sind Pendelkolben aus Leichtmetall (auch Titan), wobei ein Gewindering aus Stahl die Wärmedehnung begrenzt.

Die Zylinderwand 24· ist gemäß Fig. 1 A als auswechselbare, nasse Laufbuchse ausgebildet. Sie besteht aus einem entsprechend umgeformten Rohr oder aus zwei miteinander verschweißten Halbschalen, die aus Blech gepreßt sind. Gemäß Fig. 1 B ist die Zylinderwand 25 mit dem Wassermantel 26 und eiern Kurbelgehäuse 27 aus einem Stück gegossen. Die Laufflächen der Zylinderwände 24 und 25 bestehen aus den üblichen Materialien und sind

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nötigenfalls mit verschleißfesten Materialien (Chrom, Molybdän usw.) beschichtet und fein bearbeitet. Selbstverständlich kann auch ein luftgekühlter Zylinder mit Kühlrippen verwendet werden. Der Zylinderkopf 16 nit Parallelventilen 2c hat vorzugsweise einen ebenen Boden, der gegenüber der Zylinderachse schräg geneigt ist, und zwar wie gezeichnet oder umgekehrt.

Gegen Ende des Kompressionshubes gelangt die Ansaugluft größtenteils in einen der Kolbenmulde 12' gegenüberliegenden Kaum 30. Wird nun durch eine Düse 31 Brennstoff eingespritzt, so entsteht in der Kolbenmulde 12' ein zündfähiges Gemisch, das durch die Kerze 32 entflammt v/ird. Beim anschließenden Durchfahren des oberen !Totpunktes wird durch die Pendelbewegung, des Kolbens der Raum 30 stark verkleinert und die Luft durch den Verbindungskanal 14 in die Kolbenmulde 12 übergeschoben. Durch die tangentiale Anordnung des Verbindungskanals entsteht hierbei eine Rotation, die eine vollständige Verbrennung fördert. Dadurch, daß die Zufuhr von Verbrennungsluft über den oberen Totpunkt hinaus anhält, erfolgt die Verbrennung mit weichem Druckanstieg. Ks ist auch Vergaserbetrieb möglich.

Der Motor gemäß J?ig. 1 A und B eignet sich u.a. auch als Zweitakter mit durch den Walzenschieber 33 oder dergleichen gesteuerten Ein- und Auslaßfenstern 34 und mit Spülmulde 35. Hierbei ergibt die Pendelbewegung des Kolbens im Bereiche des unteren Totpunktes sehr erwünschte unsymmetrische Steuerdiagramme, sofern die Auslaßfenster 34 auf der Seite der nach oben laufenden Pleuelstange Ύ]' und die Spülfenster 35 auf der Seite der nach unten laufenden Pleuelstange 17 angeordnet sind. Der oszillierende oder rotierende Walzenschieber 33 unterliegt keinen hohen Gasdrücken, weil das Auslaßfenster vom Kolbenring 2 gesteuert wird. Der Einlafi 35 kann auch

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durch ein Schnarohventil erfolgen. Zur inneren Kolbenkühlung weisen die Pleuelschäfte Fenster 36 auf, sofern nicht ungekühlte Kolbenboden aus wärmefestern Material verwendet werden. Anstelle des schräg aufgesetzten, ebenen Zylinderkopfes 16 ist ein gerade aufgesetzter Kopf vorgesehen. Die Brennraummulde 12 und der Verbindungskanal 14 können auch im Zylinderkopf angeordnet sein.

Als weitere Variante zeigt Pig. 2 einen Pendelkolben im I-iOtor-Quej-'schnitt analog zu i^rig. 1 A und B. Hier best ent der Pleuelschaft aus einen konischen Mittelteil 37, der eich nach oben tellerförmig erweitert und durch äußere Hippen 3·-· versteift wird. Die Form ist hintersclmitt-J.'rei und läiit sich in Leichtmetall oder in entsprechend verstärkten Kunststoff fertigen (Druckguß). Der Kolbenboden besteht aus einer Blechscheibe 39 (Stahl, Leichtmetall usw.) mit nach oben kreisbogenförmig umgebördelten Hand 40 (Mbtelpunkt 7)· Dieser Kolbenrand 40 läuft uncer elastischer Vorspannung auf der Zylinderlaufbahn 5 und. wird durch den Gasdruck und die Wärmedehnung zusätzlich angepreßt. Dadurch erübrigt sich ein eigentlicher Kolbenring, doch müssen der Kolbenrand 40 und die iiylindei'laufbahn 5 nib verschleißfestem haterial beschichtet sein. Der Kolbenboden 39 ist flach oder gewölbt und mit Hulden versehen. Er ist an oberen Rand des Pleuelscüaftes 37 durch ücnrauben 41 oder durch Klebung befestigt, nötigenfalls unter Lwischensclialtung eines Hitze dc nil des 42 und. sternförmiger Stützrippen 43. Zwischen dem umlaufenden Rand 44 des Pleuelschaftes und dem Kolbenboden 39 bau. den Hitzeschild 42 ist ein üohiring 35 mit veränderlichen Querschnitt aus elastischem Material befestigt. Dieser Ring 45 stützt im Bereich der halben Hubhöhe wenigstens teilweise die quergerichteten I-iassenkräfte 9 des Pendelkolbens auf die Zylinderwand 5 ab. Der Hohlraum des Ringes 45 ist mit einem flüssigen Medium 46, beispielsweise öl, Wasser oder Spezialgemisch, ge-

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füllt, das beim einseitigen Zusammendrücken des Hinges 4-5 durch die Zylinderwand 5 auf die gegenüberliegende liingseite verdrängt wird. Sofern dies, v/ie gezeichnet, durch beidseitig, eingeschnürte Stellen 4-7 erfolgt und dabei eine tu3?bulente Strömung auftritt, steigt die zum Zusammendrücken des Ringsektors 4-5 notwendige Kraft; im Quadrat der Kurbelwellendrehzahl und somit in gleicher Weise wie die ouergericliteten Kassenkrüfte 4-O des Pendelkolbens. Der hohlring 4-5 muß eine druckfeste Armierung und eine abriebfeste Lauffläche aufweisen und kann mit einer als Ölabstreifer wii-'kenden Dicatlippe 4-9 versehen sein. rJach Demontage des Zylinuerkopfes und der Schrauben 4-1 läßt sich der Kolbenboden 39 mit Hitzeschild 4-2 und Abstützring 45 nach oben ausbauen uad auswechseln.

Als v/eitere Varianten zeigen Fig. 3 und Ά Oberteile eines Diesel-Pendelkolbens im oberen Totpunkt, wiederum in: ''querschnitt aurch im Gegenuhrzeigersinn laufende Hotoren. Die Gerade 50 stellt den ebenen Zylinderkopf, die Achse ^VA die Einspritzdüse und der Pfeil 52 bzv/. 55 das Liijlajj- bzw. Auslaßventil dar. Der Pleuelschaft besteh-'; aus einem i-iohr ^^LV mit variablen '-Hierschnitt, nämlich unten oval (oder rechteckig) und mit dem Pleuelauge verschweißt so v/ie oben greif rund (oder leicht oval) ηη.ί i.-iit dem Kolben 55 verschweißt. Dieser Kolben 55 hat einen gemäß der Kurve 56 zweidimensional und derart gewölbten Hoden, daß bei seiner Pendelbewegung im bereich des oberen Totpunktes ein minimaler Abstand zum Zylinderkopf 50 eingehalten wird. Der Kolbenboden v/eist eine Ventiltasche 5V und einen o.ls zweite Ventiltasche dienenden, halbkugeligen lirennraura 5 auf. An der Ventiltasche 57 schließt sich ein tunnelförmiger Überströmkanal 59 an, der tangential in die irennraummulde 5 ^; einmündet, .beim Durchgang durch den oberen !Totpunkt strömt die komprimierte Luft von der

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linken Zylinderseite durch diesen Kanal 59 in cLen Brennraum 5ö· J© nach gewähltem Verbrennungsverfahren, hauptsächlich gekennzeichnet durch Einspritzbeginn, Strahlform und Strahlrichtung der Einspritzdüse, fließt diese Luft einem Flammenkern oder einem Brennst of film des Brennraurnes 5& zu. Diese Luftzufuhr dauert auch nach dem Überschreiten des oberen Totpunktes an. Dies ist der grundsätzliche Unterschied zum konventionellen Kurbeltrieb, wodurch sich naturgemäß ein weicherer Druckanstieg und geringere Spitzendrücke ergeben, d.h. die Verbrennung erfolgt weniger explosionsartig, sondern eher gleichdruclcartig. Außerdem hat der Pendelkolben mit dem einseitig angeordneten, vom oberen Totpunkt an "vorlaufenden" Brennraum 5Ü <iie Tendenz zur Kraftabgabe in Richtung des Kurbelkreises (s. Fig. 1 A und B) und überdies einen hohen mechanischen Wirkungsgrad. Der v/eiche Motorlauf braucht somit nicht durch geringere spezifische Leistung oder höheren spezifischen Verbrauch erkauft zu werden. Die geringe Kolbenreibung durch die Dichtung 60 (sehr kleine ölbenetzte Oberfläche) ermöglicht sicheren Kaltstart mit relativ hohen Drehzahlen. Dieser Dichtring 60 mit balliger Außenfläche führt den Kolben um den Mittelpunkt 1. Die umlaufende Hut 61 dient dazu, dem endlosen Dichtring 60 eine" gewisse radiale Elastizität zu verleihen und den Gasdruck nach außen wirken zu lassen. Der Dichtring 60 läßt sich leicht nach oben ausbauen (Gewinde 62) und durch einen King mit Übermaß ersetzen, nötigenfalls mitsamt dem Hitzeisolationsring 63 und dem elastischen Stützring 64.

In Fig. 3 A ist der Stützring 64 in einem um 90° versetzten Schnitt gezeichnet, wodurch die Einschnürung (analog zu 47 von i?ig. 2) und die in diesem Zuschnitt geradlinige Zylinderwand 66 ersichtlich sind. Der ganze Kolben 55 besteht aus einem dünnwandigen, mit Rippen

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G · versteiften Gußteil (z.ü. i'ernnerguB). Der Dicntring 60 kann durch, einen Kolbenring 2 gemäß Fin· 1 ·& und ^;J oder dergleichen ersetzt sein. Wie in Falle der Fig. 1 und 2 kann auch der KoIoen nach Fig. 5 einen viereckigen Grundriß haben.

.Bei der in Fig. 3 A gestrichelt eingetragenen Variante hat der Kolben einen nach unten vorstehenden Hand 69, dessen Außenfläche 70 um das Zentrum 71 sphärisch bombiert ist. Darauf läuft eine auf der Innenseite ebenso bombierte, endlose oder geteilte Führungsbuchse 72 mit Kolbenring 73 in einem üblichen, nicht eingeschnürten Zylinder. Diese Ausführungsform läßt sich auch bei Pendelkolben gemäß Fig. 1 und 2 anwenden, wobei die äußeren Ränder der Kolbenböden 11 bzw. 39 zur Aufnahme einer Führungsbüchse 72 entsprechend sphärisch nach unten zu bombieren sind. Bei Pendelkolben mit Führungsbuchse treten allerdings wieder die bei orthodo::en Triebwerken üblichen Querkräfte auf, und unsymmetrische Steuerdiagramme von Zweitaktmotoren lassen sich mit solchen Kolben nicht verwirklichen. Gemäß den nachfolgenden Ausführungsbeispielen erscheinen aber gerade solche hochwertigen Zweitakter besonders interessant zu sein, hauptsächlich bei Verwendung von viereckigen statt runden Kolben.

Fig. 4- zeigt in starker Verkleinerung und Vereinfachung einen geöffneten Wankelmotor mit Seiteneinlaß (ioyo Kogyo 491 cm^J Kammervolumen)und Fig. 5 einen entsprechenden Pendelkolben-Zweitaktmotor (1 1 Zylindervolumen) im gleichen Haßstab. Der neuartige Motor von Fig. 5 ist in doppelter Größe in Fig. 6 A und B in Seitenansicht und teilweisem Querschnitt und in Fig. 7 A und B in Längsschnitten dargestellt, wobei die Fig. 6 A und 7 A jeweils einen Dieselmotor und die Fig. 6 B und 7 B jeweils einen Benzinmotor zeigen.

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In den ι-¹!^. .-■: bis 10 sind. Viertel-Ausschnitte der recht eckigen Kolbendichtungen in isometric eher Darstellung ersichtlich.

zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß Ji¹Ig- 4- und 5 bestehen folren-ie v/oei^ein Stimmungen: Prinzipiell gleicher Gehäuseaufbau mit ringförmigem iiittelgehäuse 74 bzv/. 73 und entsprechenden Seitengehäusen, in Baul:asten v/eise äneinaiiderreihbar; Gehäuse -nii:. Wasserkühlung und evtl. x^riscbölsciiriierunpr; ventillose Schiit ξ steuerung uui'c'.i den Kolben "/G υκν/. 77; .'je ein Arbeitstal-it pro Um-Jreiiunr der Antriebswelle 7 bzw. 79; aus iMitlr/riieni-Gcben ^r'iii-.len -.otv;endif;::eit dex¹ Verv/endun·^ von J'acLi-

üa:"e.;en bestehen -;rosco nodo folfsenöe saalen^:;iä^i^en Unberncaiede: Dnr, iiittelfrelvluse 7^- inr 1,^:> ':;r?.l breiter 'alπ ',"''I-, doch "eic^r-ÖSert sich dadurch die Kotorlänr;c erst ab vier l-rlindex^n: der Kurbelradius 0 ist dreir.ial ;;rö-. .er als Ixe E:;sentrisitat 1; fileichseiti^ ist der Durcanecscr tie.^ Kurbelzapi'ens nui" halb so rroi?. vjie der- ;ier.i;._:e der E:jzor.t-Ors '■} (höherer nechaniscl-ier VJirk\ar:3-"rai) ; trot «dem ist die mittlere Glcitf:eschv;ir.{lini:eit der Stirndichtun^en <A geringer als diejenige von -[ (bei i^leicjier Drensahl der Anti'iebsv/ellen '/ und 79); •-.ie seitlicnen Dichtstreifen .6 sind neunmal kurzer als die Sunr.e der !lotv/endi^erv/eise doppelten Streifen r.^r/ {und danu noch gerade statt .rebonren) ; die Kolljenfläche -^ ist dreimal kleiner als die Sumine der Lolbe-nflächeii S Los Kolbens 7o (der dreimal lan_;qsaner rotiert als die Antriebswelle 7 )j das ungünstige Verhältnis Kolbenliui'-e zu Kolbenbr-eite des Kolbens '/& verbessert sich von otva -),2 auf 1,4-; die abriebfest zu beschichtende und au schleifende Hauelfläche 90 ist weniger als halb so groß als die entsprechende Mantelfläche 91; die Höhe

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des stellenden Motorgehäuses 75' ist geringer als diejenige von 74, "bei nur halber Breite; das liegende Motorgehäuse 75 ^na"fr niu? die halbe Höhe von 47( sehr wichtig für den Unterflur-Einbau in Fahrzeuge); schließlich ist die Baulänge eines Motors gemäß Fig. 5 bis zu drei Zylindern kürzer als diejenige des Motors gemäß Fig. 4 (einfachere; kürzere Endgehäuse). Gewicht sowie Herstellungskosten eines Motors nach Fig. 5 liegen mit Sicherheit wesentlich günstiger als bei einem Motor nach Fig. 4. Dies ist im Hinblick auf die erforderlichen Nachbrenner von entscheidender !Bedeutung. Ein nicht gezeichneter Nachbrenner schließt direkt an die Auspuffkanäle 52 an und bildet mit dem Motor eine Einheit, ohne dessen Bauhöhe zu überschreiten. Als einziger Nachteil hat der Motor nach Fig. 5 einen schlechteren Massenausgleich, doch kann eine mit Motordrehzahl gegenläufige Ausgleichswelle 93 vorgesehen sein, deren Antriebszahnräder einfacher sind als die Synchronisierräder 94. Schließlich ist ein Motor gemäß Fig. 5 konstruktiv viel modulationsfälliger und in der Verwendung anpassungsfähiger als der diesbezüglich eng begrenzte Motor nach Fig. 4.

Fig. 6 A und jj zeigen im einzelnen den in Fig. 4 skizzierten I-'endelkolben-Zweitaktmotor mit un symmetric eher Schlitzsteuerung in Seitenansicht (ohne Seitengehäuse) und teil v/eisern Querschnitt und Fig. 7 A und U in Längsschnitten, jjeim Benzinmotor (Fig. 6 ü und 7 ^) ist das ringförmige Mittelgehäuse 75 aus Kostengründen in ülechkonstruktion vox'geselien, vorzugsweise in gepreßten Stahlblech. Hierbei besteht das Kurbelgehäuse aus einem hufeisenförmig gebogenen, dünnwandigen blech 95 mit U-förmigem Querschnitt, an das ein U-förmig gebogener Flachstahl 9o größerer Wandstärke anschließt. Diese:? ist von einem Kühlwassermantel 97 aus dünnwandigem UIecn mit

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U-förmigem Querschnitt und Wasserpassagen 9Z umgeben, der mit dem Flachstahl 96 und der Hülse für die Zündkerze 99 z.B. hart verlötet ist. Anschließend erfolgt die .Bearbeitung der Flanschflächen (Parallelfräsen oder Schleifen) und der Mantelflächen 90 (Profilfräsen oder Räumen) sowie deren Beschichtung und Schleifen. Gegebenenfalls können die Mittelgehäuse 75 mit den Seitengehäusen durch Stifte 100 oder dergleichen zentriert und durch hitzefeste Klebung verbunde.n werden (irreparabler Wegwerfmotor). Die Aushärtung des Klebers erfolgt beim Durchlaufen eines Ofens, wobei die Gehäuseteile durch Spannelemente fixiert sind und bei langsam antreibender Kurbelwelle das Motorinnere zur Entfernung überschüssiger Klebemittel mit Lösungsmitteln durchspült wird.

Beim Dieselmotor (Fig. 6 A und 7 A) ist das ringförmige Mittelgehäuse 101 in Eisen oder Leichtmetall in üblicher Weise gegossen, wobei die Kühlwasserräume durch Kerne erzeugt werden und die Formgebung und Stärke der Wände den Belastungen angepaßt sind. Indessen können auch kernlose Druckguß-Mittelgehäuse analog zum Motor gemäß Fig. 4- verwendet werden (was auch für den Benzinmotor gilt). Durch Zentrierungen und Zuganker 103 werden die Gehäuse zusammengebaut. Das Mittelgehäuse kann bei der Stelle 104 und/oder 105 unterteilt sein, wodurch das Schleifen der Mantelfläche 19 und spätere Servicearbeiten vereinfacht werden. Das zur Achse 106 symmetrische Zwischengehäuse 107 grenzt mit einer ebenen Fläche 100 an das Mittelgehäuse 75 und weist Kühlwasserräume 109 und Lageraugen 110 für die Kurbelwelle auf. Zur Montage der Kurbelwelle muß das Zwischengehäuse in der Ebene 111 geteilt sein, wobei das Unterteil durch Stiftschrauben 113 befestigt ist. Diese Komplikation ist bei den Endgehäusen nicht nörbig, welche ungeteilt auf die Kurbelwelle montierbar sind.

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Die Kurbelwelle besteht aus zwei verschiedenen Elementen, nämlich den Hauptlagerzapfen 79 mit daran festen Kurbelarm 114 und Gegengewicht 115 einerseits und den Kurbelzapfen ->2 mit dem daran festen Kurbelara 116 und Gegengewicht 11" andererseits, die abwechselnd unter den gewünschten Winkelη zusammengebaut werden.· Die Gegengewichte 115 und 117 sollen die rotierenden Massenkräfte des Pendelkolbens 77 voll und die translierenden etwa zur Hälfte ausgleichen, ilöticenfalls können sie durch äußere Gegengewichte ergänzt werden, die auf den freien Enden der Kurbelwelle 79 oder der etwa vorhandenen Ausgleichswelle 93 (Fig. 5) sitzen und je nach Zylinderzahl freie Massenkräfte oder Momente 1. Ordnung ausgleichen, letzeres mit verstärkter Wirkung (größerer Hebelarm). Die Kurbelwelle kann auch einteilig gegossen oder geschmiedet sein, sofern das Pleuelauge des Pendelkolbens 77 z.B. bei 11-J geteilt ist. Dieser Pendelkolben ist in Fig. 6 und 7 iß oberen Totpunkt gezeigt, und zwar in Fig. 6 A und 7 A als Gußkonstruktion und in Fig. 6 B und 7 B als .Blechkonstruktion, Der Pleuelschaft nach Fig. 6 13 und J B besteht aus zwei gleichen, gepreßten Blechwänden 119, deren eingezogene Wabe 120 und Versteifung 121 gegenseitig verschweißt sind und die durch Längssicken 122 und Ecksicken 123 verstärkt sind (in Fig. 6 B nicht ersichtlich). Diese Blechwände 119 sind oben derart nach außen umgeformt, daß sie eine Auflage 124 für den ars einem flachen Blech bestehenden Kolbenboden 125 und Nuten zur Aufnahme der Stirndichtungen 84 und Di&htstreifen 86 sowie deren Federn bilden. Das restliche, evtl. bereits beschnittene Blech wird nach unten umgebogen und bildet beidseitig den Steuerschieber 126, der durch das Blechprofil 127 oder einen Federbügel abgestützt wird. Die 'feile 119, 125 und 127 sind z.B. durch Pumpschweißung miteinander verbunden und mindestens an den Dichtungsnuten bearbeitet. Zwischen den Teilen 119» 126 und 127 muß genügend Freiraum für das

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Gegengewicht 115 der Kurbelwelle ita unteren Totpunkt vorhanden sein. Auch darf in dieser Stellung der untere Rand des Steuerschiebers 126 nicht mit dem Lagerzapfen 79 kollidieren, was bein gezeichneten Pleuelstangenvemältnis vermieden ist. Die Längs sicke 12.; des Kurbel-. gehäuses 95 schafft Platz für eine Rand Versteifung 12y derzufolge Wälslagerunr; groiien Pleuelnabe 120. Der allseitig offene Pendelkolben wird von der Annaugluft gut gekühlt, dagegen hat der Pendelkolberi gemäß J?ig. 6 A und V A einen in Temperguß, Stahl oder Leichtmetall liohlgegosscnen Schaft 1o0j der von der Seite gesehen, sich nach oben erweitert und, von vorne gesehen, U-förmig nach außen umgeformt und durch Kippen 131 und 132 versteift ist. Daran ist ein Steuerschieber 136', s.u. aus iederstahlblech, befestigt oder auch angegossen. Der l-'leuclscuaft wird durcii einen aus iilech geformten kolbenboden 133 verschlossen, o.cr einen in Querschnitt etwa sichelförmig, im Längsschnitt etwa halbkreisföruig nach unten gebogenen überstrom- und ^rennkanal 13²I- aufweist,, In Abwandlung des l-i-Verfaiirens von I-i.A.i-i. wird durch die Düse 1 ;'■;"> iirennstoff (z.-'. Dieselöl) in den Kanal 134· DZi-J. an dessen V/and gespritzt, dem anschließend durch die Pendelbewegung des Kolbenbodens 133 im Bereich des oberen 'Totpunktes die V e rbr ennung sluf t zuströmt. Dieses Verfahren eignet sich für Viel stoff- und lienzinmotoren i'iit Einspritzung und ohne Drosselklappe (Schichtladung) und solche nit Vergaser, in analoger Weise auch für Viertakter und für runde Kolbenboden. Wichtig ist ein möglichst geringer Abstand zwischen Kolbenboden und Zylindex^kopffläche 136 (die bei ebenem Kolbenboden 133 gegen die Stirnseiten hin etwas angehoben ist) in einem möglichst großen Bereich beidseits des oberen Totpunktes (s. auch Fig. 11 und 12), d.h. eine möglichst gro^r..e Querverdrängung der komprimierten Luft bzw. des komprimierten üernisciies. Kerze 99 und Düse 13i3 können auch spiegelbildlich (links) angeordnet sein.

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Ansaugluft oder Gemisch 137 werden vom Flansch 1Jü des Zwischengehäuses 107 und der Endgehäuse durch eingegossene Kanäle 139 vom Kolben angesaugt, solange die Steuerschieber 126, 126' die beidseitigen Ansaugschlitze 140 freigeben (Seiteneinlaß, evtl. auch nur einseitig). Dies ist während des Kurbelwinkels 141 der Fall, wobei die Hohlform 142 des Schieberrandos frühen Beginn und der bei Pendelkolben sehr geringe Totraum des Kurbelgehäuses gute Füllung gewährleisten. Dadurch ergibt sich auch eine gute Vorderdichtung und eine kräftige Umkehrspülung durch die in der Seitenwand 1Od eingegossenen oder eingefrästen Spülmulden 143 während des Kurbelwinkels 144. Die beidseitigen Spülströme können ergänzt sein durch einen gegebenenfalls zeitlich gestaffelten, zentralen Spülstrom aus der Stirnmulde 145, der z.B. in den Brennkanal 134 des Kolbenbodens gerichtet ist.

Bei Benzinmotoren mit verzögerter Brennstoffeinspritzung in das Kurbelgehäuse erfolgt die Spülung anfänglich mit reiner Luft, wodurch sich schadstoffärmere Abgase und ein günstigerer Verbrauch ergeben. Gemäß Kurbelwinkel 146 beginnt das Auspuffen, wie üblich, zeitlich vor der Spülung, doch dauert die Spülung nach Auspuffende noch an, was eine Nachladung ergibt. Die seitlichen Auspuffschlitze 147 werden ausschließlich von der Kolbenoberkante gesteuert, jedoch in der auspuffreien Zeit durch die Planschieber 126, 126' geschlossen gehalten, damit die Auspuffgabe 14b nicht in das Kurbelgehäuse zurückschlagen. Die einzelnen Phasen dieses unsymmetrischen Steuerdiagramms 141, 144, 146 lassen sich gut verfolgen, wenn man den Pendelkolben mit Steuerschieber auf ein Transparentpapier durchpaust und das Zentrum 149 des Pleuellagers auf dem Kurbelkreis 150 bei gleichzeitiger Führung der Stirndichtungen 'Ά entlang- den Mantelflächen 90 bewegt. Das gezeichnete Steuerdiagramm

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läßt sich in weiten Grenzen variieren, und zwar nicht nur durch Veränderung der Schlitzhöhen, sondern auch durch Veränderung des Quotienten Kolbenlänge und Pleuelstangenlänge zum Kolbenhub. Außerdem kann durch Veränderung des Quotienten Kolbenlänge zu Kolbenbreite der Spül Vorgang und Verbrennungsablauf beeinflußt v/erden. Die Motorschmierung ist bei Wälzlagerung durch Beimischung von Öl zum Kraftstoff oder zur Luft oder durch gekapselte und wartungsfrei mit Fett geschmierte Wälzlager vorgesehen. Für den Kolben ist ein Minimum an Öl ausreichend. Bei mit Drucköl geschmierten, durch nicht gezeichnete axiale oder radiale Wellendichtungen abgekapselten Gleitlagern kann eine dosierte Undichtheit die Kolbenschmierung sicherstellen. Zur besseren Zirkulation des Schmieröls wird vorgeschlagen, in der Kurbelwelle 79 außer den nicht gezeichneten Druckölbohrungen separate Leckölbohrungen I5I anzuordnen, deren Verästelungen 152 und 153 zwischen Lagerschale und Wellendichtung austreten und vom Raum 154- her unter Saugwirkung stehen (Leckölpumpe). Für das Umlauföl, das nur zur Lagerschmierung, nicht aber zur Kolbenkühlung verwendet wird, genügen die Räume 155 im Mittelgehäuse 75» ein Ölwechsel kann dann mit Sicherheit entfallen.

Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen je ein Viertel des rechteckigen Kolbendichtsystems in isometrischer Darstellung. Fig. 8 veranschaulicht die Stirndichtung 84- mit bombierter Kuppe I56 und die Dichtstreifen 86, die in Fig. 6 B und 7 B in einfacher, in Fig. 6 A und 7 A in doppelter Anzahl vorhanden sind. Die Dichtelemente 84- und 86 sind mit Federn (z.B. Blatt- oder Wellenfedern) hinterlegt, wie es vom Wankelmotor bekannt ist, jedoch hier in einfacherer Weise, da die Dichtbolzen entfallen und die Dichtstreifen nicht gebogen sein müssen. Gebogene Dichtstreifen (Seitendichtungen) sind ebenfalls möglich, ergeben jedoch eine Schrägstellung der Stirndichtungen 84-

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mit ungünstigeren Neigungswinkeln gegenüber den Mantelflächen 90 (s. Jb*ig. 5) und wesentliche Mehrkosten.

Gemäß Fig. 9 ist die Stirndichtung ein Kreiszylinder 157, an den der seitliche Dichtstreifen 153 anschließt. Der Kreiszylinder 157 läuft auf den Mantelflächen 90 und dient zur Führung des Pendelkolbens, hauptsächlich zur Übertragung der quergerichteten Massenkräfte. Eine spindelförmige Ausbildung (gehärtete und geschliffene Stahlnadel oder Stahlrolle, evtl. Stahlrohr oder Kunststoffstab) erlaubt eine freie Rotation und daher zumindest eine rundherum gleichmäßige Abnützung, auch wenn ein volles Abrollen nicht möglich ist. Beim Motor gemäß Fig. 6 und 7 beträgt der Schwenkwinkel der Stirndichtung 84 etwa + 18°. Der Abnützungsbogen ist somit 36°, beim Kreiszylinder 157 dagegen das Zehnfache. Allerdings muß der wohl kleinere Krümmungsradius berücksichtigt werden, während die Abnützung an der zylinderförmigen Nut der Kolbenkante gegenüber der Linienberührung auf der Mantelfläche kaum ins Gewicht fallen dürfte.

In Fig. 10 ist eine kombinierte, einteilige Eckdichtung 159 mit bombierter Kuppe 160 und überlappten Stoßenden 161 und 162 ersichtlich, die sich insbesondere zur Anfertigung in Pulvermetall oder Kunststoff eignen. Vier solcher Elemente 159» wechselseitig gegeneinander montiert und mit Federn hinterlegt, bilden ein nahezu spaltloses Dichtsystem. An Kombinationen sind zu erwähnen Eckdichtungen wie 159, jedoch aus zwei Streifen zusammengesetzt oder über zwei Ecken gehend; System wie nach Fig. 8, jedoch ein Dichtstreifen in der Mitte der Stirndichtung 84 und evtl. daran befestigt; alle Stirn- oder Seitendichtungen in der Mitte überlappt geteilt. Zur teilweisen Entlastung der Stirndichtungen von den Führungskräften kann der Pendelkolben beidseitig ein Kissen

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163 (Fig. 6 A) aus elastischem, hitze- und ölfestem Material (z.B. Kunstgummi) aufweisen, das jeweils im Bereich und auf der betreffenden Seite der quergerichteten Massenkräfte den Pendelkolben auf die Mantelflächen 90 abstützen hilft. Eine der beiden Stirndichtungen muß außerdem das Reibungsmoment des Pleuellagers auf dem Kurbelzapfen ö2 aufnehmen. Es ist daher zweckmäßig, diese Stirndichtung (84- in Fig_o 6 A) mit einer härteren Feder als die gegenüberliegende Stirndichtung zu unterlegen oder bei der gegenüberliegenden Stirndichtung die Feder wegzulassen.

Als Varianten zum Benzin- und Dieselmotor der Fig. 6 und 7 sind in Fig. 11 ein liegender Glühkopfmotor, in Fig. 11 A ein darauf verwendbarer Vielstoff-Zylinderkopf für Schichtladung und in Fig_e 12 ein Stirlingmotor in teilweisem Querschnitt rein schematisch'dargestellt, Auch hier handelt es sich um Pendelkolben-Zweitakter mit unsymmetrischem Steuerdiagramm. Gemäß Fig. 11 hat der Zylinderkopf 164 auf der Innenseite eine ebene Fläche 165, was einen nach außen gewölbten Kolbenboden 166 erfordert. Diese zweidimensionale Wölbung ist derart zu wählen, daß in einem möglichst großen Bereich des Kurbelwinkels beiderseits des oberen 'lotpunkte s (in Fig. 11 etwa - 50°) ein möglichst kleiner Abstand ziri.schen Zylinderkopffläche 165 und Kolbenboden 166 entsteht. Außerdem weist die Zylinderkopffläche eine hitzefeste, stabförmige Labyrinthdichtung 16? mit V-förmigem Querschnitt und gerundeten Enden oder dergleichen auf, die im erwähnten Bereich in einer V-Iiut 163 eingreift, die im Kolbenboden nahezu über dessen ganze Breite eingefräst ist. Durch diese Maßnahmen erfolgt die Querverschiebung der Ladung zufolge der Pendelbewegung dec Kolbens durch den ira Zylinderkopf angeordneten '-lÜLikanal 169 aus hitzefestem Stahl. Dieser Glühkanal ict rein sciiematisch dargestellt; in Wirklichkeit hat

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er möglicherweise nur eine kurze, dünnwandige Glühstelle, oder es können mehrere Glühkanäle nebeneinander angeordnet sein. Für den Kaltstart ist eine Glühkerze I70 oder eine Erwärmung mittels Heizlampe vorgesehen. Die Schlitzsteuerung erfolgt gemäß Fig. 6 und 7 und die Kolbenführung durch kreiszylinderförmige Stirndichtungen gemäß Fig. 9· Durch den demontierbaren Zylinderkopf 164 kann das Schleifen der Mantelfläche 70 durch einen zur Kurbelwelle parallele Schleifwalze erfolgen, während beim Ringgehäuse von Fig. 6 und 7 eine Profilscheibe nötig ist.

In Fig. 11 A ist als Alternative ein Zylinderkopf mit einer luftgekühlten Brennkammer I7I nach Dr. Fink dargestellt, in der durch die tangentialen Lufteintritte 172 nahezu ein Potentialwirbel erzeugt wird (s. dazu Motortechnische Zeitschrift 5/1969). Die Durchströmung dieser Brennkammer gemäß den Pfeilen erfolgt hier jedoch durch die Schwenkbewegung des Pendelkolbens.

Besonders einfach ist der Heißluft- bzw. Heißgasmotor nach Fig. 12, bei dem das stimmgabelförmige Mit-;elgehäuse 173 mit U-förmigem Querschnitt aus Blech gepreßt ist und mit den ebenfalls aus Blech gepreßten Seitenwänden 174 luftdicht verschweißt oder verklebt sein kann. Der Zylinderkopf 175 mit dem schematisch gezeichneten Erhitzer 176 (z.B. Rohrschlangen) ist mit dem Motorgehäuse linienverschweißt vorgesehen, da bei geschlossenem Kreislauf des Arbeitsgases durch die Kühler 177 und bei Kolbendichtungen 159 nach Fig. 10 aus teflonartigem Material und dauergeschmierten, abgedichteten Wälzlagern der Kurbelwelle ein wartungsfreier Betrieb möglich sein sollte. Analog zu Fig. 6 und 7 erfolgt die Steuerung des Gaswechsels durch den Kolbenboden und die seitlichen Planschieber I70, die über die Kontur des Pleuelschaftes 179 vorstehen können, wobei der Auslaß-

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schlitz 180 über den Kühler 177 mit dem Einlaßschlitz 181 verbunden ist und die Spülung durch die Mulde 132 erfolgt. Wie vom Philips-Stirlingmotor her bekannt, *ist als Arbeitsgas z.B. Luft, Helium oder Wasserstoff geeignet, und zwar unter Atmosphärendruck oder bedeutenden Überdrucken, letzteres mit Hochdruck-Kurbelwellendichtungen. Der Ausgang des Kühlers 177 kann direkt in einen Spülschlitz münden, der etwa spiegelbildlich zum Auspuffschlitz 180 anzuordnen ist. Sofern nicht ein separater Regenerator vorgesehen wird, wirken der Kolbenboden, die Zylinderwände und die Trennschicht zwischen heißen und kalten Gasen während der Zylinderspülung als solcher. Zur Reduktion der Motorhöhe können die Kühler 177 horizon&al angeordnet sein, und beim Betrieb mit unkomprimierter Luft können sie entfallen, doch ist dann ein Luftfilter nötig. Bei einem solchen Stirlingmotor sind die Schwenkbewegungen des Pendelkolbens im Bereich des oberen und unteren Totpunktes voll ausgenützt und unerläßlich, nämlich, oben zur Verdrängung des Arbeit sgases durch den Erhitzer und unten zur unsymmetrischen Steuerung des Gaswechsels. Zusätzlich zu seinem schlagfreien und reibungsarmen Lauf hat der Pendelkolben ·■ hier sozusagen denkende Funktion.

Zu den Bauhöhen der Motoren nach den Fig. 5, 6, 11 und ist zu sagen, daß diese bei liegender Anordnung und einem Einzelzylinder-Hubvolumen von 1000 ecm nur ca. 190 mm, bei 5OO ecm nur ca. I50 mm beträgt. Die Hilfsaggregate lassen sich in diesen Bauhöhen unterbringen, ebenso eine Mehrscheibenkupplung oder ein hydrostatischer Antrieb. Diese geringen Bauhöhen und die weitgehende Wartungsfreiheit dieser Motoren sind von entscheidender Bedeutung für Unterflur- oder Untersitz-Einbau in Fahrzeugen, insbesondere Personenwagen, was der Erfinder •mit seinem Versuchswagen "Soletta 750" (1956) erkannt und seither angestrebt hat.

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Die genannten ßauhöhen lassen sich noch weiter reduzieren, wenn ein Motorgehäuse mit fester Zylinderzahl verwendet wird, das aus zwei tiefgezogenen, in Zylinder- und Kurbelwellenmitte (analog zu Fig. 16) aneinandergrenzenden Blechhälften mit daran befestigtem Kühlwassermantel besteht. Problematisch ist dabei jedoch die Bearbeitung der Zylinderlaufflächen, die evtl. durch Funkenerosion und/oder Einlaufenlassen mit ilartmetall-Kolbendichtungen (etwa gemäß Fig. 10) erfolgen kann. Das Pressen der Blechhälften wird durch abgerundete Kolbenecken, besser noch durch Verwendung ovaler oder runder Kolben vereinfacht. Bei Viertaktmotoren ergeben ovale oder rechteckige Kolben günstige Einbauverhältnisse für Parallelventile, wobei die Anordnung der längeren Kolbenseite parallel zur Kurbelwellenachse folgende Vorteile bietet: Alle Ventile in einer Ebene, durch eine obenliegende Nockenwelle einfach zu betätigen; geringere Ziehtiefe der obengenannten Blechhälften; günstigere Kolbenführung durch lanp^e Stirndichtungen. Diese Konzeption verlängert aber den Motor und ergibt geringere Möglichkeiten zur Beeinflussung des Verbrennungsablaufs durch die Schwenkbewegung des Kolbens. Luftgekühlte Zwei- oder Viertaktmotoren mit Pendelkolben eignen sich gut für Motorräder und Motorfahrräder, hauptsächlich bei Anströmung vom Zylinderkopf her (liegender Einbau).

Da bei linearer Vergrößerung der Kolbenabmessungen, jedoch konstanter mittlerer Kolbengeschwindigkeit die mechanischen Beanspruchungen der Querschnitte und Gleitflächen auch bei Pendelkolben unverändert bleiben, lassen sich diese bei beliebig großen Motoren anwenden. Dies ist speziell für Zweitakt-Großdiesei interessant, wo die sehr aufwendigen Kreuzkopf-Kurbeltriebe durch die so viel einfacheren Pendelkolben-Kurbeltriebe ersetzt werden können. Ausführungsbeispiele sind in Fig. 13

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bis 17 dargestellt, die alle im gleichen Maßstab gezeichnet sind, während Fig. 18 Einzelheiten in zehnfacher Vergrößerung verdeutlicht.

Fig. 13 zeigt im Querschnitt den Kurbeltrieb sowie die Außenform des Sulzer RND-Größtdieselmotors, Fig. 14 den Querschnitt und Fig. 15 A und B einen teilweisen Längsschnitt eines entsprechenden Pendelkolbenmotors. Auffallend ist der enorme Großenunterschxed (der Motor nach Fig. 14 ist nur etwa halb so hoch wie der Vergleichsmotor nach Fig. I3), was sich auf Gewicht, Herstellungskosten, Versand usw. und vor allem auf den Höhen- und Raumbedarf sehr günstig auswirkt, insbesondere bei Schiffen. Das Pleuelstangenverhältnis von 3,9 auf 3)3 reduziert (die üblichen Seitenkräfte zufolge Schrägstellung der Pleuelstange treten ja hier nicht auf) was einen schlanken Pendelkolben 185 ergibt. Der Kolben I05 ist beispielsweise in Stahl gegossen und hat einen zweidimensional leicht nach außen gewölbten Kolbenboden (wie anhand der Fig. 11 erläutert), dessen Innenseite waffeiförmig verrippt ist, einen angrenzenden Kühlwasserraum mit Zu- und Ableitungen durch Rohrschwingen 186 sowie einen offenen Pleuelschaft, in den die Schwingen 186 einschwenken. Die Rohrschwingen können auch einen Ölzufuhr zu den in Fig. 16 und 18 erläuterten Kolbendichtungen aufweisen, die auf den ebenen Seitenwänden 137 und den gewölbten Mantelflächen 188 laufen. Die Mantelflächen bilden die Innenseite der rechteckigen Mantelkörper 189 und 190, die z.B. doppelwandig mit Stütarippen und Kühlwasserräumen hohlgegossen und genau zwischen die Seitenwände 187 passend am Motorgehäuse I9I angeflanscht sind. Dadurch lassen sich die Mantelflächen 188 leicht bearbeiten (allseitig freier Werkzeugauslauf) und auswechseln oder evtl. difccch Entfernen von Flanschdichtungen nachstellen. Das Motorgehäuse 191 ist vorzugsweise in einzelnen Elementen gegossen, die in der Höhe

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etwa von Mitte Kurbelwelle bis Unterkante Zylinderkopf und in der Länge je'von Zylindermitte zu Zylindermitte reichen, wo sie zusammengeschweißt bzw. durch die Mantelkörper 189 und 190 verbunden sind. Durch diese Bauart lassen sich die ebenen Seitenwände 187 der Motorgehäuse-Elemente 191 im Bereich der Lauffläche der Kolbendichtungen mit Werkzeugauslauf bearbeiten.

Bei halbgebauter und gleitgelagerter Kurbelwelle 193 nach Fig. 15 A ergeben sich von der Welle her große Abstände zwischen den Zylindermitten 194· und somit breite Motorgehäuse 191» während bei rollengelagerter Scheibenkurbelwelle 195 (Tatra, Maybach u.a.) nach Pig. I5 B ein kurzer Zylinderabstand (194- bis 194-¹) mgglich ist. Dabei kann evtl. auch ein Tunnelgehäuse 196 in Betracht kommen, während normalerweise das Kurbelgehäuse-Unterteil 197 aus einer separaten und auf die ganze Motorlänge ungeteilten Schweißkonstruktion besteht. Die Innenfläche der separaten, relativ schmalen Zylinderköpfe 192 hat bis in die Mitte eine ebene Verdrängerfläche und einen angrenzenden, etwa Halbzylinderförmig nach außen·gewölbten Brennraum 198, der auf der gleichen Zylinderseite angeordnet ist wie die Auspuffschlitze 199 oder evtl, auch auf der entgegengesetzten Seite. Die Auspuffschlitze 199 WBrden durch die Kolbenoberkante und, wenn sie teilweise im Hantelkörper 19O angeordnet sind, durch die Stirndichtung gesteuert, d.h. geöffnet und geschlossen und durch ein Rückschlagorgan geschlossen gehalten. Hierzu können federbelastete Klappen oder eine zwangsgesteuerte oszillierende Klappe verwendet v/erden. Aus thermischen oder wartungsmäßigen Gründen erscheint indes' ein Flachschieber 200 am günstigsten, insbesondere wenn er durch einen Hebel 201 der Kohrschwinge Λ L)G genau synchron zu den Kolbenbewegungen gesteuert wird (die Kinematik dieses Gestänges ist entsprechend auszulegen und der Schieber 200 oberhalb seines Auslaßfensters'

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entsprechend lang auszubilden). Das Gestänge kann auch derart ausgelegt sein, daß der Schieber'nicht umgekehrt, sondern gleichsinnig zum Kolben läuft. Der Ansaug erfolgt vom Längskanal 202 aus über Rückschlagventile 205 in das Kurbelgehäuse, vorzugsweise mit Turboladung. Indessen ist eine Verlegung des Längskanals -202 auf die Seite des Auspuffkanals 204 empfehlenswert, z.B. entlang dem Kurbelgehäuse 197 und bei Schiffen nach hinten konisch auslaufend. Gleichzeitig kann die Einspritzpumpe 205 durch Einzelpumpen 206 ersetzt werden, die vorzugsweise mit der Einspritzdüse zusammengebaut und durch ein Zuggestänge 207 vom Schieber (d.h. über die Kühlrohrschwinge 186 direkt vom Pendelkolben 185 her) betätigt sind. In diesem lalle sind alle Wartungsstellen (inklusive Turbolader) auf einer Motorseite zusammengefaßt, und es können zwei gleiche, aber gegenläufige Motoren Rücken an Rücken direkt aneinandergebaut werden, also spiegelbildlich zu ihrer Zwischenebene. Die Kolbendichtungen sind nach Demontage der Mantelkörper 189 (die unten mit Scharnieren am Motorgehäuse 191 angelenkt sein können) und bloßem Ausschwenken der Pendelkolben 185 voll zugänglich. Andererseits ermöglichen die demontierten (oder ausgeschwenkten) Mantelkörper 189 eine Demontage der Pendelkolben 185 nach oben in einen Maschinenraum, dessen Höhe nur wenig größer ist als die Motorhöhe. Gesamthaft gesehen bietet ein Motor etwa gemäß B¹Ig. 14 oder 15 j der nur mit Pendelkolben möglich ist, alle Vorteile eines echten Langsamläufers in Kombination mit der Kompaktheit einer Gruppe füttelschnell-

läufer, wodurch sich eine völlig neue technische Situation ergibt. Als Nachteil ist allerdings zu vermerken, daß Pendelkolben-Zweitakter in der Drehrichtung kaum umsteuerbar sind und daher bei Schiffen Verstellpropeller (oder Reversiergetriebe) verlangen.

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Als letzte Variante zeigen Fig. 16 und 17 einen für thermische Kraftwerke gedachten Pendelkolben-Zweitaktmotor größter Leistung im Querschnitt und in teilweisem Längsschnitt, der etwa die doppelte Zylinderleistung des Vergleichsmotors nach J)¹Ig. 13 hat. Zwecks geringster Bauhöhe (und somit Gebäudehöhe) sind die Zylinder liegend angeordnet, was eine horizontale teilung des Motorgehäuses wie bei Turbinen wünschenswert erscheinen läßt. Unterteil 211 und Oberteil 212 (demontiert gezeichnet) sind durch Stehbolzen 213 miteinander verbunden, die Trennflächen der halben Seitenwände 214- und 215 durch eine Längenverzahftung 216 gegeneinander zentriert. Die Mantelflächen 217 und 21o sind Teil der auswechselbaren, rechteckigen Mantelstücke, die zur Ergänzung der seitlichen Schlitze 219 und 220 evtl. stirnseitige Spül- und Auslaßschlitze aufweisen können. Unterteil 211 und Oberteil 212 des Motorgehäuses lassen sich einteilig in Schweißkonstruktion herstellen oder vorzugsweise mehrteilig gießen und in Zylindermitte zusammenschweißen. Der Pendelkolben 221 ist außerordentlich kurz und kann, ge-r halten durch die Stecknägel 22, durch die Kurbelwellen-Drehvorrichtung in wartungsgünstige Positionen geschwenkt werden (in Fig. 16 vertikal). Wie anhand der Fig. 7 dargelegt, müssen die Haupt- und Pleuellager der Kurbelwelle vollständig abgedichtet sein und einen Rücklauf für das Schmieröl aufweisen, das bei der Scheibenkurbelwelle 224 evtl. einfacher ist (kleinere Fliehkraft-Differenzen als bei der gleitgelagerten Welle 223). Die Hauptlagerabdichtung erfolgt auf dem Flansch 225-

Fig. 18 zeigt in zehnfacher Vergrößerung die Kolbenkanten des Pendelkolbens 221 mit den rohrförmigen Stirndichtungen 226, die in den Führungen 227 aus mit Lagerwerkstoff belegten Stahlschienen mit außen viereckigem und innen rundem Profil laufen. Diese Führungsschienen 227 sind in entsprechenden Nuten der Kolbenkanten verschiebbar und aus-

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wechselbar eingebaut, wobei die eine Nut (vorzugsweise auf der Kolbenseite, die weder das Kolbengewicht noch die Pleuellagerreibung auf die Mantelfläche übertragen muß) zur Aufnahme einer Wärmedehnungen und Verschleiß ausgleichenden Blatt- oder Wellenfeder 228 tiefer ausgeführt ist. Es ist zweckmäßig, durch Bohrungen oder Ausfräsungen 229 und kommunizierende Längsnuten den Gasdruck auf die Rückseite der rohrförmigen Stirndichtungen 226 wirken zu lassen, wodurch sich die Reibung zwischen 226 und 227 reduziert. Die rohrförmigen Stirndichtungen 226 müssen aus hochwertigem Stahl bestehen und außen gehärtet und geschliffen sein; nötigenfalls können Kerne aus Leichtmetall und Endscheiben vorgesehen werden, auch ist eine Massivausführung in passendem Material, evtl. mit Beschichtung, vorgesehen, z.B. Leichtmetallstangen mit Eisen-, Chrom- oder Nikasiloberflache. Diese Führungs- und Dichtleisten können vom Kolben oder von den Mantelflächen her geschmiert v/erden, auch kommen konventionelle, nicht rotierende Stirndichtungen in Frage. Die auf den Seitenflächen 214,215 laufenden Dichtstreifen 230 entsprechen profilmäßig den üblichen Kolbenringen und sind vorzugsweise in Kolbenmitte überlappt geteilt. Wenn ihre Enden an den zweiteiligen !Führung sschienen 227 oder an nicht rotierenden Endscheiben der Stirndichtungen 226, die gleiche Breite haben wie die Dichtstreifen 230, fixiert sind, können sie an den Steuerschlitzen nicht einhaken, d.h. diese Schlitze können sich bis zu den Mantelflächen 217» 21 _"■ erstrecken. Indessen erscheint auch eine spindelförmige Ausbildung der Seitendichtungen 231 möglich zu sein, die in kleinen Führungsschienen analog zu 227 gelagert und, wie die Dichtstreifen 230, mit Federn hinterlegt sind. Zur teilweisen Anpassung an die Schwenkbewegungen des Pendelkolbens 221 sollen die rotierenden Seitendichtungen 231 in der Länge mindestens einmal unterteilt sein.

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Ein Kurbeltrieb mit Pendelkolben, rotierenden oder teilweise rotierenden Stirn- und Seitendichtungen sowie wälzgelagerter Scheibenkurbelwelle dürften einen ungewöhnlich hohen mechanischen Wirkungsgrad und eine hohe Lebensdauer erreichen. Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 14 bis 17 sind auch als Gas- oder Stirlingmotoren und in reduzierter Größe vorgesehen.

Alle erläuterten Pendelkolben sind wahlweise mil? rundem, ovalem oder viereckigem Kolbengrundriß vorgesehen. Ferner sind Kombinationen von Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeisjiele untereinander möglich.

Die verschiedenen Elemente der Erfindungslehre sind auf Benzin-, Diesel-, Stirling-, Dampf- und Druckluftmotoren anwendbar, sowie sinngemäß auch auf Kompressoren und Pumpen, und zwar ohne Beschränkung in der Größe, der Zahl und Anordnung der 'Zylinder¹.

Die Hubraumflächen entsprechen angenähert den Hüllflächen der Pendelbewegung des Kolbenrandes, wobei 'angenähert' dreierlei andeuten soll: 1) die Abweichungen zufolge Wärmedehungen und Herstellungstoleranzen, 2) die den theoretischen Flächen absichtlich überlagerten Abweichungen, z.B. zur loseren Führung des Kolbens im unteren Hubraumbereich, 3) die absichtliche Abweichung von den theoretischen Flächen* sofern diese für das Laufverhalten des Kolbens und der Dichtungen ungünstig geformt sind.

Pendelkolben etwa gemäß Fig. 1 bis 3 (jedoch mit langen Schäften und ungedämpften Abstützungen 45/61) lassen sich in derzeitige Motoren einbauen, sofern deren lange Zylinderwände durch Kurze, gewölbte Hubraumwände ersetzt werden. Durch Verwendung ultraleichter Pendelkolben er-

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scheint bei Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotoren eine nur zweifach gekröpfte Kurbelwelle (1SO ) möglich zu sein (nötigenfalls mit separatem Massenausgleich), wodurch die für Ansaug- und Auspuff (Schadstoffgehalt) optimale Zündfolge 1-3-2-4 oder 1-4-2-3 entsteht. Mit solchen Kolben werden auch Zwei- und Dreizylinder-Reihenmotoren wieder aktuell und in Automobilen verwendbar.

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Claims (14)

1. Patentansprüche

   ι. 1. ^Kolbenmaschine, insbesondere Verbrennu*ngsmotor, ^-^ mit einem starr mit der Pleuelstange verbundenen Kolben, nach Patentanmeldung P 20 28 916.1, dadurch gekennzeichnet, daß der hemdlose Kolben mit seinem Rand schwenkbar und dichtend in einem Hubraummantel (5; 90, 108; 187, 138) geführt ist, welcher angenähert der Hüllfläche der Pendelbewegung des Kolbenrandes entspricht, dessen Mittelpunkt (1) sich in möglichster Nahe der Mittelachse des Hubraummantels bewegt.
2. 2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbendichtung (2, 40, 60) nach oben demontierbar am Kolben befestigt ist, gegebenenfalls mitsamt dem Kolbenboden (59).
3. 3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrand mit viereckigem Grundriß aus vier unter sich gleichen, winkelförmigen Dichtelernenten (159» 160) besteht, die vorzugsweise mit überlapptem Stoß aneinandergrenzen und mit elastischen Mitteln hinterlegt sind.
4. 4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrand mit viereckigem Grundriß wenigstens stünseiüig; aus kreiszylinderförmirjen Dichtelementen (157; 226, 231) besteht, die vorzugsweise in außen viereckigen Führungsschienen (227) drehbar gelagert und von diesen her unter Gasdruck gesetzt sind.
5. 5. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirndichtungen durch da-·

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   runter angeordnete Kissen (45_f 64-, 163) aus möglichst dämpfungsarmem, elastischem Material, die im Bereich der großen Pleuelausschläge am gewölbten Hubraummantel anschlagen, von den quergerichteten Massenträgheit skräf ten des Pendelkolbens entlastet v/erden.
6. 6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, insbesondere mit viereckigem Kolbengrundriß und mit Stirndichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die höherbelastete der beiden Stirndichtungen durch eine härtere Feder hinterlegt ist und daß die Federvorspannung im unteren Hubbereich vorzugsweise kleiner ist als im mittleren Hubbereich.
7. 7. Kolbenmascnine nach Anspruch 1 mit viereckigem Kolbengrundriß, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gewölbten Hubraummäntel (90) die oberen Innenwände eines aus Blech geformten Mittelgehäuses sind, welches das Kurbelgehäuse und wahlweise auch den Zylinderkopf umfaßt, wobei vorzugsweise die innenbbenen Seitengehäuse mit dem Hittelgehäuse durch Klebung verbunden sind.
8. o. Kolbenmaschine nach Anspruch' 1 mit viereckigem Kolbengrundriß, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gewölbten Hubraummäntel (90) des Mittelgehäuses nur soweit miteinander verbunden sind, daß die Bearbeitung ihrer Mantelflächen nicht behindert wird.
9. 9. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 mit viereckigem Kolbengrundriß, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbten Mantelflächen als separate Mantelkörper (1C>9, 190; 217, 21 ο ) ausgebildet sind, die mit dem Haschinengehäuse vorzugsvjeise nachstellbar bzw. auswechselbar verbunden sind.

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10. 10. i'Yolbenriar-ciiine nacü Anspruch 1 als Reihenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinengelläuse aus swei in seiner Kittelebene aneinandergreuzenden iialbschalen (211, 212) besteht, die bei kleineren hase! inen unter sich r;leich und aus J'-lech [;epreiit sein !rönnen, renebenenfalls einschließlich des ;:c,'lindcrj οpies.
11. 11. ί>.ο1υοη:,.:ιαο'.:'ίηο ro.cii Anspruch I als Vicra:^Tli.ndc:> Vic::'i:alvt-iieixie,i:.!Otor mit leiciikeLj Peudclkolben, dadur'ca ; ;eicennzeicanet, dai;· die imrbelv/ej.le derart rxcropit i-^t, aaß eich die /<iimdfol;;;e '\-'-j-2-^L\- bzw. 1-^-2--J ergibt.
12. 12. jiOl-.'.iij^-'-.cc^.ino naca Anspruci) 1 mit JJrucjcolccurnicxmnp der Kurbülv/olle, dadurcn !■cl-eun^eiclinet, d.'vi.'· die -auei;- und ileuella^or ;-e;;en aan Kurbel^eiiäuse ain ab Olio !ι co '<: sind und das öl durch Kanäle rüc::;;e-.Li'ihrt v/ird, die vorzu^sv.'eise in Riciitunf; der .'.¹MIeIi.- :i'ai't verlaufen.
13. Vj. Külbenraaschine nach Anspruch 1 als iiotor riit äußerer 7erbrennuL! , dadurcii rjeliennseicanot, da_..· zv/ischen dem j-.olbeaooden und den Zylinderkopf etwa, in der Kittelebene durch die Kurbelwelle eine Labyrinthdichtung (167» 16.,) anpeoxxLnet irjt und .daß durcii die Pendelbewegung des Kolbenbodens ir. Lereich des oberen Totpunktes- das Arbeitsgas den am Zylinderkopf angeordneten i'u£eren .brennraum (1G9» 170) bzw. Erhitzer (176) durchströmt, wobei die übrigen I-iotorteile wie bei einem Zweitaktmotor angeordnet sein können.
14. 14. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 als Zweitakt-Diesel-Eotor mit viereckigen Kolbengrundriß, dadurch pekenn-szeichnet, daß der Kolbenboden einen in einer x.'ormal-

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    ebene zur Kurbelwelle angeordneben, nach unten f;ewülbten über ström- und brennkanal (134) sov/ie wenigstens einen auf der »jeite dos nach oben bewerten Kolbeiischa.ites angeordneten flachschieber ('12C) ausweist, der den Ein- und Auslaß mit unsymmetrischen Diagramm steuert.

    i>. Kolbenmaschine no.ch Anspruch 1 als großer Jweitoirb-Dieselmotor mit einer an Peno.elkolben und KurLolßehäuse angelenkten i->ch^T.ringe, - dadurch f.;caennneic:inet, daß die Schwinge (1-5) durCii ein Gestänge ion Auslaßsciieoer (200) liü'l yorsuf^sweise auch die Einspritzpumpe (206) betätigt.

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    BAD ORIGINAL