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Hiermit übermitteln wir Ihnen die Unterlagen einer Patentanmel-
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dung in Deutschland.
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Stichwort : Verbrennungsmotor Erfinder : Alwin Böhm Walter Böhm Alfred
Böhm Ber : Elektrotechniker Dreher Studienassessor Nationalität: deutsch deutsch
deutsch Adresse : Kemptener Str. 22 Hauptstraße Ritter-Wolf-Weg 6 7913 Senden 7913
Senden 79O6 Blaustein Anmeldetag : 29. September 1980 Titel : Kreiskolbenbrennkraftmbschine
Kurze Inhaltsangabe.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine, auf dem Prinzip des Kreiskolbenantriebes
arbeitende Kraftstoffverbrennungsmaschine, die unter anderem zum Antrieb von Kraftfahrzeugen
verwendet werden kann. Kennzeichnend für den tor sind vier in gleicher Drehrichtung
lauFende Kolben, die nur einen Arbeitsraum besitzen, welcher in einen Brennraum
und einen Ansaug- bzw. Verdichtungsraum aufgeteilt ist, wobei das räumliche VerhäLtnis
von Brennraum zu Ansaug- bzw. Verdichtungsraum großer 1 ist. Seins Vorteile bestehen
darin, daß er einen großen thermodynami9chen Wirkungsgrad, einen niedrigen Ausputfgeräuschpegel,
eine große Leistungsausbeute pro Hubraumvolumen, ein günstiges Drehkraftverhalten,
keine freien Massenkräfte und ein kleines Bauvolumen hat, sowie sich durch Kraftstoffunempfindlichkeit
und den Wegall von Ventilen auszeichne.
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Kreiskolbenbrennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine,
bei der sich die Kolben mittels Steuerung eines alternierenden Getriebes in gleicher
Drehrichtung und in Bezug zueinander abwechselnd schneller und langsamer bewegen.
Sie soll zur Umsetzung von Wärmeenergie in kinetische Energie, hier speziell in
Drehkraft, als Antriebsmotor Verwendung finden.
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Bei derartigen Maschinen ist es vorteilhaft, wenn eine große Leistung
pro Hubraumvolumen, ein großer Wirkungsgrad und niedriger Auspuffgeräuschpegel mit
möglichst geringem Materialaufwand und wenig Steuereinrichtungen erzielt werden.
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Es ist bekannt, daß zu diesem Zwecke Hubkolben- und Kreiskolbenmaschinen
Verwendung finden. Hubkolbenmaschinen besitzen infolge ihrer großen Wärmeverluste
durch zu heiße Auspuffgase, als auch wegen ihrer kinetischen Verluste durch Abbremsen
und Beschleunigen der Kolben einen verhältnismäßig kleinen Wirkungsgrad, erfordern
zudem einen großen Materialaufwand und, vom Zweitakter abgesehen, einen großen Steuerungsaufwand.
Kreiskolbenmotoren mit Epitrochoidenlaufbahn haben ebenfalls große Wärmeverluste,
ihr Wirkungsgrad entspricht in etwa dem der Hubkolbenmotoren und zudem treten noch
Dichtungsprobleme auf. Eine Kreiskolbenmaschine, die der Erfindung in ihrem Aufbau
und ihrer Wirkungsweise sehr nahe liegt, ist in der Patentschrift Nr. 683500 enthalten.
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Bei dieser Maschine sind jedoch zwei wichtige Gesichtspunkte zur Optimierung
des Wirkungsgrades nicht berücksichtigt. Insbesonders nachteilig ist das Verhältnis
des Volumens von Brennraum zu Ansaugraum, das wie bei den Hubkolbenmotoren 1:1 beträgt,
sodaß wegen des zu kleinen Brennraumvolumens ein großer Teil der noch hochenergetischen
Verbrennungsgase nicht genutzt werden kann und durch den Auspuff entweichen. Ein
weiterer Nachteil ergibt sich aus der hier getroffenen konstruktiven Problemlösung,
des für die Funktion des Kolbenverlaufes erforderlichen Getriebes. Auf Grund dessen,
daß sich der gesamte Getriebeblock, mit den auf
den Nebenwellen
befindlichen Zahnrädern, um die Hauptachse dre-Iii'n mu11, orr'ordort es aus Wuchtungsgründen
einen Mehraufwand an Getriebeteilen, die ansonsten für die Funktion nicht erforderlich
wären. Ferner muß die gesamte Masse des Getriebes mit dem Getriebegehäuse bei jeder
Drehzahländerung beschleunigt oder abgebremst werden, was zu weiteren Energieverlusten
führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch wesentliche konstruktive
Änderungen gegenüber vorher genannten, bereits aufgezeichneten oder bestehenden
Maschinen, den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie
zu erhöhen, sie bei vergleichbarer Leistungsabgabe durch niedrigere Auspuffgeräuschpegel
umweltfreundlicher zu gestalten und den dafür erforderlichen Materialaufwand zu
verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine
mit zwei, in gleicher Drehrichtung umlaufenden Kolbenpaaren, einen Arbeitsraum besitzt,
welcher in einen voneinander räumlich getrennten Ansaug- und Brennraum aufgeteilt
ist, wobei das Verhältnis von Brennraum zu Ansaugraum grösser eins ist, daß die
im Arbeitsraum sich in gleicher Drehrichtung bewegenden Kolbenpaare voneinander
getrennte Kolbenräder besitzen, auf denen sich die Kolben um 180 versetzt gegenüberliegen
und durch ein alternierendes Getriebe verbunden sind, daß das für die Steuerung
der Kolben erforderliche alternierende Getriebe aus drei elliptischen und vier kreisförmigen
Zahnrädern besteht, welche in einem ihrer Brennpunkte so auf den Wellen befestigt
sind, daß der Abstand der ortsgebundenen Brennpunkte zweier ineinandergreifender
elliptischer Zahnräder konstant ist.
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Dabei bewirkt das alternierende Getriebe, daß die beiden in gleicher
Drehrichtung umlaufenden Kolbenpaare sich abwechslungsweise schnell bzw. langsam
um ihren gemeinsamen Drehpunkt bewegen. Dies wird dadurch erreicht, daß die beiden
Kolbenpaare jeweils fest mit einer Welle verbunden sind, wobei die Welle W1 des
einen Kolbenpaares innerhalb der Welle W2 (siehe Fig. 1) des anderen Kolbenpaares
gelagert ist und beide Wellen mit einem alternierenden
Getriebe
verbunden sind. Dieses alternierende Getriebe aus kreisförmigen und elliptischen
Zahnrädern bewirkt, daß sich die Wellen W1 und W2 abwechslungsweise mit großen bzw.
kleinen Winkelgeschwindigkeiten um die ortsfesten Brennpunkte der ellipsenförmigen
Zahnräder bewegen (daher die Bezeichnung "alternierendes Getriebe"). Alle Zahnräder
sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß die beiden, von dem Getriebe gesteuerten
Kolbenpaare, innerhalb einer Umdrehung zwei Totpunkte (Kolbenstellungen, in denen
das durch das alternierende Getriebe erzeugte Übersotzungsverhältnis der Zahnräder
1:1 ist) besitzen, in denen die beiden Kolbenpaare jeweils den kleinsten Abstand
voneinander haben. Einer der beiden Totpunkte befindet sich in der Nähe des Zündpunktes
des Arbeitsraumes, der zweite liegt diesem genau gegenüber; dort befinden sich auch
Einlaß- und Auslaßöffnung für das Kraftstoffgemisch bzw. die Verbrennungsgase.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß auf Grund des größeren Brennraumes ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad
erreicht wird, sodaß bei der Umwandlung von Wärmeenergie in Antriebsenergie Kraftstoff
gespart werden kann. Der einfache Aufbau der Maschine und die Möglichkeit, die Maschine
mit hohen Drehzahlen zu betreiben, gewährleisten, daß bei kleinerem Materialeinsatz
ein kleineres Leistungsgewicht (Verhältnis der Masse der Maschine zur abgegebenen
Leistung) erzielt wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Umweltfreundlichkeit
in Bezug auf den niedrigen Auspuffgeräuschpegel und in der einfachen Funktion der
Maschine, da komplizierte Ventile und Steuereinrichtungen nicht erforderlich sind.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung erfindungsgemäß schematisch
dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 Kreiskolbenbrennkraftmaschine im Schnitt A der Fig.
2, oder Fig. 3 Fig. 2 Kreiskolhanbrennkraftmaschine in Schnitt C1 - r2 dni Fig.
1 Fig. 3 Kreiskolbenbrennkraftmaschine im Schnitt B1 - B2 der
Fig.
1 Fig. 4 Alternierendes Zahnradgetriebe im Querschnitt und die Kreiskolbenbrennkraftmaschine
als Block M Fig. 5 Winkelwertdiagramm der Welle 1 und Welle 2 der Brennkraftmaschine
und AW1 von dem alternierenden Zahnradgetriebe.
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Fig. 1 zeigt die Brennkraftmaschine im Schnitt A der Fig. 2 oder 3
mit Kolbenstellungen in den beiden Totpunkten, wobei die Stellungen der Kolben 1B
und 2B in der Beschreibung mit Totpunkt 1 und die der Kolben 1A und 2A mit Totpunkt
2 bezeichnet werden.
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Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die Brennkraftmaschine im Schnitt C1 -C2
bzw. Schnitt B1 - 82 und das alternierende Getriebe AGT als Block dargestellt. Das
alternierende Getriebe in Fig. 4 ist im Schnitt so dargestellt, daß die großen Achsen
der elliptischen Zahnräder in den Schnittpunkt fallen. Diese Stellung hat keine
Übereinstimmung mit den Kolbenstellungen in Fig. 1 - 3. Fig. 5 kennzeichnet den
Verlauf der Kraftübertragungswelle AW1 des alternierenden Getriebes zum Verlauf
der die Kolben steuernden Wellen W1 und W2.
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Die Kreiskolbenbrennkraftmaschine hat ein Gehäuse G in dem sich ein
kreisrunder Arbeitsraum befindet, in dem die Kolben K1A, K1B, K2A und K2B umlaufen
(Fig. 1 - 3). Der Arbeitsraum ist in einen Vorverdichtungsraum VV, einen Ansaug-
bzw. Verdichtungsraum AVR und einen Brennraum BR unterteilt, wobei der Vorverdichtungsraum
eine Überdruckschleuse UES besitzt. Zwischen den Totpunktstellungen 1 der Kolben
K1B und K2B in Fig. 1 befindet sich die Zündkerze ZK, in Höhe der Totpunktstellungen
2 der Kolben K2A und K1A befinden sich die Einlaß- und Auslaßöffnung. Die Kolben
sind paarweise, um 180 versetzt, mit den Kolbenrädern KR1 bzw. KR2 fest verbunden
und gegenseitig so verlagert, daß sie sich in den vorgegebenen Grenzen aufeinander
zu oder voneinander weg bewegen können, Jedes Kolbenrad besitzt eine eigene Welle,
mit der es fest verbunden ist. Die Welle W1, mit dem Kolbenrad KR1, ist zum Toil
innerhalb der Wclle W2 gelagert, die Welle mit dem Kolbenrad KR2 im Gehäuse. Beide
Wellen sind mit dem alternierenden
Zahnradgetriebe gekoppelt, die
Gehäuse von der Kreiskolbenbrennkraftmaschine und von dem alternierenden Getriebe
jedoch starr miteinander verbunden.
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Das alternierende Zahnradgetriebe in Fig. 4 hat ein Gehäuse GA, in
dem die Getriebewellen AW1, AW2, AW3 und die Wollen W1 und W2 der Kreiskolbenbrennkraftmaschine
gelagert sind. El, E2 und E3 sind elliptische Zahnräder gleicher Größe, die in einem
ihrer Brennpunkte auf den Wellen befestigt und so aufeinander abgestimmt sind, daß
die Verzahnungen in jeder Winkelstellung genau aufeinander passen. Die Unwucht wird
durch Gegengewichte in Form von Ausgußmasse innerhalb der elliptischen Zahnräder
oder durch Ausgleichsgewichte auf den Wellen aufgehoben. Z1, Z2, Z3 und Z4 sind
kreisrunde Zahnräder deren Größen so dimensioniert sind, daß die Übersetzungsverhältnisse
der Drehzahlen von AW3 : W1 und AW2 : W2 gleich 2:1 sind (AW3 : W1 = AW2 : W2 =
2:1). Die elliptischen Zahnräder bewirken, daß bei konstanter Drehzahl und damit
bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit der Welle AW1, die zur Drehkraftübertragung
von der Kreiskolbenbrennkraftmaschine zu dem Verbraucher benutzt werden aknn, die
Wellen AW2 und AW3 mit alternierenden Winkelgeschwindigkeiten laufen, wobei die
alternierenden Winkelgeschwindigkeiten dieser Wellen auf Grund des sich laufend
ändernden Übersetzungsverhältnisses durch die elliptischen Zahnräder erfolgt. Auf
eine nähere Erklärung kann verzichtet werden, da diese Funktion als bekannt vorausgesetzt
werden darf. Die Winkelstellung, in der die beiden Wellen AW2 und AW3 die gleiche
Winkelgeschwindigkeit haben, in der das Übersetzungsverhältnis 1:1 ist, wird hier
mit Totpunkt bezeichnet. Die Drehzahlen und damit auch die alternierenden Drehgeschwindigkeiten
der Wellen AW3 und AW2 werden mit den Zahnrädern Z1 - Z4 auf die Wellen W1 bzw.
W2 und damit über die Kolbenräder auf die Kolben übersetzt (Fig. 5). Infolge dieses
Bewegungsablaufes wird erreicht, daß jedes Kolbenrad bei jeder ganzen Umdrehung
zwei Totpunkte besitzt, die so aufeinander abgestimmt sind, daß sich in diesen Stellungen
immer zwei Kolben auf einen vorgegebenen Minimalabstand annähern, wobei sie dabei
innerhalb des Arbeitsraumes die in Fig. 1 gezeigte Lage einnehmen. Im weiteren Verlauf
in Drehrichtung (Pfeil) eilt immer das Kolbenrad, dessen Kolbenpaar sich gerade
im Schnitt
B1 - 82 befindet, dem anderen Kolbenrad dessen Kolbenpaar
sich im Schnitt C1 - C2 befindet solange voraus, bis das Kolbenpaar das sich vorher
im Schnitt B1 - 82 befand, die Lage von Schnitt Cl -C2 erreicht hat. In dieser Zeit
läuft das andere Kolbenpaar vom Schnitt C1 - C2 bis Schnitt B1 - B2 u.s.w.
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Es wird die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine als Vergasermotor
Nach Fig. 1 - 5 beschrieben. Sie macht pro Kolben und Umdrehung einen Arbeitshub,
das ergibt zusammen vier Arbeitshübe pro Umdrehung. Bei jedem Arbeitshube wird gleichzeitig
Kraftstoff vorverdichtet, angesaugt, verdichtet, abgebrannt und vorher abgebrannter
Kraftstoff ausgeschoben. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß sich
in dem Raume zwischen den Kolben K2A und K1B unverdichtetes Kraftstoffgemisch und
in dem Raume zwischen den Kolben K2B und KIB verdichtetes Kraftstoffgemisch befindet.
Infolge der Zündung durch die Zündkerze ZK entsteht ein hoher Gasdruck, der sich
auf die beiden Kolben K1B und K2B gleichmäßig verteilt. Nach Überschreitung des
Totpunktes B1 des Kolbens K2B gelangt dieser in den Expansionsbereich (Brennraum),
wo er auf Grund der kürzeren Hebelarme der mit ihm verbundenen elliptischen Zahnräder
gegenüber K1B von diesem weggedrückt wird. Dieser Expansionsbereich erstreckt sich
bis zum Totpunkt C2 in dem die abgebrannten Gase durch die Auslaßöffnung AL entweichen
können und wo das Verhältnis der Hebelarme der elliptischen Zahnräder, auf welche
die beiden Kolben wirken, größer bzw. kleiner 1 wird. Auf dem Wege von 81 nach C2
wird von dem Kolben K2B das im vorangegangenen Arbeitshub abgebrannte Kraftstoffgemisch
ausgeschoben. Gleichzeitig mit dem Kolben K2B wechseln auch die anderen Kolben ihre
Standpunkte. K1B wechselt von C1 nach B1, K2A von 82 nach C1 und K1A von C2 nach
82. Dabei wird von dem Kolben K2A im 1. Abschnitt im Vorverdichtungsraum VV Kraftstoffgemisch
vorverdichtet und im 2. Abschnitt im Ansaug- bzw. Verdichtungsraum AVR neues Kraftstoffgemisch
durch die Einlaßöffnung EL angesaugt und gleichzeitig das zwischen den Kolben K1B
und K2A verdichtet. Das im Vorverdichtungsraum überschüssige Kraftstoffgemisch kann
durch die Überdruckschleuse UES in den Vorverdichtungsraum hinter den Kolben K2A
ausströmen. Der Vorverdichtungsdruck kann durch Grö3e und Form der Überdruckschleuse
optimal
abgestimmt werden. In gleicher Art wie oben beschrieben
verrichten dann nacheinander die Kolben K1B, K2A und K1A die Aufgabe von Kolben
K2B u.s.w.
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