DE2618556A1

DE2618556A1 - Hubscheibenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2618556A1
Application number: DE19762618556
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Schmid
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1976-04-28
Publication date: 1977-11-10

Description

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Wilhelm Schmid
SpieIbergerstr. 61
7000 Stuttgart 40

Hubscheibenbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit kleinen Außenmaßen,für große Hubvolumen bei entsprechender Zylinderzahl; geeignet als stationäre Maschine und für Kraftfahrzeuge; für letztere insbesondere bei Quereinbau.

Eine kurze Bauform und gleichzeitig kleiner Durchmesser, ist weder bei der Hubkolbenreihenmaschine, noch bei der Kreiskolbenmaschine (vier Scheiben) vorhanden. Die neue australische Orbitalbrennkraftmaschine hat einen großen Durchmesser, bei allerdings kurzer Bauform. Die Bekanntmachung dieser neuen Erfindung hat mich veranlasst, vorliegende Idee auszuarbeiten. Ausschlaggebend war die Erkenntnis, daß die parallele Anordnung von Triebwelle und Zylinder, bzw. kreisförmig um die Triebwelle angeordnete Zylinderblöcke, bei geeigneter Kraftübertragung, eine großvolumige und dennoch kompakte Brennkraftmaschine ergeben muß.

Die richtige Bezeichnung dieser Art von Brennkraftmaschinen ist klarzustellen. Das funktionellste Teil dieser Kraftübertragung ist, die axial sehr aktive, aber nicht rotierende Hubscheibe. Durch ihre simple, innere Lagerung auf der Hubanstauchung der Triebwelle, wird die problemlose Kraftübertragung, für zwei axial, parallel angeordnete Leistungselemente, erst möglich. Die Bezeichnung Taumelscheibe ist illusorisch, sie kennzeichnet nur den optischen Eindruck aus radialer Sicht, jedoch nicht die tatsächlich vorliegende Funktion. Die diskusförmige Hubanstauchung der Triebwelle kann man ebenfalls nicht mit Taumelscheibe bezeichnen, denn sie ist ein fester Bestandteil der Triebwelle. Diese Überlegungen führen zu der Bezeichnung Hubscheibenbrennkraftmaschine .

Es sind Brennkraftmaschinen mit Axialhubelementen bekannt, so das deutsche Patent Nr. 589 492. Diese Maschine ist vermutlich wegen zu differentem Funktions- und zu großem Fertigungsaufwand nicht gebaut worden.

Erstaunlich ist, daß die Taumel-bzw. Hubscheibe, bei Pumpen Imx^ü

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längst im Einsatz ist, während bis heute noch keine Brennkraftmaschine mit dieser Kraftübertragung auf dem Markt ist; sie würde mit Sicherheit, eine Senkung der Fertigungs- und Stoffkosten, gegenüber der Hubkolbenmaschine mit Pleuelstangen, aur Folge haben.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde:

a) Eine optimale Lösung für die Kraftübertragung, bei parallel zur Triebwelle angeordneten Zylindern, zu finden.

b) Ein dafür geeignetes Gaswechselsystem, mit geringem Kraft- und Raumbedarf, in funktionstüchtiger und wartungsfreier Ausführung sicherzustellen.

c) Die, bei dieser Zylinderanordnung, sehr hohe Konzentration heißer Abgase auf kleinem Raum, ohne Beeinträchtigung der Baugröße, zur direkten Frischluftanwärmung zu nutzen.

Die gefundene Lösung dieser Aufgaben:

aa) Anordnung von bogenförmigen Verbindungsstücken der starren Kolbenstangen mit seitlichen Führungen gegen Radialdruck, und je einer Kugel als Druckbasis gegen eine zwischengeordnete Hubscheibe, bzw. deren Axialdruckbasis. Die Kugeln gleiten in den Kolbenstangenenden und sind unterfedert, mit begrenztem Federweg bei großer Federhärte.

ab) Anordnung einer, nicht rotierenden Hubscheibe aus zwei Teilen, welche nach außen parallel, und nach innen gespreizt angeordnet sind. Der äußere Ring dient als Axialdruckbasis zwischen den beiden Kugeln der Kolbenstangen. Die gespreizten inneren Scheibenteile, bzw. deren Gleitflächen nach innen, bilden das Gleitlager gegen eine Hubanstauehung der Triebwelle. Statt Gleitlager, sind auch Kugel-, Kegel-, Rollen-, oder Tonnenlager möglich.

ac) Anordnung einer Hubanstauchung in der Mitte oder am Ende der Triebwelle, als spitzwinkelige Gleit- oder Lagerbasis für die Übernahme der Leistung aus den Zylindern über die Hubscheibe. Die spitzwinkelige Anordnung der Hubscheibenlagerung bewirkt, daß der Gleitwinkel beim Arbeitshub, nicht nur in radialer, also Drehrichtung fällt, sondern gleichzeitig auch in axialer Richtung ein progressives Gefälle aufweist, und dadurch die Hebelwirkung der Hubscheibe günstig beeinflusst.

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ba) Anordnung von gekröpften Einlochringscheiben im Zylinderkopf, als Drehventile für Ein- und Auslaß, mit übersetztem Zahntrieb für halbe Triebwellendrehzahl außen, und feingeschliffenen Gleitflächen innen.

bb) Anordnung einer federlosen Abdichtung der G-aswechselöffr.ungen, mittels, um das Aus- und Einlassloch, in Richtung Eiiilochringscheibe angeordneter Dichtringe in Eingnuten, mit mehreren kleinen Bohrungen zum Brennraum hin, durch welche der Staudruck beim "Verdichtungs- und Arbeitshub eindringt und eine Anpressung des Dichtringesr an die Einlochringscheibe zur Folge hat.

ca) Anordnung einer Wärmetauschtrommel anschließend an den Zylinderkopf, welche aus einer Abgastrommel, und axial beiderseits, je einer Frischluftkammer besteht. Die Frischluftkammern sind durch Querrohre in der Abgastrommel zueinander offen und ermöglichen, bei Anordnung des Auspuffrohres innerhalb des Saugrohres, ab dem Luftfilter, eine progressive Erwärmung der Frischluft bis vor die Einlasslöcher.

Die erzielbaren Vorteile dieser Maschinenart sind bemerkenswert:

1. Kleine Außenmaße. Die Maschine nach Abb. 1-4 hat bei einem Bohrung/Hub-Verhältnis von 68/69 mm, und Anordnung von 10 ZyI., ein Gesamtvolumen von 2,5 1 und Außenmaße von 49 cm Länge und 31 cm 0. Die Ausführung nach Abb 6 hat bei Bohrung/Hub von 80/100 mm und einseitiger Anordnung von 5 Zylindern, ebenfalls 2,5 1 Hv., aber nur 38 cm länge und 32 cm 0. Bei zweiseitiger Anordnung, also 10 ZyI., 5 1 und 56 cm Länge bei 32 cm 0. Jeweils ohne Kupplung .

2. Kosten- und Materialeinsparung.

Statt einer teuren Kurbelwelle mit 10 Kurbeln, ist nur eine gerade Welle mit einer Hubanstauehung nötig. Statt 20 Kegelventilen mit Führungen und Stößeln, sind nur 10 Einlochring«« / scheiben nötig. Die ebenfalls kostspielige Nockenwelle fällt ganz weg. Außerdem erlauben runde Zylinderblöcke eine wesentlich rationellere Fertigung. Die Stoffeinsparung aufgrund der Rundform ist beim Gehäuse und Zylinderkopf ebenfalls beachtlich.

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Beschreibung

Abb 1-2 zeigen den Zylinder 1 mit Kolben 2, welcher mittels starrer Kolbenstange 3 und einem bogenförmigen Verbindungsstück 4, mit radial nach außen angeordneter Schwalbenschwanzführung arbeitet. Axial an beiden Enden des Verbindungsstückes, in den Kolbenstangenenden, ist je eine große Kugel 6 angeordnet, weiche in der Bohrung 7 der Kolbenstange gleitet. Die Kugel 6 ist mit; dem Gleitnapf 8 abgestützt und mit einer Feder 9 unterfedert. Zwischen die Kugeln 6 greift die Axialdruckbasis 10 der Hubscheibe 11. Der Auflagepunkt der Kugeln 6 auf der Axialdruckbasis 10 ist, in radialer Richtung, weitgehend im reciiten Winkel zum Kolbenstangenzentrum angeordnet und bedingt eine spitzbogenförmige Rundung der Axialdruckbasis 10. Die nicht rotierende Hubscheibe 11 besteht aus zwei, miteinander verschweißten, vernieteten, oder verschraubten Teilen. Sie kann, je nach Art der Lagerung, verschiedene Formen haben, ist jedoch immer, nach außen parallel, und nach innen gespreizt angeordnet. Die Inmfcafläehö r der gespreizten Scheibenteile bildet die Lagerbasis 12 für das Gleit-, Kugel-, Rollen-, oder Tonnenlager. In diesem spitzwinkeligen Doppellager rotiert die diskusförmige Hubanstauchung 13 der Triebwelle 14. Der geeignetste Winkel für die Schrägstellung der Hubanstauchung muß durch praktische Versuche ermittelt werden. Bei Abb 1 sind es 22,5 Grad, bei Abb 6 = 30 Grad. Die Hubanstauchung 13 kann klein, und die Hubscheibe groß sein, vgl. Abb1, oder die Hubanstauchung reicht bis zwischen die Kolbenstangen und die Hubscheibe ist nur ein Stülpring, vgl. Abb6. Auch hier muß die beste Lösung durch Versuche ermittelt werden. Die Triebwelle 14- ist im Rollenlager 15 und Kugellager 16 gelagert. Auch andere Lagerarten für Axial- und Radialdruck sind möglich. Im zweiteiligen Zylinderkopf 17 sind die verschieden gekröpften Einlochringscheiben 18 (Abb 1,3,4) als Gaswechselventile angeordnet. Sie werden bewegt mittels äußerem Zahntrieb 19* welcher durch 2 Übersetzung, die Einlochringscheiben mit halber Triebwellendrehzahl rotieren läßt. Nach innen sind die Einlochringscheiben 18 mit feingeschliffenen Dichtgleitflächen 20 versehen. In den Gegengleitflachen 21 und 22, im Zylinderkopf 17» sind bogenförmige, in Drehrichtung nach innen verlaufende Schmier-

rillen 23 eingeschliffen (Abb 4K), welche bei Anpreßdruck einen Schmierfilm ermöglichen. In der Einlochringscheibe 18 ist das Gaswechselloch 24 (Abb 4J) angeordnet. Bei halber Triebwellendrehzahl passiert dieses Loch nacheinander das, im Zylinderkopf 17, in 90 Grad Abstand angeordnete Auslaßloch 25 und das Einlaßloch 26 (Abb 2B und 3C). Diese Löcher sind in der Gleitfläche 21 mit je einer Ringnut 27 umgeben, in welcher ein Dichtring 28 axialbeweglich angeordnet ist (Abb 4 und 4H). Die Bingnut 27 ist in Richtung Brennraum mit mehreren kleinen Bohrungen 29 versehen, (Abb 4-G), durch welche beim Verdichtungs- und Arbeitshub, Staudruck eindringt, und den Dichtring 28 gegen die Dichtfläche 20 der Einlochrxngscheibe 18 drückt (Abb 4), um die Dichtheit des Brennraumes bei diesen entscheidenden Takten zu sichern. Diese Anordnung ermöglicht eine größere Einbautoleranz für die Einlochringscheibe 18, und damit geringeren Kraftbedarf, auch bei thermisch bedingten Veränderungen in den Dimensionen der Bleitflachen und der Einlochringscheibe. Eine absolute Abdichtung beim Saug- und Ausstoßhub ist nicht nötig. Im Zylinderkopf 17 sind die Einlaßbohrung 30 und der Auslaßstutzen 31 angeordnet, öifen zur Wärmetauschtrommel 32 (Abb 1), welche an den Zylinderkopf 17 anschließt. Sie besteht aus der Abgastrommel 34, und den Frischluftkammern 33 und 35 zu beiden Seiten, welche mittels der Querrohre 36 zueinander offen sind (Abb 1 und 3D). Der Auspuffstutzen 37 ist innerhalb des Saugrohres 38 angeordnet. Das in das Saugrohr verlegte Auspuffrohr, kann ab dem Luftfilter gemeinsam angeordnet sein. Der Weg der Frischluft führt somit durch den Luftfilter, über das Saugrohr - ohne Abb - und den Saugrohrstutzen 38, in die Frischluftkammer 35» von da durch die Querrohre 36 in die ffrischluftkammer 33, und von dort durch das geöffnete Einlaßloch 26 in den Brennraum (Abb 1 und 4). Die Abgase strömen bei geöffnetem Auslaßloch 25 durch die Auslaßstutzen 31 in die Abgastrommel 3^ ™it dem Labyrint der Querrohre 36, erwärmen diese und strömen über den Auspuffstutzen 37 in das anschließende, im Saugrohr integrierte Auspuffrohr, um vor dem Luftfilter abgezweigt zu werden. Die Frischluft wird somit auf dem Weg vom Luftfilter bis zum Einlaßloch 26 progressiv erwärmt, und die heißen Abgase entsprechend gekühlt, wobei die Warmetauschtrommel den Vorschalldämpfer ersetzen kann.

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Auf der Triebwelle 14 ist das dreifach breite Zahnrad 39 (Abb 1 und 3) für den Antrieb der Einlochringscheiben 18, mittels Zahntrieb 19 angeordnet. Im Zylinderkopf 17, zentrisch zum Zylinder, ist die Zündkerze 40 angeordnet. Die Maschine ist mit 5 Zylinderschrauben 41 zusammengehalten. Die Wasserkühlung ist unter 42 erkennbar. Abb 5 zeigt in schematischer Darstellung die Verteilung der vier Takte, mit ausgeglichener Folge der Kraftimpulse bei beiden Zylinderringblöcken, aus der sich eine fortlaufende Zündfolge nacheinander bei den Zylindern: 1,7*3,9» 5,6,2,8,4,10 usw ergibt.

Zur Funktion sind noch folgende Punkte hervorzuheben: Bei Gleitlageranwendung für die Hubscheibe 11 sind in der Lagerfläche 12 bogenförmige, in Drehrichtung nach innen verlaufende, flache Schmierrillen eingeschliffen, wie bei den Lagerflächen für die Einlochringscheiben vgl. Abb 4K, zur Sicherung der Schmierfilmbildung. Die Dämpfung der harten Übergänge zwischen Auslaß- und Saughub, sowie zwischen Saug- und Verdichtungshub bedingt eine entsprechende Abstimmung der Federung 9 für die Kugeln 6 in den Kolbenstangen. Diese Federung muß vorgespannt und sehr hart sein, und bei einem Federweg von maximal nur 2 mm, noch eine progressive Federwirkung abgeben um das Hubvolumen beim Verdichtungshub nicht wesentlich zu verkleinern. Das Überschneiden der Einlochringscheiben 18 bzw. deren Außenzahntriebe 19, in radialer Richtung, also von Zylinder zu Zylinder, erfordert eine äußere Abkröpfung der Ringscheiben in aocialer Sichtung, sodaß der Zahntrieb 39 auf der Triebwelle 14 in drei Ebenen nebeneinander erfolgen muß.

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Claims

Patentansprüche

1. Brennkraftmaschine mit kleinen Außenmaßen bei großem Hubvolumen, gekennzeichnet durch zwei, axial einander gegenüberliegend, um eine Triebwelle angeordnete Mehrzylinderblöcke, deren Kolben mittels gemeinsamer, starrer Kolbenstangen, sich in beiden Richtungen wechselnd bewegen, wobei die Leistung mittels einer nicht rotierenden Hubscheibe, auf eine rotierende, mit einer Hubanstauchung versehene Triebwelle übertragen wird.

2. Hubscheibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die einseitige Anordnung eines Mehrzylinderringblockes, dessen Kolben mittels starrer Kolbenstangen, sich nach einsr Richtung wechselseitig bewegen, wobei die Leistung wie nach Anspruch 1 übertragen wird.

3. Hubscheibenbrennkraf tmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anordnung und Funktion eines Verbindungsstückes, in der Mitte oder am Ende einer starren Kolbenstange, mit nach außen angeordneter Schwalbenschwanzgleitkuve, und beidseitig in den Kolbenstangenenden angeordneten Kugeln, welche mittels Gleitnapf abgestützt und mit vorgespannten Federn, bei kurzem Federweg hart unterfedert sind, als Drucklager zwischen Kolben und Hubscheibe.

4. Hubscheibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung und Punktion einer, nicht rotierenden, axial nach beiden Richtungen wirkenden, zweiteiligen, jedoch starr verbundenen Hubscheibe, welche nach außen spitzbogenförmig und nach innen gespreizt verläuft, wobei der äußere Teil die Axialdruckbasis für die Kraftübertragung bildet, und der gespreizte innere Teil als Gleitoder Lagerbasis gegen eine Hubanstauchung an der Triebwelle dient.

5· Hubscheibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anordnung und Funktion einer, nach außen spitzwinkeligen Hubanstauehung auf der Triebwelle, deren schräge Gleit- oder Lagerflächen, jeweils am axialen Endpunkt rechtwinkelig zur Triebwelle verlaufen, und in Gegenrichtung progressiv fallend, die Hebelwirkung der Hubscheibe fördern.

6. Hubscheibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 5» gekennzeichnet durch die Anordnung und Funktion von , verschieden

_o gekröpften Einlochringscheiben im Zylinderkopf als Gaswechsel- £° ventile, welche außen mittels Zahntrieb ^- , mit halber Dreh- ** zahl, direkt von der Triebwelle bewegt werden, und nach

-^ innen mit einer Gleitfläche versehen sind, in welcher ein P₀ passend geformtes Gaswechselventilloch vorgesehen ist.

^³ 7· Hubscheibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Anordnung und Funktion der Abdichtung des Brennraumes, iv.Uuba TKev-a yltWoax in Ringnuten um das Ein-

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und Auslaßloch, welche im Zylinderkopf, in Richtung Einlochringscheibe eingelassen, und in Richtung Brennraum mit mehreren kleinen Bohrungen versehen sind, durch welche der Staudruck beim Verdichtungs- und Arbeitshub eindringt, und die Dichtringe gegen die Einlochringscheibe drückt. 8. Hubscheibenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 7» gekennzeichnet durch die Anordnung und Punktion einer Wärmetauschtrommel anschließend an den Zylinderkopf, mit einer, mit Querrohren versehenen Abgastrommel in der Mitte, und axial beidseitig, je einer Frischluftkammer. Besonders gekennzeichnet durch die Anordnung des Auspuffrohres innerhalb des Saugrohres auf dem Weg vom Luftfilter bis zur Wärmetauschtrommel, wodurch eine progressive Erwärmung der Frischluft, und gleichzeitig eine Abkühlung der verbrannten Gase erreicht wird.

Stuttgart 40, den 28. April 1976

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