DE3039536A1

DE3039536A1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE3039536A1
Application number: DE19803039536
Authority: DE
Inventors: Robert C. 8000 München Groll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-20
Filing date: 1980-10-20
Publication date: 1982-05-19
Also published as: US4442758A

Description

Anmelder.- Robert C. Groll, Cosimastraße 227, 8000 München 81 .

Kolbenmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine, die in einem Zylinder mindestens einen Kolben aufweist und durch Anordnung von Ventilen und/oder Steuerschlitzen als Brennkraftmaschine oder als Kompressor zu arbeiten vermag, wobei der Kolben mit einer Kurbelwelle in Triebverbindung steht.

Bei Kolbenmaschinen, ganz gleich, ob sie als Brennkraftmaschine oder als Kompressor arbeiten, ist es üblich, die Verbindung zwischen Kolben und Kurbelwelle mit einem Pleuel herzustellen, was aber· insofern nachteilig ist, als sich dadurch große Bauhöhen ergeben. Diese Bauhöhen sind zwar durch Verkleinerung des Hubes zu beeinflussen, jedoch sind dieser Möglichkeit verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt, vor allem deshalb, weil wegen eines tragbaren Wirkungsgrades ein gewisser Hub nicht unterschritten werden kann. Die Pleuelverbindung hat aber auch noch den Nachteil, daß verhältnismäßig große Massen bewegt und

umgelenkt werden müssen, die, wenn kein vorzeitiger Verschleiß oder gar ein Bruch eintreten soll, zu schweren und daher teuren Bauarten führen, deren Laufruhe noch dazu zu wünschen übrig läßt.

Um diesen Mängeln zu begegnen, sind insbesondere bei Brennkraftmaschinen schon Drehkolben vorgeschlagen worden, die zwar zu kleineren Bauarten und zu günstigeren Massenkräften führen, jedoch treten dafür ganz erhebliche Abdxchtschwxerxgkeiten auf, welche die erzielten Vorteile zunichte machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde , eine Kolbenmaschine - gleich welcher Art - so zu gestalten, daß eine gedrungene Bauweise zustande kommt und darüber hinaus Massenkräfte so gering bleiben, daß bei sparsamen Materialeinsatz keine vorzeitigen Verschleißerscheinungen auftreten und eine verbesserte Laufruhe gegeben ist. Des weiteren ist angestrebt, gute Wirkungsgrade zu erzielen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in der Hauptsache darin, daß zur Triebverbindung ein Kurbelzapfen der Kurbelwelle einen Querschlitz des Kolbens durchsetzt und der Querschlitz bevorzugt in einem Massivteil des Kolbens vorgesehen ist. Durch rlas Verlegen der Kurbelwelle in den Kolben und dem dadurch gegebenen Fortfall des Pleuels werden gegen-

über den herkömmlichen Kolbenmaschinen wesentlich geringere Bauhöhen erzielt, die in etwa mit den Baumaßen von Drehkolben zu vergleichen sind, jedoch mit dem entscheidenden Vorteil, daß keine Abdichtschwierigkeiten auftreten. Da ferner durch den Eingriff der Kurbelwelle in den jeweiligen Kolben die zu bewegenden Massen ganz beträchtlich geringer geworden sind, ergibt sich auch eine beachtliche Materialeinsparung, die sich nicht nur auf den Pr-exs, sondern auch atu das ueis'cungsgstvicürt günstig auswirkt. Darüber hinaus führt die Massenverringerung zu einer erhöhten Laufruhe, nicht zuletzt deshalb, weil bei der neuen Bauart eine ideale Annäherung an eine Sinuskurve erfolgt, die bei einem Pleuel-Trieb fehlt, zumindest aber verfälscht wird. Der Eingriff der Kurbelwelle in den Kolben erweitert auch die Kühlmöglichkeiten, denn es ist ohne weiteres denkbar, durch eine hotife Kurbelwelle ein Kühlmedium an die heißesten Stellen, insbesondere an die Kolben der jeweiligen Kolbenmaschine heranzuführen, was bei einem Pleuel nicht zu verwirklichen ist.

Nach einer weiteren Besonderheit der Erfindung ist vorgesehen, daß der den Querschlitz aufweisende Kolben als Flachkolben ausgeführt ist. Auf diese Weise läßt sich der Kurbelzapfen verhältnismäßig kurz und damit auch mit verringertem Durchmesser, also massen- und preissparend auslegen. Flachkolben haben auch noch den Vorteil, daß sie bei mehrzylindriger Reihen-

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Bauweise zu extrem kurzen Maschinen führen, die sich auf engstem Raum, z.B. bei Zweirädern, Kleinwagen usw. bequem unterbringen lassen. Außerdem ist bei Flachkolben der Obergang von den Kurbolweilenlagßrn zum Kolben selbst wesentlich einfacher, da hier in Gegensatz zu den üblichen zylindrischen Kolben Planflächen nebeneinander zu liegen kommen. Wenn auch die Vorteile von Flachkolben allgemein bekannt sind, so hat es bisher an der Erkenntnis gelehlt, aui welche Weise diese Vorteile noch wirkungsvoller· gestaltet werden können.

Bei mehrzylindrigen Kolbenmaschinen mit Flachkolben müßten die Einzelzylinder anbaubar gestaltet und die Kurbelwelle mehrfach geteilt Bein, w«»a zu einem nicht Vertretbaren Bauaufwand führen würde. Um einen solchen Bauaufwand zu vermeiden und um die Einzelzylinder im Block herstellen zu können, ist nach der Erfindung vorgesehen, daß jeder der den Querschlitz aufweisende Kolben im Bereich des Querschlitzes quergeteilt ist und der dazugehörig? Zylinder ebentdllo eine quer verlaufend« Tejinngüebene aufweist, die sich jedoch im Bereich der Kurbelwellenlager befindet. Bei dieser Bauart kann ohne jede Schwierigkeit eine z.B. einstückig geschmiedete Kurbelwelle zum Einsatz kommen, deren Vorzüge hinreichend bekannt sind. Die erwähnte Teilung der· Zylinder und der Kolben erleichtert auch den Zusammenbau der jeweiligen Maschine, ganz abgesehen davon, daß auch Reparaturarbeiten problemlos durchgeführt werden können.

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Nach der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß der Kurbelzapfen unter Zwischenschaltung eines Zwischenlagers, z.B. eines GleitSteines o. dgl. in den Querschlitz des Kolbens eingreift, wobei das Zwischenlager, ähnlich wie der Kolben selbst, quergeteilt sein kann bzw. bei einer Reihenbauweise quergeteilt sein muß. Damit lassen sich Verschleißerschexnungen in der Weise bequem beheben, daß ganz einfach das Zwischenlager ausgetauscht wird.

In Abweichung von den üblichen Flachkolben erscheint es nach der Erfindung zweckmäßig, daß der jeweilige Kolben nicht nur explosxonssextig, sondern auch bodenseitig geschlossen ausgeführt wird, wobei der Boden einen den Querschlitz aufnehmenden Massivteil darstellt. Damit ist nicht nur ein vorzeitiger Verschleiß, sondern auch die Bruchgefahr im Bereich des Querschlitzes weitgehend vermieden.

Ferner ist vorgesehen, daß der Kolben als beidseitig gleicher Doppelkolben ausgeführt ist, der den Querschlitz für den Kurbelzapfen etwa mittig aufweist. Dadurch ist es möglich, beide Seiten des Kolbens als Kolben einzusetzen, worauf später noch näher eingegangen wird.

Für die Praxis ist es außerdem zweckmäßig, daß in einem in an sich bekannter Weise mit Ein- und Auslassen sowie mit einem Überströmkanal ausgestatteten Zylinder ein Einfachkolben mit

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geschlossenem Boden vorgesehen ist und diese Kolbenmaschine nach dem Zweitaktprinzip arbeitet. Der geschlossene Boden bietet hier den zusätzlichen Vorteil, daß das Füllen des Verbrennungsraumes mit explosionsfähigem Gas exakter, also leistungsgerechter als bisher vollzogen werden kann, und es darüber hinaus möglich ist, bei den kaum eine Bremswirkung aufweisenden Zweitaktmotoren eine Motorbremse zu schaffen, da der geschlossene Boden als Kolben zu wirken vermag, der gegen ein Luftpolster arbeitet; es versteht sich, daß in einem solchen Fall zusätzliche Ventile, insbesondere in den Überströmkanal, eingebaut werden müssen, wie dies vorgesehen ist.

Eine weitere Besonderheit bei der neuen Kolbenmaschine besteht darin, daß in einem beidseitig abgedeckelten Zylinder ein Doppelkolben vorgesehen ist und entweder beidseitige Verbrennungsräume, oder ein Verbrennungsraum und ein Vorkompressionsraum vorgesehen sind. Es wird damit im vorteilhaften Gegensatz zu anderen bekannten Bauarten mit einem einzigen Kolben in einem einzigen Zylinder gewissermaßen eine Zweizylindermaschine geschaffen, wobei der Vorkompressionsraum für den Dieselbetrieb von Bedeutung ist.

Schließlich erscheint es von Vorteil, daß in einem beide«i.tig abgedeckelten Zylinder zwei Doppelkolben vorgesehen sind und der Zylinderraum zwischen den einander zugekehrten Flächen der beiden inneren Kolbenhälften zusätzlich zu den äußeren Brenn-

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räumen als dritter Brennraum dient, oder die äußeren Hälften der Doppelkolben besondere Ladepumpenkolben für den inneren Brennraum darstellen. Trotz dieser vielseitigen Verwendbarkeit der zuletzt erwähnten Bauarten ergeben sich, wie angestrebt, . kleine Bauabmessungen, die auf den unmittelbaren Eingriff der Kurbelwelle in die Flachkolben zurückzuführen sind.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfacht dargestellte Ausführungsform einer einzylindrigen Brennkraftmaschine im Schnitt;

Fig. 2 die gleiche Maschine längs des Schnittes II-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linien III-III der Fig. 1;

Fig. 4 eine gegenüber Fig. 1 geänderte Einzelheit und vergrößert dargestellt;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht auf eine Kolbenmaschine mit einem Doppelkolben und

Fig. 6 eine Seitenansicht auf eine Kolbenmaschine mit zwei Doppelkolben in einem Zylinder, ebenfalls schematisiert veranschaulicht.

Wie sich aus den Fig. 1 bis 3 ergibt, besteht eine einzylindrige Brennkraftmaschine 1 aus einem Zylinder 2 und einem Flachkolben 3. Der Zylinder 2 ist beidseitig mit Deckeln 4,5 abgeschlossen.

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Der Deckel 4- trägt eine Zündkerze 6, während im Zylinder 2 ein Einströmkanal 7, ein Auslaßkanal 8 und ein Oberströmkanal 9 vorgesehen sind. Es handelt sich hier also um eine Kolbenmaschine, die im Zweitaktsystem arbeitet. Der Kolben 3 ist nicht nur explosionsseitig, sondern auch am Boden geschlossen, indem er dort einen Massivteil 10 aufweist. In diesem Massivteil bzw. in dem v-erstärkten Boden ist ein Querschlitz 11 vorgesehen, in den ein Kurbelzapfen 12 einer Kurbelwelle 13 eingreift. Da der Kolben 3 als Flachkolben ausgeführt ist, ergibt sich eine - in Richtung der Kurbelwelle 13 betrachtet - sehr gedrungene Bauweise, bei welcher der Übergang der Kurbelwelle 13 in den Zylinderraum 14 problemlos ist, da zwei plane Flächen 15, 16 dicht beieinander liegen, also keine toten Räume verbleiben, wie dies bei zylindrischen Kolben der Fall wäre.

Bei der Bauart nach den Fig. 1 bis 3 können der Zylinder 2. und der Kolben 3 einstückig sein, da sich die Kurbelwelle 13 ohne weiteres von der Seite her in das Lager 17 des Zylinders 2. und der Kurbelzapfen 12 in den Schlitz 11 des Kolbens 3 einsetzen lassen. Handelt es sich jedoch um einen Reihenmotor, also um einen Motor mit dicht aufeinanderfolgendem Kolben 3, dann müßte die Kurbelwelle 13 mehrfach geteilt werden, was zu einer äußerst kostspieligen und vor allem. stÖrungsanfälligen B_auart führen würde. Um dies zu vermeiden bzw. um mit einer einstückigen Kurbelwelle 13 auszukommen, sind sowohl der Zylinder 2, als

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auch der Kolben 3 entlang der mit gestrichelten Linien 18, 19 angedeuteten Ebenen quergeteilt, so daß der Ein- und Ausbau der Kurbelwelle 13 und der Kolben 3 keinerlei Schwierigkeiten bereitet.

Da der Kurbelzapfen 12 und der Schlitz 11 erheblichen Belastungen unterliegen und der Eingriff des Kurbelzapfens 12 in den Schlitz 11 spielfrei sein soll, ist nach der Erfindung ein geteilter Gleitstein 20, 21 vorgesehen, der sich aus Fig. 4 ergibt. Es handelt sich hier um einen leicht auswechselbaren Ersatzteil, der sich - ähnlich wie die Kolbenringe 22 des Kolbens 3 - im Bedarfsfall auswechseln läßt.

Wenn der Kolben 3 mit seinem verstärkten Boden 10 auch Motorbremswirkung haben soll, dann versteht es sich von selbst, daß auch im Bereich des verstärkten Bodens 10 Kolbenringe vorgesehen sind und der Überströmkanal 9 irgendwie verschließbar sein muß, um in dem Raum unter dem Boden 10 bremsende Kompressionswirkung zu erzielen.

Nach Fig. 5 ist in dem Zylinder 2 ein Doppelkolben 3 vorgesehen, dessen beide Hälften 23, 24 beim Ausführungsbeispiel einander spiegelbildlich gleich sind. Außerdem sind zwei Zündkerzen 6 erkennbar, so daß die Räume 25, 26 als Brennräume zu dienen vermögen, was aber nicht ausschließt, daß der Raum 2 6 als Vorkompressionsraum für den Raum 25 dienen könnte, wenn man z.B.

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diese Bauart nach dem Dieselprinzip arbeiten läßt. Trotz der Doppelkolbenausführung ist der Eingriff der Kurbelwelle in den Kolben ähnlich wie in den Fig. 1 und 3 gelöst.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind im Zylinder 2 zwei Doppelkolben 3 vorgesehen, so daß sich neben den Brennräumen 25, 26 ein dritter Brennraum 27 ergibt. Die Brennräume 25, 26 der Fig. 6 könnten aber auch als Ladepumpenräume für den Raum 27 dienen. Bei einer Anordnung mit zwei Doppelkolben 3 nach Fig. 6 sind die Kurbelwellen 13 über zwei Zahnräder miteinander gekuppelt, so daß die Kolben gewissermaßen synchron, jedoch entgegengesetzt zueinander laufen müssen.

Die in den einzelnen Figuren dargestellten Bauarten können nach dem Zweitakt-, dem Viertakt und/oder nach dem Dieselsystem arbeiten, wobei selbstverständlich entsprechende Ventilanordnungen getroffen werden müssen, die jedoch nicht dargestellt sind, da solche Anordnungen (auch mit Kanälen) zum bekannten Stand der Technik gehören und jedem Fachmann geläufig sind. Zu erwähnen ist noch, daß alle Ausführungsformen nicht nur als Brennkraftmaschinen, sondern auch als Kompressoren geeignet sind, da dort ähnliche Probleme wie bei Brennkraftmaschinen auftreten; insbesondere ist auf die verbesserten Kühlmöglichkeiten zu verweisen- die durch den Eingriff der Kurbelwelle in den thermisch hochbeanspruchten Kolben gegeben sind, indem durch die Kurbelwelle hindurch, ganz gleich mit welchem Medium,

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die inneren Teile des Kolbens gekühlt werden können. Durch das Ineinanderschachteln der beweglichen Teile wird aber auch die Kühlung von außen hochwirksam, da kurze Wege zu überbrücken sind. Kurze Wege gibt es auch für die Schmierung der beweglichen Teile, die sich ebenfalls einfacher als bisher gestaltet. Es ist daher festzustellen, daß mit dem Eingriff der Kurbelwelle in den Kolben mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand Vorteile erzielt werden, wie solche bisher undenkbar waren.

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Claims

Patentansprüche

(!./Kolbenmaschine, die in einem Zylinder mindestens einen Kolben aufweist und durch Anordnung von Ventilen und/oder Steuerschlitzen als Brennkraftmaschine oder als Kompressor zu arbeiten vermag, wobei der Kolben mit einer Kurbelwelle in Triebverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Triebverbindung ein Kurbelzapfen (12) der Kurbelwelle (3) einen Querschlitz (11) des Kolbens (3) durchsetzt und der Querschlitz (11) bevorzugt in einem Massivteil (10) des Kolbens (3) vorgesehen ist.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Querschlitz (11) aufweisende Kolben (3) als Flachkolben ausgeführt ist.
3. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Querschlitz (11) aufweisende Kolben (3) im Bereich des Querschlitzes (11) quergeteilt ist (vgl. 18) und der dazugehörige Zylinder (2) ebenfalls eine quer verlaufende Teilungsebene (vgl. 19) aufweist, die sich jedoch im Bereich der Kurbelwellenlager (17) befindet.
4. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelzapfen (12) unter Zwischenschaltung eines Zwischenlagers, z.B. eines Gleitsteines (20, 21) o. dgl. in den Querschlitz (11) des Kolbens (3) eingreift, wobei das

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Zwischenlager, ähnlich wie der Kolben (3) selbst, quergeteilt (vgl. Fig. ¹O sein kann.
5. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Kolben (3) nicht nur explosionsseitig, sondern auch bodenseitig geschlossen ausgeführt ist, wobei der Boden einen den Querschlitz (11) aufnehmenden Massivteil (10) darstellt.
6. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis H, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) als beidseitig gleicher Doppelkolben (23, 24) ausgeführt ist, der den Querschlitz (11) für den Kurbelzapfen (12) etwa mittig aufweist.
7. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der icLgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem in an sich bekannter Weise mit Ein- und Auslassen (7, 8) sowie mit einem Überströmkanal (9) ausgestatteten Zylinder (2) ein Einfachkolben (3) mit geschlossenem Boden (vgl. 10) vorgesehen ist und diese Kolbenmaschine (1) nach dem Zweitaktprinzip arbeitet.
8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Überströmkanal (9) ein zusätzliches, gesondert zu betätigendes Sperrventil eingebaut ist.
9. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem beidseitig abgedeckelten (vgl. 4·, 5) Zylinder (2) ein Doppelkolben (23, 24) vorgesehen ist und entweder beidseitige Verbrennungsräume (25, 26), oder ein Verbrennungsraum (25) und ein Vorkompressionsraum (vgl. 26) vorgesehen sind.
10. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem beidseitig abgedeckelten (vgl. 4, 5) Zylinder (2) zwei Doppelkolben (23, 21) vorgesehen sind und der Zylinderraum (27) zwischen den einander zugekehrten Flächen der beiden inneren Kolbenhälften (24) zusätzlich zu den äußeren Brennräumen (25,26) als dritter Brennraum (27) dient, oder die äußeren Hälften (23) der Doppelkolben (23, 24) besondere Ladepumpenkolben für den inneren Brennraum (27) darstellen.