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Kolbenmaschine, insbesondere Kolbenkraftmaschine
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Gegenstand der Erfindung ist eine Kolbenmaschine, bei der die abgeschlossenen,
in ihrem Volumen veränderlichen Arbeitsräume zwischen einem Gehäuse und mindestens
einem relativ zu diesem beweglichen Kolben gebildet sind.
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Bei solchen Kolbenmaschinen unterscheidet man zwischen Kolbenkraftmaschinen,
bei denen der Kolben durch das periodisch wirkende Arbeitsmittel das Triebwerk antreibt,
und Kolbenarbeitsmaschinen, bei denen das Triebwerk durch eine fremde Kraftmaschine
angetrieben wird und über den Kolben ein Medium fördert.
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Kolbenkraftmaschinen sind in den meisten Fällen so ausgelegt, daß
die Relativbewegung zwischen Gehäuse und Kolben in eine kontinuierlich drehende
Abtriebsbewegung umsetzbar ist.
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Bei Kolbenarbeitsmaschinen wird hingegen die Relativbewegung zwischen
Gehäuse und Kolben von einer kontinuierlich drehenden Antriebsbewegung abgeleitet.
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Bei der Bauart von Kolbenmaschinen unterscheidet man wiederum zwischen
Hubkolbenmaschinen, bei denen der Kolben in einem Zylinder eine geradlinige Hin-
und Herbewegung ausführt, und Rotationskolbenmaschinen, bei denen der Kolben in
einem Gehäuse eine fortwährende Drehbewegung ausführt.
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Hubkolbenmaschinen haben den Vorteil, daß eine einwandfreie Abdichtung
der Arbeitsräume zwischen dem Kolben und dem Gehäuse erreicht werden kann. Nachteilig
ist äedoch, daß die Umwandlung der hin- und hergehenden Kolbenbewegung in eine kontinuierliche
Drehbewegung über Driebwerke, z. B. Kurbeltriebe oder Taumelscheibengetriebe, erfolgen
muß, an denen in stetem Wechsel große Massenbeschleunigungen und -verzögerungen
wirksam werden.
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Bei Rotationskolbenmaschinen bereitet hingegen die Abdichtung zwischen
dem Kolben und dem Gehäuse Schwierigkeiten, während sich für das Triebwerk eine
baulich einfache Ausgestaltung ergibt.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Kolbenmaschine, insbesondere
einer Kolbenkraftmaschine, welche die bekannten Vorteile von Hubkolbenmaschinen
und Drehkolbenmaschinen in sich vereinigt, deren jeweilige Nachteile jedoch vermeidet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Kolbenmaschine, insbesondere
Kolbenkraftmaschine, bei der die abgeschlossenen, in ihrem Volumen veränderlichen,
Arbeitsräume zwischen einem Gehäuse und mindestens einem relativ zu diesem beweglichen
Kolben gebildet sind, und bei der die Relativbewegung zwischen Gehäuse und Kolben
entweder von einer kontinuierlich drehen den Antriebsbewegung abgeleitet oder aber
in eine kontinuierlich drehende Abtriebsbewegung umgesetzt wird, so zu gestalten,
daß sie gleichzeitig nach dem Hubkolben-Prinzip und dem Rotationskolben-Prinzip
arbeitet.
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Die Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß in erster Linie dadurch
gekennzeichnet, daß bei koaxialer Anordnung von Kolben und Gehäuse der Kolben relativ
zum Gehäuse sowohl axial verschiebbar als auch drehbar geführt ist und dabei die
Relativdrehung zwischen Kolben und Gehäuse aus
deren relativer Axialverschiebung
über Steuerführungen erzeugbar ist, die aus in Axialrichtung mehrfach und gleichmäßig
wellenförmig gekrümmten Ringflächen sowie daran angreifenden Stützgliedern bestehen.
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Als besonders wesentlich hat es sich in diesem Zusammenhang erwiesen,
wenn nach der Erfindung die den Arbeitsraum begrenzenden Kolben- und Gehäuse-Endflächen
aus in Axialrichtung mehrfach und gleichmäßig wellenförmig gekrümmten Ringflächen
bestehen, deren Wellenverlauf wenigstens annähernd dem Wellenverlauf. der Steuerführungen
entspricht.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, sowohl die Steuerführungen
als auch die Kolben- und Gehäuse-Endflächen jeweils mit zwei sich diametral gegenüberliegenden
Wellenbergen und Wellentälern gleicher Amplitude zu versehen. Hierdurch wird nämlich
einerseits erreicht, daß der Kolben im Verlauf einer vollständigen Relativdrehung
zum Gehäuse zwei aufeinanderfolgende Hubbewegungen ausführt und daß andererseits
zwei voneinander getrennte Arbeitsräume gebildet werden, die sich während jeder
Hubbewegung des Kolbens in ihrem Volumen aufeinanderfolgend vergrößern und verkleinern.
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Um eine einwandfreie Abdichtung der Arbeitsräume gegen ein ander zu
erzielen, ist nach einem weiterbildenden Erfindungsmerkmal vorgesehen, daß zwischen
den Kolben- und den Gehäuse-Endflächen zwei radial gerichtete und axial verschiebbar
geführte Dichtleisten angeordnet sind, welche zwei Arbeitsräume gleicher Querschnittsgröße
gegeneinander abgrenzen.
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Diese Dichtleisten sind in Schlitzen des Gehäuses geführt, welche
auf der radial gerichteten Scheitellinie der Wellenberge und den Gehäuse-Endflächen
ausmünden.
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Ein anderes Wesensmerkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die
Stützglieder der Steuerführung aus Wälzkörpern bestehen,
die im
Gehäuse gelagert sind. Als vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, einerseits
die Steuerkurve und andererseits die Wälzkörper der Steuerführung mit gegen die
Kolbenachse geneigten Laufflächen zu versehen.
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Möglich ist es nach der Erfindung auch, einerseits die Steuerkurve
und andererseits wenigstens einen der Wälzkörper mit einer Eingriffsverzahnung auszustatten
und dabei den verzahnten Wälzkörper auf einer Welle anzuordnen, die aus dem Gehäuse
herausragt.
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Auch kann der Kolben axial verschiebbar aber drehfest auf einer im
Gehäuse gelagerten Welle sitzen.
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Ein anderes erfindungsgemäßes Weiterbildungsmerkmal der Kolbenmaschine
besteht darin, daß die der wellenförmig gekrümmten Ringfläche des Kolben gegenüberliegende
Endfläche mit einem zylinderartigen Deil des Gehäuses einen Verdichter bildet.
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Besonders vorteilhaft eignet sich eine nach der Erfindung ausgestaltete
Kolbenmaschine zur Ausbildung als Viertakt-Verbrennungsmotor. In diesem Falle ist
es dann gemäß der Erfindung von besonderer Bedeutung, daß in Richtung der Relativdrehung
zwischen Gehäuse und Kolben jeweils hinter der Dichtleiste in die Ringfläche des
Gehäuses ein 3rennraum eingearbeitet ist, der sich bis nahezu an die Scheitellinie
des nachfolgenden Wellentals erstreckt und in deren jeden ein Ein- und ein Auslaßkanal
mündet. Jedem Ein-und jedem Auslaßkanal läbt sich dabei ein Ventil zuordnen und
mit einer durch die Relativdrehung zwischen Kolben und Gehäuse antreibbaren Nockenscheibe
in Wirkverbindung halten.
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Damit eine exakt -auf die Arbeitsweise des Viertakt-Verbrennungsmotors
abgestimmte Steuerung der Ventile erzielt werden kann, ist nach der Erfindung auch
vorgesehen, daß die Einlaßventile einen anderen radialen Abstand von der Wellenachse
aufweisen
als die Auslaßventile und daß die Nockenscheibe mit zwei verschiedenen Steuernocken
für die Ein-und Auslaßventile versehen ist. Die Nockenscheibe kann hierbei drehfest
auf der durch den Kolben drehangetriebenen Welle sitzen.
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Eine baulich besonders einfache und wenig störanfällige Ausbildung
der Kolbenmaschine ergibt.sich erfindungsgemäß dadurch, daß die Ein- und Auslaßkanäle
unmittelbar durch den als Steuerschieber wirkenden Kolben zu öffnen und schließbar
sind.
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Ein besonders intensiver Gaswechsel ergibt sich nach der Erfindung
dann, wenn die Einlaßkanäle der Brennräume über (1ie Ventile oder Steuerschieber
mit dem Verdichterraum verllins'bar sind und dadurch die Arbeitsräume der Kolbenmaschine
in vorverdichteter Verbrennungsluft beschickt werden können.
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Nach der Erfindung besteht ohne weiteres auch die Möglichkeit, in
einem Gehäuse zwei gleichartige Kolben anzuordnen, um eine Beistungsverdoppelung
zu erhalten. Werden in diesem Falle für den Gaswechsel Ventilsteuerungen benutzt,
dann kann die Betätigung der Ventile über eine beidseits mit Steuernocken besetzte
Nockenscheibe bewirkt werden, die in der Mitte zwischen den beiden Kolben auf der
Welle sitzt. Wirken die Kolben selbst als Steuerschieber für den Gaswechsel, dann
ist es lediglich notwendig, jedem einzelnen Kolben im Gehäuse einen eigenen Ein-
und Auslaßkanal zuzuordnen.
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Der Gegenstand der Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit der Zeichnung
an mehreren verschiedenen Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben. Es zeigt
bzw. zeigen die Figuren 1 und 2 in schematisch vereinfachter Ansichtsdarstellung
das Wirkprinzip der einfachsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine,
die Figuren 3 und 4 ebenfalls in schematisch vereinfachter Ansichtsdarstellung das
Wirkprinzip einer weitergebildeten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine,
die Figur 5 in ausführlicher Längsschnittdarstellung eine als Viertakt-Verbrennungskraftmaschine
ausgebildeten Kolbenmaschine in der aus Fig. f ersichtlichen Ausführung und Arbeitsstellung,
Figur 6 wiederum in ausführlicher Längsschnittdarstellung die Viertakt-Verbrennungskraftmaschine
in Ausführung und Arbeitsstellung gemäß Fig. 4, Figur 7 einen Schnitt längs der
Linie IX-IX in Fig. 5, Figur 8 einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 6, Figur
9 in ausführlicher Längsschnittdarstellung der Viertakt-Verbrennungsmotor in der
aus
den Figuren 5 bis 8 ersichtlichen Bauart, jedoch in einer Ausführungsform
mit zwei Arbeitskolben, Figur 10 eine lineare Darstellung des Arbeitsablaufs für
einen Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Figuren 5 bis 8 bzw. nach Fig. 9 im Zeitpunkt
der Beendigung eines Arbeitstakt es und eines Ansaugtaktes, Figur 11 ebenfalls eine
lineare Darstellung des Arbeitsablaufs für den Viertakt-Verbrennungsmotor nach den
Figuren 5 bis 8 bzw. nach Fig. 9 im Zeitpunkt der Beendigung eines Verdichtungstaktes
sowie eines Ausstoßtaktes, Figur 12 eine der Fig. 8 entsprechende Darstellung der
Ventilsteuerung für den Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Figuren 5 bis 8 bzw.
nach Fig. 9 in dem aus Fig. 10 ersichtlichen Zeitpunkt des Arbeitsablaufes, Figur
13 wiederum eine der Fig. 8 entsprechende Ansicht auf die Ventilsteuerung, jedoch
während des aus der Fig. 11 ersichtlichen Zeitpunktes des Arbeitsablaufes.
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Die einfachste Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Kolbenmaschine ist aus den Figuren 1 und 2 der Zeichnung ersichtlich. Diese Kolbenmaschine
besteht im wesentlichen aus einem zylinderartigen Gehäuse 1, einem koaxial zu diesem
angeordneten Kolben 2 und einer im Gehäuse 1 drehbar gelagerten sowie den Kolben
2 tragenden Welle 3.
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Der Kolben 2 ist axial verschiebbar im Gehäuse 1 und auf der Welle
3 geführt, jedoch drehfest mit der Welle 3, z. B.
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durch ein Keilwellenprofil, verbunden. In die Mantelfläche des Kolbens
2 ist eine Steuerkurve 4 eingearbeitet, die aus in Axialrichtung mehrfach und gleichmäßig
wellenförmig gekrümmten Ringflächen besteht. In diese Steuerkurve 4 greifen Stützglieder
5 ein, die am Gehäuse 1 angeordnet sind.
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Die Steuerkurve 4 ist in Umfangsrichtung des Kolbens 2 in sich geschlossen
ausgebildet und so gestaltet, daX sich jeweils zwei Wellenberge und zwei Wellentäler
diametral gegenüberliegen. Wellenberge und Wellentäler sind also jeweils um 900
in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, so daß eine Hin- und Herbewegung
des Kolbens 2 im Gehäuse 1 eine Halbdrehung der Welle 3 zur Folge hat bzw.
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eine Drehung der Welle 3 zwei vollständige Kolbenhübe nach sich zieht.
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Die Kolbenmaschine nach den Figuren 1 und 2 kann als doppelt wirkende
Kolbenarbeitsmaschine, aber auch als doppelt wirkende Kolbenkraftmaschine ausgebildet
werden. Sie kann jedoch auch als kombinierte Kolben-Kraft- und -Arbeitsmaschine
in Benutzung genommen werden.
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Bei der Kolbenmaschine nach den Figuren 1 und 2 sind die innerhalb
des Gehäuses 1 durch den Kolben 2 abgetrennten Arbeitsräume 6 und 7 in gleicher
Weise ausgebildet, wie bei einer normalen Hubkolbenmaschine. Der wesentliche Unterschied
gegenüber einer normalen Hubkolbenmaschine liegt darin, daß der Kolben 2 im Gehäuse
1 außer seiner hin- und hergehenden Hubbewegung zugleich auch eine Rotationsbewegung
ausführt und dabei unmittelbar mit der im Gehäuse 1 drehbar gelagerten Welle 3 zusammenwirkt.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Kolbenmaschine ist aus en Figuren 3 und 4 ersichtlich. Hierbei ist im Gehäuse 11
der Kolben 12 schiebbar und drehbar koaxial zur Welle 13 angeordnet und etXeist
eine in seiner Umfangsrichtung wellenförmig verlaufende Steuerkurve 14 auf,
die
mit gehäusefesten Steuerführungen 15 zusammenwirkt.
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Abweichend von der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kolbenmaschine
ist bei der Ausführung nach den Figuren 3 und 4 der Arbeitsraum 16 zwischen der
einen Kolbenseite und dem Gehäuse 11 ausgebildet. Die Kolbenendfläche 18 hat nämlich
einen zumindest annähernd der Steuerkurve 14 entsprechenden wellenförmigen Verlauf
und auch die ihr zugeordnete Gehäuse-Endfläche 19 ist entsprechend wellenförmig
gestaltet. Dabei greift ein gehäusefester, die Welle 13 konzentrisch umgebender
und zylindrischer Führungskörper 20 in eine entsprechende Bohrung des Kolbens 12
ein, dergestalt, daß einerseits die wellenförmigen Endflächen 18 des Kolbens 12
und andererseits die entsprechend wellenförmigen Endflächen des Gehäuses 11 gegeneinander
gerichtete Ringflächen bilden.
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In der linken Endstellung des Kolbens 12 greifen dabei die Wellenberge
der ringförmigen Kolben-Endfläche 18 in die Wellentäler der ebenfalls ringförmigen
Gehäuse-Endflächen 19 ein, während umgekehrt, die Wellenberge der ringförmigen Gehäuse-Endflächen
19 in die Wellentäler der ringförmigen Kolbenendflächen 18 eingreifen, wie das aus
Fig. 3 hervorgeht.
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In diesem Falle weist dann der Arbeitsraum 16 zwischen dem Gehäuse
11 und dem Kolben 12 die Gestalt eines wellenförmigen Ringspaltes 16 auf und hat
zugleich sein geringstmögliches Volumen.
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In der entgegengesetzten Kolben-Endstellung, die aus Fig. 4 ersichtlich
ist, laugen jeweils die Wellenberge der Kolbenendfläche 18 den Wellenbergen der
Gehäuse-Endfläche 19 und die Wellentäler der Kolbenendfläche 18 den Wellentälern
der Gehäuse-Endfläche 19 gegenüber, so daß der Arbeitsraum 16 aus zwei gegeneinander
abgetrennten Teilräumen besteht, die zusammen das größtmögliche Kammervolumen haben.
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Der Arbeitsraum 17 der Kolbenmaschine nach den Figuren 3 und 4 hat
die gleiche Ausbildung wie der Arbeitsraum 7
der Kolbenmaschine
nach den Figuren 1 und 2.
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Zu erwähnen ist noch, daß die Kolbenmaschine nach den Figuren 1 und
2 sich in besonders volte.'hafter Weise als Kolbenarbeitsmaschine, bspw. als Pumpe
oder Kompressor einsetzen läßt, indem die Welle 3 von einer Kraftmaschine ihren
Antrieb erhält und dadurch innerhalb des Gehäuses 1 eine drehende und eine von der
Drehung abgeleitete, hin- und hergehende Bewegung ausführt. Die Kolbenmaschine nach
den Figuren 3 und 4 ist für den Einsatz als kombinierte Kolbenkraft- und -arbeitsmaschine
geeignet, wobei der von der Kolbenendfläche 18 und der Gehäuse-Endfläche 19 begrenzte
Arbeitsraum 16 bspw. den krafterzeugenden Verbrennungsraum bildet, während der Arbeitsraum
17 als Pump- oder Verdichterraum wirkt.
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In den Figuren 5 bis 8 ist eine Kolbenmaschine nach dem Prinzip der
Figuren 3 und 4 ausführlich dargestellt, und zwar in einer Ausbildung als Viertakt-Verbrennungskraftmaschine
mit Vorverdichter. Das Gehäuse 111 hat dabei die Form eines Zylinders, in dem koaxial
der Kolben 112 angeordnet ist.
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Die beiden Enden des Gehäuses 111 sind jeweils durch Dekkel 131 und
132 abgeschlossen, in denen die Welle 113 drehbar lagert. Auf dieser Welle ist der
Kolben 112 innerhalb des Gehäuses 111 axial verschiebbar, aber undrehbar gelagert,
und zwar dadurch, daß wenigstens ein Teilstück der Welle 113 als Keilwelle profiliert
ist (Fig. 7) mit der der Kolben 112 über eine entsprechende Profilierung in Dauereingriff
steht.
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Der Kolben 112 ist an seinem Außenumfang in üblicher Weise über Kolbenringe
433 und 134 gegen das Gehäuse 111 abgedichtet. An einem Ende des Gehäuses ist ein
zylindrischer Führungsansatz 120 starr angeordnet, welcher die Welle auf ihrem nicht
mit dem Keilwellenprofil versehenen Teilstück
konzentrisch umgibt
und der dauernd in eine Bohrung 135 des Kolbens 112 hineinragt. Kolbenringe 136
am Außenumfang des Führungsansatzes 120 bewirken dabei wiederum die Abdichtung gegen
die Bohrung 135 im Kolben 112.
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Die am Außenumfang des Kolbens 112 vorgesehene und in dessen Axialrichtung
wellenförmig verlaufende Steuerkurve 114 hat eine gegen die Kolbenachse geneigte
Lauffläche, welche mit konischen Führungsrollen 115 zusammenwirkt, die an der Innenseite
des Gehäuses 111, sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wie das aus Fig.
7 ersichtlich ist.
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Die Amplitude des Wellenverlaufs der Steuerkurve 114, d. h.
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der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Wellenberge und dem Scheitelpunkt
der Wellentäler entspricht dem Hubweg des Kolbens 112 im Gehäuse 111 und die Wellenform
ist so gewählt, daß der Scheitelpunkt eines Wellentales vom benachbarten Wellenberg
einen Winkelabstand von 90° aufweist.
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Die zwischen dem Gehäuse 111 und dem konzentrisch in diesem sitzenden
zylindrischen Führungsansatz 120 gebildete, ringförmige Kolbenendfläche 118 hat
ebenfalls in Axialrichtung des Kolbens wellenförmigen Verlauf. Ihre Charakteristik
entspricht der der Steuerkurve 114, diese ist jedoch etwas flacher ausgebildet.
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Auch die zwischen dem Gehäuse 111 und dem zylindrischen Führungsansatz
120 gebildete Gehäuse-Endfläche ist ringförmig ausgebildet und hat einen wellenförmigen
Verlauf, dergestalt, daß in der der Gehäuse-Endfläche 119 am nächsten liegenden
Hubstellung des Kolbens 142 die Wellenberge der Gehäuse-Endfläche 119 in die Wellentäler
der Kolbenendfläche 118 und die Wellenberge der Kolbenendfläche 118 in die Wellentälewr
der Gehäuse-Endfläche 119 eingreifen (Fig. 5).
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In jeden Wellenberg der Gehäuse-Endfläche 119 sind entlang der radial
gerichteten Scheitellinie sich in Axialrichtung erstreckende Schlitze 137 eingearbeitet,
wobei in jedem dieser Schlitze eine Dichtleiste 138 geführt ist, die durch Federn
139 dauernd mit der Endfläche 118 des Kolbens 112 in dichtender Kontaktberührung
gehalten sind.
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Durch die beiden Dichtleisten 138 wird der Arbeitsraum 116 zwischen
der Kolbenendfläche 118 und der Gehäuse-Endfläche 419 in zwei querschnittsgleiche
Teilräume 116' und 116tal unterteilt, welche sich in Abhängigkeit von der Hub- und
Drehbewegung des Kolbens 112 gleichzeitig vergrößern und verkleinern.
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In die ringförmige Gehäuse-Endfläche 119 sind zwei Brennkammern 140
eingearbeitet, welche - in Drehrichtung des Kolbens 112 gesehen - jeweils hinter
der Dichtleiste 138 in jedem Wellenberg beginnen und sich nahezu bis zum Scheitelpunkt
des nachfolgenden Wellentales erstrecken, wie das aus den Figuren 8 und 10 ersichtlich
ist. In jede der Brennkammern 140 mündet ein Einlaßkanal 141 und ein Auslaßkanal
142.
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Der Einlaßkanal 141 kann nach dem Brennraum hin durch ein Einlaßventil
143 geöffnet und geschlossen werden, während zum Öffnen und Schließen des Auslaßkanals
142 ein Auslaßventil 144 vorgesehen ist.
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Beide Ventile 143 und 144 sind in üblicher Weise verschiebbar geführt
und werden über Ventilfedern 145 in ihrer Schließlage gehalten. Die Öffnungsbewegung
der Ventile 143 und 144 wird durch eine Nockenscheibe 146 gesteuert, welche auf
die Welle 113 aufgekeilt ist und sich so zusammen mit dieser dreht.
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Einlaßventil 143 und Auslaßventil 144 sind mit unterschiedlichem radialen
Abstand zur Welle 113 angeordnet, so daß ihnen an der Nockenscheibe 146 zwei verschiedene
Steuernocken 147 und 148 zugeordnet werden können.Hierdurch
wird
erreicht, daß bei jeder Drehung der Welle 113 jedes Einlaßventil 143 und jedes Auslaßventil
144 einen Arbeitszyklus ausführt.
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Die Nockenscheibe 146 ist auf der Welle 113 und im Gehäuse 111 zwischen
dem Gehäusedeckel 131 und dem die Gehäuse-Endfläche 119 bildenden Gehäuseteil 149
angeordnet, wobei die Ventile 143 und 144 über ihre Schäfte verschiebbar in dem
Gehäuseteil 149 geführt werden.
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Der zwischen dem Gehäusedeckel 132 und dem ihm zugewandten Ende des
Kolbens 112 gebildete Arbeitsraum 117 dient als Vorverdichter für die den Brennräumen
140 über den Einlaßkanal 141 zugeführte Verbrennungsluft.
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Um beim Rückwärtshub des Kolbens 112 im Gehäuse 111 das Ansaugen der
Luft in en Arbeitsraum 117 zu ermöglichen und beim nachfolgenden Vorwärtshub eine
Verdichtung der angesaugten Luft im Arbeitsraum 117 sicherzustellen, ist in die
Ansaugöffnung 150 ein selbsttätig wirkendes Klappenventil 151 eingebaut.
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In Fig. 9 der Zeichnung ist eine Weiterbildung der als Viertakt-Verbrennungsmotor
ausgebildeten Kolbenmaschine nach den Figuren 5 bis 8 dargestellt. Diese ist im
Prinzip völlig identisch mit dem Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Figuren 5 bis
8 ausgebildet. Lediglich sind im Gehäuse 111 zwei Kolben 112 auf der Welle 113 angeordnet,
wobei die Steuernocken für die Ventile zu den Brennkammern beider Kolben an einer
gemeinsamen Nockenscheibe 146 angeordnet sind, die im Gehäuse 111 zwischen den beiden
Kolben 112 gelagert ist.
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In Verbindung mit den Figuren 10 bis 13 soll nunmehr die Wirkungsweise
der in den Figuren 7 bis 9 dargestellten Viertakt-Verbrennungsmotoren ausführlich
erläutert werden.
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Indem die Welle 113 durch eine übliche Anlaßmaschine in Drehung versetzt
wird, führt der Kolben 112 im Gehäuse 111 eine entsprechende Drehung aus. tber die
am Umfang des Kolbens 112 vorgesehene, wellenförmige Steuerkurve 114 und die im
Gehäuse 111 drehbar gelagerte Kegelrollen 115 wird dabei dem Kolben eine der Amplitude
des Wellenverlaufes entsprechende Hubbewegung im Gehäuse aufgezwungen. Gleichzeitig
mit der Dreh- und Hubbewegung des Kolbens 112 werden über die Nockenscheibe 146
die den beiden Brennräumen 140 zugeordneten Einlaßventile 143 und Auslaßventile
144 in zyklische Bewegung gesetzt.
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In denjenigen Brennraum 140, dessen Einlaßventil 143 zuerst öffnet,
wird über den Einlaßkanal 141 das Brennstoff-Luftgemisch dadurch angesaugt, daß
sich der Kolben 112 mit seiner Endfläche 118 von der Endfläche 119 des Gehäuses
111 wegbewegt. Am Ende dieser Hubbewegung des Kolbens 112 wird dann das Einlaßventil
143 geschlossen, womit der Ansaugtakt beendet ist. Dieser Zustand ist im mittleren
Teil der linearen Darstellung des Arbeitsablaufs in Fig. 10 gezeigt.
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Beim darauffolgenden Rückhub des Kolbens 112 findet die Verdichtung
des Brennstoff-Luftgemisches in der Brennkammer 140 statt, wobei der Verdichtungstakt
in dieser Brennkammer 140 beendet ist, sobald der Kolben 112 mit seiner Endfläche
118 wieder dicht an die Endfläche 119 des Gehäuses 111 zurückgeführt wurde. Dieser
Zustand ist im linken Teil der linearen Darstellung des Arbeitsablaufs nach Fig.
11 angedeutet. In diesem Augenblick wird die Zündung des verdichteten Gases in üblicher
Weise, z. B. durch Zündkerzen, und damit der Beginn eines Arbeitstaktes für den
Kolben 112 eingeleitet. Hierdurch wird der Kolben 112 in Axialrichtung von der Gehäuse-Endfläche
119 weggedrückt und ihm zugleich über die Steuerkurve 114 und die Kegelrollen 115
ein Drehimpuls aufgezwungen, welcher auf die Welle 113 übertragen wird.
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Gleichzeitig mit dem Beginn des Arbeitstaktes in der einen Brennkammer
140 wird das Einlaßventil 143 für die andere Brennkammer 140 geöffnet, so daß hier
der Ansaugvorgang
des Brennstoff-Luftgemisches beginnt. Ist der
Arbeitstakt in der einen Brennkammer beendet, dann hat auch der andere Ansaugvorgang
für die Brennkammer 140 durch Schließen des Einlaßventils 143 sein Ende gefunden.
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Durch den aus dem Arbeitstakt resultierenden Drehimpuls des Kolbens
wird dieser über die Steuerkurve 114 und die Kegelrollen 115 wieder in Richtung
nach der Gehäuse-Endfläche 119 hin zurückgeführt, nachdem zuvor das Auslaßventil
der einen Brennkammer durch die Nockenscheibe 146 geöffnet wurde. Dadurch wird das
verbrannte Gas aus der einen Brennkammer 140 ausgestoßen und zugleich das in die
andere Brennkammer 140 angesaugte Brennstoff-Luftgemisch verdichtet. Die Beendigung
des Ausstoßens der verbrannten Gase aus der einen Brennkammer sowie die Beendigung
des Verdichtungstaktes in der anderen Brennkammer ist aus Fig. 11 ersichtlich. Durch
die Zündung des verdichteten Gases in der anderen Brennkammer 140 wird nun ein weiterer
Arbeitstakt eingeleitet und dadurch der fortlaufende Betrieb des Verbrennungsmotors
sichergestellt, weil aus der durch die Explosion der Brenngase erzwungenen, weiteren
Hubbewegung des Kolbens über die Steuerkurve 114 und die Kegelrollen 115 wiederum
ein Drehimpuls des Kolbens entsteht, welcher unmittelbar auf die Welle 113 übertragen
wird.
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Da zwischen der wellenförmigen Endfläche 118 des Kolbens 112 und der
entsprechend wellenförmigen Endfläche 119 des Gehäuses 111 zwei durch die Dichtleisten
138 voneinander abgetrennte Arbeitsräume 116' und 116" vorhanden sind, deren jeder
eine Brennkammer 140 mit Ventilen und Zündkerzen aufweist, findet nach jeder vollständigen
Wellendrehung in einer der beiden Arbeitskammern 116' und 116 " eine Zündung des
verdichteten Brenngases statt, so daß ein gleichmäßiger Lauf der Brennkraftmaschine
sichergestellt wird.
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In den Figuren 12 und 13 ist die Ventilsteuerung für den Viertakt-Verbrennungsmotor
nach den Figuren 5 bis 9 schematisch dargestellt. Dabei zwigt Fig. 12 die Relativstellung
der
Nockenscheibe 146 mit ihren Steuernocken 147 und 148 zu den Ventilen in einer oberen
Totpunktstellung des Kolbens 112 und Fig. 13 in einer unteren Totpunktstellung des
Kolbens 112. Jeder der beiden Steuernocken 147 und 148 erstreckt sich über einen
Winkelbogen von 900, und sie sind relativ zueinander so angeordnet, daß sie sich
insgesamt über einen Winkelbogen von 1570 erstrecken. Einlaßventil 143 und Auslaßventil
144 sind in Drehrichturg der Nockenscheibe um einen Winkel von 280 zueinander versetzt
angeordnet.
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Aus Fig. 12 ist ersichtlich, daß in jeder oberen Totpunktstellung
des Kolbens das Einlaßventil 143 einer Brennkammer 140 gerade in seine Schließstellung
gelangt ist, während das Auslaßventil 144 der anderen Brennkammer gerade in die
Öffnungsstellung gebracht wurde. Fig. 13 läßt erkennen, daß in jeder unteren Totpunktstellung
des Kolbens 112 das Einlaßventil 143 einer Brennkammer gerade in Öffnungsstellung
gelangt ist, während das Auslaßventil 144 der gleier'en Brennkammer gleichzeitig
seine Schließlage erreicht.
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Wesentlich für die Wirkungsweise eines Viertakt-Verbrennungsmotors
der vorstehenden beschriebenen Bauart ist, daß der Kolben 112 gleichzeitig die Funktion
eines Hubkolbens und eines Rotationskolbens ausführt und dadurch die aus der Explosion
der Brenngase resultierende lineare Bewegung unmittelbar in eine Drehbewegung der
Welle 113 umsetzt.
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Eine Abwandlung der Viertakt-Verbrennungskraftmaschine nach den Figuren
5 bis 8 wäre auch dadurch möglich, daß die wellenförmige in Umfangsrichtung des
Kolbens 112 veriaufende Steuerkurve 114 mit einer Eingriffsverzahnung versehen wird
und mindestens eine der Kegelrollen 115 eine entsprechende Eingriffsverzahnung aufweist.
In diesem Falle könnte dann die die Verzahnung aufweisende Kegelrolle 115 auf dem
Ende einer im Gehäuse 111 drehbar gelagerten Welle sitzen,
die
dann den Abtrieb bewirkt. In diesem Falle könnte dann die Welle 113 ohne Keilwellenprofil
ausgeführt und fest im Gehäuse gelagert werden, wenn die Gaswechselvorgänge zugleich
über Schlitze in der Zylinderseitenwand bewirkt werden, indem diese unmittelbar
vom Kolben 112 während seiner Bewegung verdeckt und freigegeben werden. Nockenscheibe
und Ventile können dann entfallen, womit eine wesentliche bauliche Vereinfachung
erreicht wird.
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Ein Viertakt-Verbrennungsmotor der beschriebenen Art läßt sich nicht
nur in herkömmlicher Weise einsetzen, sondern auch derart, daß das Gehäuse um die
feststehende Welle dreht. Dabei kann der Motor dann als integriertes Bauteil eines
Planetengetriebes vorgesehen werden, bei dem das außenverzahnte Gehäuse das Sonnenrad
bildet. Auch ließe er sich bspw. als Radnabenmotor für mobile Großmaschinen einsetzen,
wenn die Zu- und Abführung der Gase durch die hohlgebohrte Mittelwelle erfolgt.
Auch der Einsatz als Antrieb für Stromerzeuger (Generatoren) bietet sich an, weil
das Gehäuse eine zylindrische Form aufweist und selbst den Läufer des Generators
bilden kann. Motor und Generator könnten dann in ein gemeinsames Außengehäuse eingebaut
werden.
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Es sind auch Abänderungen der beschriebenen Bauformen möglich.
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So ist es bspw. möglich, Kolben- und Gehäuse-Endfläche statt mit zwei
Wellenbergen und -tälern bspw. mit vier Wellenbergen und -tälern auszustatten sowie
an der Gehäuse-Endfläche eine entsprechende Anzahl Brennkammern vorzusehen.
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An Stelle der Nockenscheiben und Ventile läßt sich auch ein Drehschieber
zur Steuerung der Gaswechsel einsetzen, wobei dieser an die Stelle der Nockenscheibe
tritt.
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Das Volumen des Vorverdichterraumes kann veränderbar ausgebildet sein,
um das Vorverdichtungsverhältnis zu verändern und den Motor an unterschiedliche
Kraftstoffe anzupassen.
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Die konstruktive Lösung kann so aussehen, daß unterhalb des Deckels
des Vorverdichterraumes eine axial verschiebbare Scheibe vorgesehen ist. Natürlich
darf die Scheibe soweit axial verschiebbar sein, daß sie nicht mit dem Kolben zusammentrifft
bzw. der Kolben nicht die Scheibe berührt.
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Um den Kraftschluß zwischen dem Kolben 112 und der Welle 113 reibungsarmer
auszuführen, können anstatt der Vielkeilwelle geschliffene Kugelführungsbahnen in
axialer Richtung vorgesehen sein.
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Auf dem Wellenberg des Kolbens 112 wird zweckmäßigerweise ebenfalls
eine Dichtleiste vorgesehen, um ein Überströmen des Gemisches vom Brennraum in den
dem Brennraum gegenüberliegenden Ringspalt zu verhindern. Dabei muß Vorsorge getroffen
werden, daß sich die Dichtleisten nicht gegenseitig zerstören. Es wird dabei auch
eine Entlastungsbohrung in der Fläche 119 erforderlich. Diese kann in den Brennraum
oder in den tberströmkanal des Vorverdichters münden.