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Vier-Takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor Die Erfindung betrifft einen
Vier-Takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffes des
Anspruches 1.
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Der bekannteste Vier-Takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor ist der sogenannte
Warlkelmotor, dessen sich um eine Welle drehender Kolben die Form eines gleichseitigen
Bogendreiecks aufweist und in einem Gehäuse sitzt, dessen innere Wand die Forrn
einer Trochoide hat. Die Welle führt bel Bewegungen des Kolbens gleichzeitig eine
Kreisbewegung um eine zu ihr parallele Achse aus. Beim Umlauf des Kolbens im Gehäuse
bildet sich zwischen jeweils zwei der an der Innenkontur des Gehäuses über je eine
Dichtleiste abgedichtet anliegenden Ecken ein Raum aus, der wegen der Form des Bogendreieckes
und der Trochoide abwechselnd größer und kleiner wird, so daß bei jedem Umlauf des
Kolbens an jeder Flanke des Bogendreieckes der Zyklus des Ansaugens eines Brennstoffgemisches,
Verdichtens, Verbrennens und Ausstoßens nach dem Vier-Takt-Prinzip erfolgt.
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Obwohl der Wankelmotor das für den Bewegungsablauf günstige Prinzip
des Kreiskolbens verwirklicht, hat er auch verschiedene Nachteile. Insbesondere
verlangt die Steuerung der Kolbenbewegungen aufwendige Lager und Getriebe. Auch
ist die Herstellung der trochoidalen Innenwand des Gehäuses mit erheblichem Aufwand
verbunden, um die notwendige Dich tung gegenüber dem Kolben zu ermöglichen und für
eine ausreichende Betriebsdauer beizubehalten. Weitere Probleme stellen die Dichtleisten
des Kolbens dar, die unabhängig von dem sich fortlaufend ändernden Anstellwinkel
gegen die Innenwand der Trochoide voll wirksam bleiben müssen.
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Da die Dichtleisten des Kolbens beim Öffnen des Einlaßkanals diesen
nicht gegenüber dem Auslaßkanal abdichten, entsteht zu diesem Zeitpunkt zwischen
Ei.nlaß- und Auslaßkanal eine Strömung, die entweder zu einer schlechten Füllung
des entsprechenden Motorraumes oder zu Brennstoffverlusten führt, Diese und andere
Nachteile, insbesondere die Verschleißempfindlichkeit der Dichtleisten bei den hohen
Gleitgeschwindigke-.Lten und Temperaturen und das Entstehen von Rattermarken auf
der trochoidalen Innenwand des Gehäuses durch die Dichtleisten haben bisher verhindert,
daß sich der Wankelmotor weltweit durchsetzen konnte.
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Bei einem anderen bekannten Kreiskolben-Verbrennungsmotor der eingangs
genannten Gattung (FR-PS l 357 588) sind in der Gehäusewand drei Schieber gelagert,
die etwa radial gegen die Oberfläche des zylindrischen Kreiskolbens angestellt werden
können, um die gewünschte Unterteilung des sichelförmigen
Arbeitsraumes
in mehrere Kammern zu ermöglichen. Der Nachteil dieses bekannten Kreiskolben-Verbrennungsmotors
besteht darin, daß wenigstens zwei der Schieber gesteuert gegen den Kreislcolben
angestellt und von ihm zurückgezogen werden müssen, wozu eine komplizierte und daher
kostspielige Kulissensteuerung mit Pleuelstangenübertragung erforderlich ist, die
offensichtlich verhindert hat, daß sich dieser bekannte Verbrennungsmotor in der
Praxis realisieren läßt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile
zu venneiden und einen Vier-Takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor zu schaffen, der
nicht nur leicht und durch seine Formgebung besonders einfach und preiswert herzustellen
ist, sondern bei dem sich ferner durch niedrige GJ.eitgeschwindigkeiten ein geringer
Verschleiß zeigt, der wegen g1lter Zugänglichkeit geringe Unterhaltskosten verursacht
und bei dan durch die Möglichkeit einer optimalen Abstimmung von Ansaugvolumen,
verdichtungsverhältnis und Arbeitsraumvolumen eine möglichst vollständige und wirtschaftliche
Verbrennung des Brennstoffes gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem VierTakt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor
der eingangs genannten Gattung gelöst, der die Merkmale des kennzeichnenden Teiles
des Hauptanspruches aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Kreiskolben-Verbrennungs motor
die miteinander zus ammenwirkenden Flächen ?on Kolben und Gehäuse unkompliziert
herzustellen sind, weil es sich trm durch übliche Dreharbeiten herzustellende Zylinderflächen
bzw.
ebene Flächen an den Stirnwänden handelt, sind die Herstellungskosten vergleichsweise
gering Soweit D iditungen notwendig sind, unterliegen diese keinem übermäßigen Verschleiß.
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Für die Bewegung der Schieber ist keine komplizierte Steuerung erforderlich,
weil das Öffnen und Schließen der einzelnen Kammern mittels der Überstromkanäle
erfolgt, die in die ständig an der Umfangsfläche des Kolbens anliegenden
Schieber
eingearbeitet sind und je nach Stellung des Kolbens zu dem betreffenden Schieber
einen Durchstrom ermöglichen oder geschlossen gehalten sind. Fiir die Abdichtung
zwischen der zylindrischen Oberflächen des Kreiskolbens und
der zylindrischen Innenwand
des Gehäuses sind keine einer Wechselbeanspruchung unterworfenen Dichtleisten erforderloch,
so daß der Verbrennungsmotor mit äußerst geringem Verschleiß arbeitet und daher
eine lange Lebensdauer ohne kostspielige Wartung gewährleistet.
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Um eine Abdichtung an den Stirnenden des Kreiskolbens gegeniiber dem
Gehäuse zu erzielen, weist der Kolben nach einem weiteren Merlcmal der Erfindung
wenigstens an einem Stii-nende
?einen koaxial angeordneten, axial gegenüber ihm verschieb
baren Dichtring auf. Beide Teile greifen vorzugsweise form-.
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schlüssig einander, beispielsweise mittels einer Hirth-Verzahnung,
deren Flankenwinkel zur Verhinderung von Selbst-
ghemmung vorzugsweise 450 betragt.
Im Betrieb werden beide
Teile auseinander und damit gegen die Stirnwände
des Gehäuses gedrückt, um sich dichtend an diese anzulegen. Hierzu ist beispielsweise
im Kolben ein seine Teile aus ein anderdrückender Spreizring vorgesehe, der gleichzeitig
den Spalt zwischen den beiden Teilen gegen das Kurbelgehäuse abdichtet.
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Nach noch einem weiteren Merkmal der Erfindung sind auch die einzelnen
Schieber zweiteilig ausgebildet, wobei die Teile wiederum form1schlüssig ineinaitdergreifend
mitein ander verbunden sind, beispielsweise über eine ineinandergreifende Hirth-Verzahnung.
Dadurch ist eiIle seitliche Dichtung der Schieber in ihren Führungen gewährleistet,
die durch die in den einzelnen Arbeitsphasen des Motors herrschenden Drücke unterstützt
wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Vier-Takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotors schematisch dargestellt, und zwar zeigt
Fig. l einen senkrechten Schnitt des Motors, Fig. 2 einen Axialschnitt des Motors,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines der drei Schieber, Fig. 4 eine Draufsicht auf den
Schaber aus Fig. 3 und Fig. 5 einen Querschnitt des Schiebers nach Linie V - V aus
Fig. 3 Der in Fig. l und 2 dargestellte Vier-.Takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor
ist ein Rot,ationskolbeumotor und hat einen Kreiskolben l mit zylindrischem Mantel
2, der radial federnd auf einer Kurbel 3 einer YurbelweJ.le gelagert ist.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel dreht sich die Kurbelwelle
im Gegenuhrzeigersinn um deren Achse 20, wie durch einen Pfeil 21 angedeutet ist.
Der Kreiskolben 1 wälzt sich dabei in entgegengesetzter Drehrichtung, d.h. im Uhrzeigersinn
an der zylin drischen Innenwand 4 des Motorgehäuses 5 ab und wird von einer auf
der Kurbel 3 befindlichen elastischen Zwischenschicht 22 stets an einer Stelle gegen
die Innenwand 4 des Motorgehäuses 5 federnd nachgiebig und damit dichtend gedrückt.
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Zwischen dem Mantel 2 und der Innenwand 4 des Motorgehäuses S befindet
sich ein sichelförmiger Arbeitsraum 7, da der Durchmesser des Kreiskolbens 1 geringer
als der Durchmesser der Innenwar,d 4 des Motorgehäuses 5 ist. Je nach-Lage des Kreiskolbens
1 im Motorgehäuse 5 wandert der sichelförmige Arbeitsraum 7 um die Drehachse 20
der Kurbelweller Im Motorgehäuse 5 sind drei Schieber 8, 9 und 10 gelagerte welche
die Steuerung des Motors bewirken. Diese Schieber unterteilen den sichelförmigen
Arbeitsraum 7 in mehrere Abschnitte und sind etwa radial im Motorgehäuse 5 verschiebbar
geführt und werden von je einer Druckfeder 2-3 gegen den Mantel 2 des Kreiskolbens
l gedrückt, so daß sie mit ihrer freien Stirnfläche 24, die in etwa tangential zum
Mantel 2 des Kreiskolbens 1 verläuft, fest auf dem Mantel 2 aufliegen und die einzelnen
Abschnitte des sichelförmigen Arbeitsraumes gegeneinander abdichten könnens
Auf
einander gegenüberliegenden Selten des ersten Schiebers 8 ist ein Einlaßkanal 11
für Brennstoffgemisch oder Luft und ein Auslaßkanal 12 für Abgase vorgesehen, die
dauernd von einander getrennt gehalten sind, weil der Schieber 8 stets dichtend
am Mantel 2 des Kreiskolbens l anliegt. Die Kanäle 11 und 12 sind stets offen und
werden nur kurzfristig gedrosselt, wenn der Kreiskolben l bei seiner Umlaufbewegung
über sie hinwegläuft. Die Schieber 8,9, 10 haben vorzugsweise rechteckigen Querschnitt.
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Der in Umlaufrichtung, jedoch nicht Drehrichtung, des Kreiskolbens
1 gesdien zweite Schieber 9 dichtet den als Ansaugraum 13 dienenden Teil des Arbeitsraumes
7 gegen über dem Verdichtungsraum und der Zündkammer 14 ab, solange der Ansaugraum
13 mit dem Einlaßkanal 11 in Verbin dung steht. An seinem freien Ende enthalt der
Schieber 9 wenigstens eine wie eine Düse wirkende Ausnehmung 15, die sich etwa über
die halbe Breite des Schiebers 9 erstreckt und als Überstromkanal dient, wenn der
Kreiskolben 1 (in Fige l betrachtet) weiter nach rechts gewandert ist und den Einlaßkanal
11 gegenüber dem Ansaugraum 13 geschlossen hat. Bei seiner Weiterbewegung schiebt
der Kreiskolben 1 das im Ansaugraum 13 befindliche Brern-jstoffgemisch zur Zündkammer
14, wobei eine Verdichtung stattfindet, da der dritte Schieber lO das andere Ende
des Verdichtungsraumes abdichtet. Der Abschnitt hinter dem Schieber 10 steht nun
mit dem Auslaßkanal 12 in Verbindung, so daß dort befindliches Abgas entweichen
kann.
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Die höchste Verdichtung ist erzielt, wenn der Mantel 2 die Innenwand
4 des Motorgehäuses 5 im Bereich der Zündkammer 14 berührt und daher die Schieber
9 und 10 in deren Führungen 16 praktisch vollständig in das Motorgehäuse 5 zurückgeschoben
hat. Beide Schieber 9 und 10 liegen mit ihren Stirnflächen 24 jetzt dichtend auf
dem Mantel 2 des oder eingespritzt Kreiskolbens 1. Nun kann mit einer Zündkerze
17 gezündet / werden. Die Verdichtungs- und Zündkamn'er 14 ist zweckmäßig so ausgebildet,
daß das Gasgemisch beim Verdichten etwa spiralförmig einströmt, so daß die von der
vorhergehenden Verbrennung noch vorhandenen verbrannten Restgas den Kern einer rotierenden
frischen Füllung bilden und sich im Bereich der von außen in die Zündkammer 14 hineinragenden
Zündkerze immer ein gut zündfähiges Gemisch befindet.
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Der Zündzeitpunkt kann je nach Auslegung des Motors schon vor dem
endgültigen Abschließen durch den Schieber 9 erfolgen. Der späteste Zündzeitpunkt
sollte mit dem Öffnen des Überstromes zum eigentlichen Verbrennungsraum 19 zusammenfallen.
Der Schieber 10 enthält ähnlich wie der Schieber 9 wenigstens eine als Überstromkanal
dienende düsenartige Ausnehmung 18, die sich im Beispiel etwa über die halbe Breite
des Schiebers 10 erstreckt und einen Durchstrom in den Verbrennungsraum gestattet,
wenn der Schieber 10 mit dem Teil seiner Stirnfläche 24 am Mantel 2 des Kreiskolbens
1 anliegt, der die Ausnehmungen 18 enthält. Die Verdichtungs-,ulld Zündkammer 14
bildet einen Teil des Verbrennungsraumes und bleibt bis zum Beginn des Auslassens
der Verbrennungsgase mit dem Verbrennungsraum 19 verbunden. Dadurch wird die arbeitswirksame
Kolbenfläche wesentlich erhöht.
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Der Schieber 10 ist bezüglich der Ausnehmungen 18 praktisch spiegelbildlich
wie der Schieber 9 mit seinen Ausnehmungen Is ausgebildet so daß ein Uberströmen
des gezündeten Gemisches von der Verdichtungs- und Zündkammer 14 in den Verbrennungsraum
19 erst möglich ist, wenn der Tangentenpunkt des Mantels 2 den Beginn der Ausnehmung
18 in der Stirnfläche 24 des Schiebers 10 passiert hat.
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Bei. fortschreitender Verbrennung und damit zunehmender Expansion
wird bis zum Öffnen des brenpraumes 19 zum Auslaßkanal 12 bei abnehmendem Verbrennungs
druck die wirksame Kolbenfläche ständig größer, bis sie maximal die Größe aus dem
Produkt von Kreiskolben-Außendurchmesser mal Kreiskolbenbreite erreicht hat. Wenn
der Kreiskolben 1 dann den Schieber 8 vollstiindig in das Motorgdiäuse 5 gedrückt
hat, ist der Vier-Takt-Zyklus beendet. Hat der Kreiskolben l den Einlaßkanal 11
passiert, beginnt ein neuer Ansaug-und auch ein neuer Verdichtungstakt, während
die verbrannten Abgase aus dem Verbrennungsraum 19 zunächst durch eigenen Druck
ausströmen. Erst nach der nächsten Zündung werden die noch im Verbrennungsraum 19
verbliebenen Restgase durch den Kreiskolben 1 zum Auslaßkanal 12 geschobell und
damit aus dem Motor entfernt.
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Die genaue Lage der Schieber 9 und 10 ist nicht kritisch, so daß durch
Veränderung der relativen Position dieser Schieber zueinander die Charakteristik
des Motors bestimmt werden kann. Durch Änderung der relativen Lage der drei Schieber
8, 9 und 10 am Umfang des Motorgehäuses 5 können sowohl kleine Ansaugnengen bei
beliebigem Verdichtungsver-
hältnis und langer Verbrennungsphase
als auch große Ansaugmengen bei beliebigem Verdichtungsverhältnis und kurzer Arbeitsphase
gewählt werden. Im letztgenannten Fall wird bei hoher Verdichtung ohne Mehrkosten
die Charakteristik eines aufgeladenen Hochleistungsmotors nahezu erreicht.
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Die Größe der Verdichtungs- und Ziindlcatnmer 14 und damit das Verdichtungsverhältnis
kann durch einfache Maßnahmen wie das Auswechseln eines Deckels der Verdichtungs-
und Zündkammer 14 verändert werden, d,h. indem man das Volumen der Zündkammer 14
verändert. Ist der Deckel als Schraubverschluß ausgebildet, kann man das Volumen
der Zündkammer 14 sogar bei laufendem Motor verändern. Deshalb ist der vorgeschlagenc
Motor ohne größere Veränderungen auch als Vielstoffmotor einzusetzen.
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Zur Verlängerung der Verbrennungsphase kann der Auslaß~ kanal 12 Such
in eine oder -beide Stirnwände des Motorgehäuses 5 gelegt werden Dann werden die
entsprechenden Stirnseiten des Kreiskolbens l zur Steuerung der Öffnung des Auslaßkanals
bzw. der Auslaßkanäle verwendet. Eine Verlängerung des Verbrennungstaktes über 1800
einer Umdrehung hinaus wäre jedoch nur in ganz besonderen Fällen sinnvoll, weil
dann der Kreiskolben 3. in radialer Richtung nicht nur von -einer Seite durch den
Verbrennungsdruck be aufschlagt würde und dementsprechend die Leistung vermindert
werden könnte.
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Der vorstehend beschriebene Vier-Takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor
hat eine einfache und leichte Bauweise, da er nur fünf bewegbare Teile aufweist,
nämlich den Kreis-
kolben 1, die Kurbelwelle mit Kurbel 3 und die
Schieber 8, 9 und 10. Alle Teile haben unkomplizierte Formcn und können preiswert
durch übliche Rund- und Flachbearbeitungen hergestellt werden. KompLizierte Getriebe
entfallen.
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Einlaß- und Auslaßkanal sind in jeder Stellung des Kreiskolbens l
zuverlässig voneinander getrennt, so daß kein Rückstrom oder überstrom des angesaugten
Gemisches zum Abgas möglich ist. Die Charakteristik des Motors läßt sich mit einfachen
Mitteln bei der Konstruktion festlegen. Durch Vergrößern des Abstandes zwischen
den Schiebern 8 und 9 läßt sich die Menge des angesaugten Gemisches auf Kosten des
Volumens des Verbrennungsraumes vergrößern, ohne das Volumen der Verdichtungs- und
Zündkammer verändern zu müssen, so daß man ohne Mehrkosten einen KompressorS bzwe
Ladeeffekt erzielen kann. Da der Einlaßkanal 11 praktisch über 360 der Drehung des
Kreiskolbens 1 offen ist und ein großer Querschnitt zur Verfügiing steht, läßt sich
generell eine gute Füllung erzielen. Da das angesaugte Gemisch den Sdiieber 9 durch
Überstromkanäle 15 passieren muß, ergibt sich eine gute Verwirbelung des Gemisches
und dadurch eine zuverlässige Zündung. Das Verdichtungsverhältnis läßt sich einfach
durch Austausch eines Deckels oder Einsatzes der Zündkammer 14 und damit durch Verändern
des Volumens derselben verändern, so daß unterschiedliche Brennstoffe benutzt werden
können.
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Da sich der Kreiskolben l auf der Innenwand 4 des Motorgehäuses 5
abwälzt, erzielt man eine hohe Verschleißfestigkeit und gute Abdichtung, ohne daß
verschleißträchtige Dichtleisten oder dergleichen notwendig wären. Die größten
Gleitwege
des Kreiskolbens 1 und der Schieber 8, 9 und 10 betragen pro Umdrehung der Kurbelwelle
das doppelte der Durchmesserdifferenz zwischen der zylindrischen Innenwand 4 des
Motorgehäuses 5 und dem Kreiskolben le Der Motor ist zudem wartungsgünstXg, da die
Schieber 8, 9 und 10 und die Zündkerze 17, welche die wesentlichsten Verschließteile
sind, einzeln und ohne das Motorgehäuse S sonst weiter zu öffnen ausgewechselt werden
können, Eine Kompressionsprüfung ist wie bei einem Hubkolbenmotor möglich.
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Aus Fig. 2 ist zu erkennen, wie die Kurbelwelle 25 im Motorgehäuse
5 gelagert ist. Beidseits der Kurbel 3 ist die Kurbelwelle 25 mittels Kugellagern
26 und 27 im Motorgehäuse 1 abgestützt. Der Kreiskolben 1 besteht aus zwei koaxial
zueinander angeordneten Teilen 28 und 29, wobei der größere Teil 28 auf de.r Kurbel
3 angebracht ist, während sich der kleinere Teil 29 als eine Art Dichtungsring gegen
die eine Stirnwand 30 des Motorgehäuses 5 legt. Di.e Teile 28 und 29 sind über eine
LIirth-Verzahnung derart miteinander verbunden, daß sie begrenzt axial gegeneinander
verschoben -werden können, dabei aber formschlüssig ineinandergreifen. Ein innerhalb
des Kreiskolbens 1 befindlicher Spreiæirg 32 driickt die beiden Teile 28 und 29
im Betrieb auseinander; so daß sie sich gegen die einander gegenüberliegenden Stirnwände
33 und 30 des Motorgehäuses 5 dichtend anlegen. Dadurch wird eine Abdichtung des
Arbeitsraumes 7 auch an den Stirnseiten des Motorgehäuses 5 erzielt.
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Aus Figur 3 bis 5 sind Einzelheiten des Schiebers 9 zu erkennen. Die
Schieber 8 und 10 sind entsprecbend ausgebildet, mit. dem einzigen Unterschied,
daß der Schieber 8 keine als Überströmkanal dienende Ausnehmung wie die Ausnehmung
15 enthält und die Ausnehmung 18 des Schiebers 10 auf der anderen Seite wie die
Ausnehmung 15 beim Schieber 9 angeordnet ist.
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Der Schieber 9 besteht aus zwei Teilen 34 und 35, die über eine Hirth-Zahn-Kupplung
36 formschlüssig miteinander verbunden sind. Beide Teile 34 und 35 enthalten jeweils
zwei Sacklöcher 37 und 38, in welche Führungselemente oder Druckfedern eingesteckt
werden können, um die beiden Teile 34 und 35 auseinander zu drücken, damit an den
Stirnenden derselben eine Abdichtung erzielt wird.
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Ferner enthaltert beide Teile 34 und 35 eilen horizontalen Schlitz
39, in den ein Plättchen eingesteckt werden kann, das als Führungselement für die
beiden Teile dient und verhindert, daß im Bereich der Hirth-Zahn-Kupplung 36 Gase
aus dem Arbeitsraum 7 durch den Schieber 9 entweichen können.
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Obwohl der Vier-takt-Kreiskolben-Verbrennungsmotor anhand nur eines
Kreiskolbens erläutert worden ist, können auf der Kurbelwelle auch mehrere scheibenförmige
Kreiskolben 1 axial hintereinander angeordnet werden0 Die radial fodernde und dichtende
Anlage des Kreiskolbens 1 an der Innenwand 4 des Motorgehäuses 5 wird durch die
Fliehkraft des Kreiskolbens 1 noch untestützt.
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Der Motor ist kompakt zu bauen und benötigt dementsprechend wenig
Platz, so daß ausreichend Raum für Zusatzeinrichtungen zur Verfügung steht.
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Schließlich liegt e-in Vorteil des Motors noch darin, daß eine gute
Füllung des Ansaugraumes erreicht wird da das frische Gemisch immer in einen Abschnitt
13 des sichelförmigen Arbeitsraumes 7 angesaugt wird, der nicht durch die Verbrennung
aiifgeÄeizt worden ist,
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