DE3246958A1 - Rotationshubkolbenmotor - Google Patents

Description

Beschreibung zur Patentanmeldung "Rotationshubkolbenmotor" 1. Einordnung und Aufgabenstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Viertakt-Hubkolbenmotor, dessen Kolben während ihrer Hubbewegungen zusätzlich in den Zylindern rotieren.

Der kreisrunde, zylindrische Kolben hat sich bei Verbrennungskraftmaschinen bewährt und als geeignetste Form zur Bewältigung von jDichtungsprobl.-iiuMi erwiesen. Darum gqlit diese Erfindung von der herkömmlichen Kolbenform aus.

Hubkolbenmotoren mit Ventilsteuerung erzeugen aufgrund der Hubbewegungen unerwünschte Massenkräfte, welche durch aufwendige Konstruktionen zu kompensieren sind, letzitendlich aber die Drehzahl und Leistungsfähigkeit dieser Motoren begrenzen. Bei dieser Erfindung werden die Massenkräfte der Hubkolben unmittelbar umgesetzt in Kompressionsarbeit durch eine gegenständige, lineare Anordnung der Zylinder und Kolben, ähnlich dem Prinzip des "Stelzer-Motors". Ein- und Auslaßkanäle werden von den Kolben automatisch frei gegeben bzw. geschlossen ohne die aufwendige Konstruktion der Ventile und deren Steuerung herkömmlicher Hubkolbenmotoren.

Gegenüber dem "Stelzer-Motor" unterscheidet, sich die Erfindung dadurch, daß zusätzlich zur Hubbewegung der Kolben diese in ihren Zylindern rotieren, d.h. die Hubbewegungen werden in Drehbewegung überführt, sodaß der Motor unmittelbar Antriebszwecken dienen kann. Dies ermöglicht außerdem den Viertaktbetrieb mit einem exakt gesteuerten Gaswechsel.

Durch die lineare Anordnung von Kolben und Zylindern existiert auch nur eine Rotationsachse, so daß anstelle des aufwendigen Kurbelgetriebes herkömmlicher Hubkolbenmotoren hier nur ein Gotriebeelement erforderlich ist.

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2. Lösung

In Figur 1 ist das Konstruktionsprinzip dargestellt: im Gehäuse 1 sind zwei Kolben 2 gelagert und mit einander fest verbunden durch die Kolbenachse 3 ι welche auch mit dem Getriebeelement k starr verbunden ist. Die Kolben sind beweglich in axialer Richtung und bilden dabei veränderliche Volumen in vier Arbeitsräumen 5· In diesen laufen die vier Takte des Ansaugens, Verdichtens, Expandierens uns Ausstoßens ab. Durch wechselweise Arbeitstakte werden die axialen Hubbewegungen, erzeugt.

Diese Hubbewegungen werden in Rotationsbewegung umgesetzt durch das Getriebeelement 4. Es besteht im Prinzip aus einer auf der Kolbenachse fest montierten Scheibe, deren Seitenflächen den Schwingungsverlauf abbilden, die Hub- und erwünschte Drehbewegung koordinierend.

Am äußeren Rand der Seitenflachen wird die Schoibe geführt durch Rollen 6, die im Gehäuse gelagert sind. Die axiale Bewegung verursacht damit ein Gleiten der Scheibe an diesen Führungsrollen, womit die Rotation der Achse und aller damit starr verbundenen Teile erreicht wird.

Die Führungsrollen sind für eine optimales Abrollen in entsprechend konischer Form anzulegen, die Gleitflächen der Getriebescheibe mit entsprechendem Anstellwinkel auszubilden. Der Abstand beider Seitenflächen zueinander richtet sich in der jeweiligen Rotationsphase ebenfalls nach dem durch die Führungsrollen gebildeten Abstand.

Mehrere solche Führungsrollen oder auch solcher Getriebeelemente können bei Bedarf eingesetzt werden zur Lagerung dor Kolbonao.hso und dor oxnkLoii Kühlung Im nxlnloii win radialen Bewegungsablauf.

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Die Getriebescheibe trägt zusätzlich am Mantel einen Zahnkranz, über welchen das Zahnrad 7 angetrieben und so die Leistung des Motors abgenommen wird. Die wechselnde axiale Bewegung des Zahnkranzes kann genutzt werden für einen optimalen Eingriff, wenn von Zahn zu Zahn wechselnde Formen der jeweils eingreifenden Zähne verwendet werden.

Dieses Getriebeelement kann so auch im "SLolzcr-Motor" für die Umsetzung der Hub- in Drehbewegung eingesetzt werden, wenn die Maschine eine Rotationsbewegung bzw. Antriebszwecke zum Ziele hat. -

Abweichend von der in Figur 1 dargestellten Bauweise kann das Gebtriebeelement selbstverständlich auch mittig zwischen den Kolben angeordnet werden.

Das in Figur 1 dargestellte Getriebeelement k erzeugt eine Drehung von 90 Grad bei einer Hubbewegung. Die gepunkteten Linien der Getriebescheibe und der Kolben stellen deren Position nach einer Hubbewegung und Drehung um 90 Grad dar. Nach zwei Hub in jede Richtung wird eine volle Umdrehung der Kolbenachse erreicht.

Die gleichzeitige Hub- und Drehbewegung macht das Viertaktverfahren möglich, indem die beiden Bewegungen der Kolben zum automatischen Offnen und Schließen der Ein- und Auslaßkanäle führt. Zusätzlich erforderlich sind Ein-/Auslaßnuten an den Kolbenboden bzw. -mantelseiten, wie Figur 2 zeigt.

Der Kolbenboden und-mantel weisen Aussparungen auf, welche das Einströmen bzw, den Ausstoß von Gasen in bzw. aus den Arbeitsräumen durch Kanäle der Zylinderwandung ermöglichen. Diese Nute sind entsprechend strömungsgünstig zu gestalten. Für die beidseitige Nutzung der Kolben sind die Aussparungen an beiden Kolbenboden angebracht, wie am -mantel jedoch versetzt um bzw. 270 Grad, oder die entsprechende iiin- und Auslaßkanäle infilM on on t. η prochond vorsetüit. nngrordnr t aoin.

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Das damit gegebene Arbeitsspiel ist in den Figuren 4 bis 11 dargestellt, wobei jeweils die Zylindermantelabwicklung gezeichnet ist, darin die Mantelabwicklung des Kolben, von Figur zu Figur jeweils nach Drehung um 45 Grad und mit entsprechender Hubbewegung seitlich versetzt.

Die in Ringform eingezeichneten vier Offnungen stellen die prinzipiellen Positionen und Formen der Ein- und Auslaßkanäle (E und A) im Zylindermantel dar, welche im Wechsel von den Ein-/Auslaßnuten 8 geöffnet bzw. geschlossen werden.

Figur 4 zeigt links einen Arbeitsraum zum Zeitpunkt der Zündung (Z), welche zur Verbrennung und Expansion der Gase, damit zur Hubbewegung des Kolben in axialer Richtung führt , verbunden mit dessen Rotation. Figur 5 läßt den Weg der Nut verfolgen, welche sich in Richtung Auslaßkanal A bewegt.

Zum Ende der Expansionsphase (EX - Figur 6) erreicht die Nut den Auslaßkanal, womit der Ausstoßtakt (A - Figuren 7 und 8) einsetzt. Danach kommt dieselbe Nut zur Deckung mit Einlaßkanal (E - Figuren 9 und 10), Verbrennungsluft bzw. Gemisch wird eingesaugt und komprimiert (K - Figur 11), um einen neuen Arbeitstakt vorzubereiten.

Tm rechten Zylinderraum läuft die TaktTolge analog ab, lediglich versetzt um 90 Grad bzw. eine Hubbewegung. Ebenso arbeitet der andere Kolben, wiederum mit versetzten Ein- und Auslaßnuten bzw. -kanälen und entsprechend versetzter Taktfolge. Je Umdrehung der Kolbenachse werden so vier Arbeittakte erreicht.

Die Kolbenboden haben durch die Aussparungen keinen planen Verlauf. Es entstehen dadurch bei der Expansion auf den Kolben seitlich wirkende Kräfte. Diese Unwucht wird beseitigt, wenn die Kolben zwei gegenüberliegende Nuten je Zylinder aufweisen (Figur 3). Die Kräfte wirken dann auf eine symetrische Fläche.

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Bei dieser Konstruktion mit doppelter Ein-/Auslaßnut sind auch Ein- und Auslaßkanal, eventuelle Einspritzung und Zündvorrichtung jeweils doppelt je Zylinder anzulegen. Die Nuten im Kolben wie auch die Öffnungen des Zylinders würden schmaler auszulegen sein. Um nach wie vor etwa jeweils ein viertel des Mantelumfangs für die vier Takte zur Verfügung zu haben, dürfte dann das Getriebeelement nach jeweils acht Hubbewegungen eine ganze Umdrehung der Kolbenachse erwirken. Damit ergäben sich dort steilere Anstellwinkel für die Umsetzung des Hubes in Rotation, relativ weniger Reibung durch kürzere Kolbenwege je Arbeitstakt, eine sichere Verbrennung durch doppelte Zündung, durch Fohl on joclor Unwucht ein noch ruh i go rot- Ι,ηιιΓ.

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3. Vorteile dieses Motors

Diese Konzeption basiert auf der erprobten Konstruktion herkömmlicher Hubkolbenmotoren. Damit können die Dichtungsprobleme in bewährter Weise durch doppelte Dichtringe an den Kolben bewerkstelligt werden. Die Dichtungen an der Kolbenachse können entsprechend konstruiert werden. Dort wie auch in der Zylindermitte kann Öl eingebracht werden, um einen entsprechenden Gleitfilm auszubilden.

Da die Kolben beidseitig genutzt werden, ergibt sich eine gute Führung in den Zylindern, welche durch die zusätzliche Rotation noch stabilisiert wird. Auf besondere Lager wird man weitgehend verzichten können.

Anstelle der Unwucht des Pleuels und der Kurbelwelle .herkömmlicher Hubkolbenmotoren verbindet hier eine starre Achse die Kolben und das Getriebeelement, insgesamt symetrisch und ohne Unwucht rotierend bzw. schwingend.

Die aufwendige Technik eines normalen Kurbelgetriebes wird hier ersetzt durch ein einziges Getriebeelement. Dieses hat den Hebelkräften wie bei jeder Umsetzung von Hub- in. Drehbewegung Stand zu halten. Eine entsprechend stabile Konstruktion der Getriebescheibe und der Führungsrollen wird erforderlich.

Das Getriebeelement ist jedoch weitgehend befreit von der Aufgabe, die Massenkräfte der Hubbewegungen zu kompensieren. Diese Kräfte werden vielmehr unmittelbar umgesetzt in Kompressionsarbeit der jeweils gegenüber angeordneten Zylinder. Sie wirken damit nicht auf das Getriebeelement, es wird eine Laufruhe wie sonst nur bei ausschließlich drehenden Bewegungen erreicht.

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Mit einer einzigen Zahnradübersetzung kann die Leistung des Motors abgenommen werden. Es ergeben sich damit ausschließlich Bewegungsabläufe, die unmittelbar dem Zweck der Maschine entsprechen. Insgesamt wird so eine minimale Reibung erreicht.

Dies wird noch verstärkt durch den Wegfall von Ventilen und deren Steuerungselemente. Damit entfallen alle eine hohe Drehzahl behindernden Konstruktionselemente. Dieser Motor kann wesentlich höhere Drehzahlen fahren, arbeitet jedoch genau so rund bei niedrigen.

Der Motor ist gekennzeichnet durch ein Viertaktverfahren mit exaktem Gaswechsel. Wie bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren kann jede gewünschte Verdichtung, Hub- oder Bohrungsdimension konstruiert werden. Der Motor kann für Vergaser oder Einspritzung, Benzin-, Gas- oder Dieselkraftstoff ausgelegt werden.

Durch die Zündung .im Bereich der Nuten ergeben sich kompakte Brennräume, insbesondere wenn mit doppelseitiger Nut und bei relativ geringem Hub gearbeitet wird. Auch der Zylinderboden kann in die optimale Gestaltung dos Bronnrninnos mit pinbezogen w »· r <l on.

Durch die Verbindung von Hub- und Drehbewegung ergeben sich neue Möglichkeiten im strömungstechnischen Ablauf und beim Brennprozess. Durch Einsatz von keramischen Bauteilen im Bereich der Zündung und der Ein-/Auslässe kann hoher termischer Wirkungsgrad erreicht werden.

Der Motor eignet sich auch besonders für die sonst nur schwer zu realisierende Zylinderabschaltung. Die Ein-/Auslaßkanäle beider Kolben sind getrennt von einander', durch einfache Schieber kann damit eine Hälfte des Motors abgeschaltet werden.

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Andrerseits liegen diese Kanäle so dicht bei einander, daß bei Bedarf auch eine Aufladung auf engstem Raum machbar ist.

Durch die geringe Zahl von Bauteilen einfacher Konstruktion ergeben sich geringe Herstellkosten. Der Motor hat ein Minimum an Verschleißteilen. Die lineare Anordnung von Kolben, Zylindern und Getriebeelement ergibt eine klare Konstruktion, was z.B. auch eine problemlose Kühlung und günstige Montagemöglichkeiten für die Hilfsaggregate ergibt.

Nicht zuletzt wird sich ein hervorragendes Gewicht/Leistungsverhältnis ergeben aufgrund der kompakten Bauweise. Die langgestreckte , flache Form ist optimal für den Einbau in strömungsgünstig konstruierten Fahrzeugen.

Die Vorteile dieses Motors zu nutzen, wird nur relativ wenig Entwicklungsaufwand erforderlich machen, da die klare und einfache Konzeption auf bekannten Konstruktionselementen basiert. Die ganze Erfahrung im Bau von Hubkolbenmotoren kann eingebracht werden, viele Konstruktionsteile herkömmlicher Motoren entfallen, nur wenige neue sind zu optimieren.

Leerseite

Claims (2)

Patentansprüche zur Patentanmeldung "Ro tationshubkolbeninotor"

1. Der Patentanspruch richtet sich auf die Erfindung eines Viertakt-Hubkolbenmotors dadurch gekennzeichnet, daß

- zwei doppelseitig genutzte Kolben von prinzipiell kreisrunder Zylinderform in einem Gehäuse gelagert sind, womit vier Arbeitsräume gebildet werden, und

- die Kolben in Richtung ihrer Längsachse starr mit einander verbunden sind durch eine Kolbenachse, sodaß

- durch die gegenständige Anordnung die Hubbewegungen einerseits den Expansions- und Ausstoßtakt, andrerseits den Ansaug- und Kompressionstakt in den vier Zylinderräumen darstellen, und

- damit die Mnssonkriif to dor Hubbewcgungon Ln Kompressionsarbeit unmittelbar umgesetzt werden in einem jeweils gegenüberliegenden Arbeitsraum, wobei

- ein ebenfalls mit der Kolbenachse starr verbundenes Getriebeelement, z.B. in der nach Patentanspruch 2 bescchriebenen Form, die Hubbewegungen in Rotationsbewegungen umsetzt, um so die Leistungsabnahme des Motors in Form von Drehbewegung zu erreichen, andrerseits durch die gleichzeitige Hub— und Drehbewegung der Kolben,

- verbunden mit nicht planen Kolbenboden bzw. mit Aussparungen an den Kolbenboden und -mantelseiten die Ein-/Auslaßkahäle der Zylinderwandungen automatisch geöffnet bzw. geschlossen werden,

- w<->mit der für den Viertaktmotor erforderliche Gaswechsel ohne Ventile und deren Steuerung wie bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren erreicht wird, sofern

- die für das Ein- und Ausströmen der Gase angelegten Aussparungen in den Kolben von Zylinder zu Zylinder jeweils in radialer Richtung versetzt angeordnet sind oder die entsprechenden Ein-/Auslaßkanäle in den Zylinderwandungen, im übrigen

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- diese Kolbenaussparungen für das Ein- bzw. Ausströmen der Gase einfach oder mehrfach je Arbeitsraum ausgelegt werden können, bei mehrfacher Auslegung mit ebenfalls entsprechend mehrfach angeordneten Funktionselementen der Ein-/Aus J.aßkanäle, eventueller Einspritzung und Zündvorrichtung je Arbeitsraum.

2. Der Patentanspruch richtet sich auf die Erfindung eines Getriebeelementes zur Umsetzung von Hub- in Drehbewegungen, z.B. für einen Motor in der nach Patentanspruch 1 beschrie-I) ο no η Form oder mich für ei non nach dom Prinzip dos "R Lo I zerMotors" arbeitenden, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine Scheibe starr verbunden ist mit den Hub- und gleichzeitig Drehbewegungen ausführenden Kolben und diese Scheibe so gestaltet ist, daß

- ihre Seitenflächen den Verlauf der Schwing- und Drehbewegungen widerspiegeln, z.B. im Prinzip die Mantelfläche der Scheibe in ihrer Abwicklung Sinuskurven aufweist oder eine der gewünschten Koordination von Hub und Rotation entsprechende Form, im übrigen nicht beide Seitenflächen ständig parallelen Verlauf aufweisen, um geeignet zu sein dafür, daß

- diese Scheibe, geführt wird durch mindestens zwei im Gehäuse gelagerte Führungsrollen an den Seitenflächen, womit

- die Hubbewegung ο in Gleiten dor Scheibe an der abrollenden, sonst aber feststehenden Führung erwirkt und damit die Achse und alle hiermit starr verbundenen Elemente in Rotation versetzt,

- wobei die Scheibe des Getriebeelementes zusätzlich an ihrem Mantel einen Zahnkranz tragen kann, über welchen die Leistung des Motors in Form von Drehbewegung auf ein Zahnrad Übermittelt werden kann, '

- wobei die wechselnde axiale Bewegung des Zahnkranzes der Getriebescheibe für einen optimalen Eingriff genutzt werden kann durch von Zahn zu Zahn entsprechend wechselnde Formgebung der jeweils eingreifenden Zähne.

ν BAD ORIGfNAL