DE3322185A1

DE3322185A1 - Vorrichtung zur umformung von translations- in rotationsbewegung vorzugsweise bei hubkolbenmotoren

Info

Publication number: DE3322185A1
Application number: DE19833322185
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. 8850 Donauwörth Neumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-06-21
Filing date: 1983-06-21
Publication date: 1985-01-03

Description

Torrichtung zur Umformung von Translations- in Rotationsbewegung vorzugsweise "bei

Hubkolbenmotoren

Aufgabenstellung

Transportfahrzeuge bilden heute in fortgeschrittenen Industrieländern einen volkswirtschaftlich bedeutenden Faktor bezüglich der Wertschöpfung bei ihrer Herstellung

£ und Verwendung. Auch ihr Verbrauch an Primärenergie ist bedeutend. Der Anteil der Motormasse an der Leermasse von Transportfahrzeugen (LKW und PKW), liegt heute zwischen 15 und 25 Prozent. (( Ein PKW mittlerer Größe von ca. 1ooo kg Masse enthält mit Aufhängung und anteiliger Masse des Fahrwerkes eine Motormasse von ca. 2oo kg oder ca. 2o Prozent.)) Ziel der Erfindung ist es, die Leermasse der Fahrzeuge mit Hilfe der zu verringernden Motormasse erheblich zu mindern und damit den Transport effektiver zu machen.

Die heute üblichen Otto- und Dieselmotoren setzen die Translation der Kolben über einen Kurbeltrieb in Rotation um. Der Kurbeltrieb und das zugehörige Gehäuse sind massereich. Die oszillierenden Massen werden bestimmt durch Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen und anteiliges Pleuel. (( Bei einem PKYT-

Motor hat ein Zylinder von ca. 4oo cm Hubraum oszillierende hassen von z.B. 6oo g.)) Die vorliegende Erfindung löst die gestellte Aufgabe der Masseminderung durch die Umsetzung von Translation in Rotation ohne Kurbeltrieb auf kürzestem Wege und durch die Verkleinerung der Zahl der oszillierenden Teile und Verringerung ihrer Masse.

Veränderte und neue Komponenten des Hubkolbenmotor

LO Der Kolben eines Hubkolbenmotors hat einen Kolbenboden und

■«"" ein Kolbenhemd in Form eines Zylindermantels. Im vorliegenden

^ Pail ist das Kolbenhemd (1) an der dem Kolbenboden abgewandten ^ Seite mit einer im wesentlichen sinusförmigen Begrenzungslinie (2) ausgestattet, siehe perspektifische Figur 1a. Kögliche Abwicklungen des Kolbenmantels zeigen die Figuren 1b und 1c, wobei ein Richtungspfeil für die Bewegungsrichtung des auf der sinusförmigen Begrenzung gleitenden Bolzenpaares angegeben ist.

Der Kolbenbolzen ist nicht mehr in den Kolben integriert, um dessen Masse zu mindern. Der Bolzen (3) ist z.B. in einer Welle (4) angeordnet, die mittelbar gegen den Kolben arbeitet. Die Bolzen sind, wie in Figur 2a dargestellt, geteilt und in der Welle schwenkbar gelagert. Bei ganzzahligen Vielfachen von zwei vollständigen Sinuslinien als Begrenzung des Kolbenhemdes sind auch mehr als ein Bolzenpaar denkbar. Figur 2b zeigt einen Schnitt durch eine mögliche Bolzenausführung.

Der Kolben und die Welle werden mit Hilfe einer Feder aneinandergehalten, siehe Figur 3. Im Zusammenspiel der Teile gleiten die Bolzen auf dem sinusförmigen Rand des Kolbenhenuos auf und ab.

Ein Paar Stauraumventile (6) steuert das Zu-und Abströmen von Ladeluft.

Funktionsweise der Motorteile

Es sind zwei Möglichkeiten der Relativbewegung von Kolben So und Bolzen - auf der Welle oder in der Zylinderwand - möglicn:

1. Der Kolben wird mit Hilfe achsparalleler Gleitschienen an einer Rotation um seine zentrale Symmetrieachse gehindert. In diesem Falle müssen die Bolzen mit der sie tragenden (Hohl-)welle bei einer achsparallelen Bewegung des Kolbens und bei einem durch die Feder gesicherten ständigen Kontakt zwischen Bolzen und Kolben eine Drehbewegung um die zentrale Achse ausführen.

2. Die Bolzen sind ortsfest, z.B.. in der Zylinderwand befestigt, si'ebe Figur 4. In diesem Falle muß der Kolben zugleich eine

6ο achsparallele Bewegung und eine Rotation um seine zentrale Achse ausführend), wenn ein gleitender Kontakt zwischen Kolbenhemd und Bolzen gesichert ist. Fingerartige Verlängerungen (8) der mitrotierenden Welle ragen in die Innenseite c.ssdes Kolbenhemdes und wirken in allen Lagen des Kolbens

6& zwischen oberem und unterem Totpunkt als Mitnehmer, s.Pig. 5c

In beiden Fällen wird die Translationsbewegung des Kolbens in eine Rotation umgesetzt. Im ersten Fall rotiert eine die Bolzen tragende welle, im zweiten Fall rotiert der Kolben selbst.

Die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird unterstützt durch tO Druckluft. Deren Zustrom zum Stauraum D, siehe Figuren 3 und 4, wird durch Stauraumventile (6) geregelt. Die Druckluft wird mittels eines Ladegerätes erzeugt, das durch den Motor angetrieben wird. Die Druckluft kann direkt oder aus einem Puffervolumen abwechselnd der Brennkammer B - gesteuert über die to üblichen Brennraumventile (15) - oder dem Stauraum D zugeleitet werden. Die Ladeluft wird also in diesem Motor in zweifacher V/eise genutzt.

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In einem Zweitaktmotor begünstigt die Ladeluft die Verbrennung des Kraftstoffes im ersten Takt und damit die "Hinbewegung" (Arbeitstakt) des Kolbens. Durch entsprechendes Ventilspiel wird am Ende der Hinbewegung in der Nähe des unteren Totpunktes der Brennraum geöffnet und das verbrannte Gas strömt ab. Gleich- j zeitig wird das Stauraumventil für das Zuströmen der Druckluft geöffnet. Der sich im Stauraum aufbauende Druck überwindet zusamnen mit den Trägheitskräften der rotierenden "welle den Gasre'stdruck im Brennraum und die Federkraft, die für den ständigen Kontakt Kolbenhemd - Bolzen sorgt. Der Kolben führt daraufhin d,ie "Herbewegung"aus.

Gegen Ende der "Herbewegung" wird der Zustrom von Luft in den oO Stauraum D unterbrochen, die Druckluft mit dem zweiten Stauraumventil aus dem Raum D entlassen, Brennstoff und Ladeluft in den Brennraum gefördert und der nächste Arbeitstakt nach Überschreiten des oberen Totpunktes begonnen. Kit der Konfiguration des Kolbenhemdes nach Figur 1 führt der Zweitaktmotor zwei Arbeitshübe je Kolbenuumrundung aus.

Ein Viertaktmotor führt mit der gleichen KoIbenaurjführung je Umdrehung der Welle nur einen Arbeitshub aus; die drei übriren "Her-" und "Hinbewegungen" dienen, wie bekannt, dem Ausschieber^ der verbrannten Gase, dem Pullen mit Ladeluft und Brennstoff /OO und dem Verdichten. Die "Herbewegungen" finden mit Unterstützung der Ladeluft im Stauraum D statt.

Da beim Arbeitshub erhebliche Kräfte vom Kolbenhemd auf die Bolzen übertragen werden, ist der Querschnitt des Kolbenhemdes an diesen Stellen (9) zu vergrößern, siehe Figur 5a. Das

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Kolbenhemd könnte an Stellen geringer Belastungen (Herbewegung) zwecks Gewichtseinsparung-auch Ausnehmungen aufweisen, z.B. im Bereich (io) dtr Figur 5a. Um niedrige Flächenpressungen zwischen den Bolzen und der Gleitfläche des Kolbenhemdes zu • erreichen, kann letzteres am unteren Rand verdickt sein, siehe Figur 5b.

Die Abdichtung des Brennraumes gegen den Stauraum wird wie in üblichen Hubkolbenmotoren mit Kolbenringen (11) vorgenommen, siehe Figur 3. Die ausschließliche lineare Hubbewegung des Kolbens läßt dies zu. Ein Zweitaktbetrieb ist möglich.

/f/f5 Der linear bewegte und gleichzeitig rotierende Kolben(7) nach Pigur 4 ergibt jedoch tribologische Probleme, wenn er nit Kolbenringen betrieben wird. Daher wird hier die Rotation ces Kolbens zur Abdichtung des Brennraumes gegen den Stauraum genutzt, «vie bei einem Luftlager wird ein Teil der Ladeluft

A20 durch die perforierte Zylinderwand (12) gepreßt und so der rotierende und translatierende Kolben auf einem Gaspolster(13) geführt·. Natürlich können für diese Art aer Kolbenführung keine durchbrochenen Kolbenhemden verwendet werden.

Obwohl ein Kotor nach der Figur 4 auch im Viertaktverfahren //^5 ohne Kolbenringe betrieben werden kann - ein hoher Ladeluftverbrauch für zwei "Herbewegungen" und permanente Luftschmierung des Kolbens empfiehlt dies nicht -, bietet sich diese Variante besonders für das Zweitaktverfahren an. Bei einem luftgeschmierten Kolben ist der Schmierölzusatz im Brennstoff nicht mehr /130 notwendig, was deutliche Verbesserungen der Abgase zur Folge hat.

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Die Zahnräder (14) der Abtriebswelle können sofort in das

Getriebe eingreifen. Alternativ kann eine Zwischenwelle von mehreren Kolben beaufschlagt werden, siehe Figur 6, Eine besonders schwingungsarme . Maschine ist mit drei Kolben in. Zweitaktverfahren zu erwarten, weil nach jeweils 6o° eine neue Zündung einsetzt und innerhalb von drei mal 6o° = 18o° ein Kolben den oberen und unteren Totpunkt erreicht hat.

Vorteile des neuen Verfahrens

1. Die -Baugröße und die Masse des Motorblockes wird gegenüber Otto- und Dieselmotoren erheblich reduziert, was auch zu Einsparungen beim Fahrgestell und der G-röüe des Fahrzeugbuges und damit der Leermasse des Fahrzeuges führt. Kin kleiner Bug ist in der Regel auch strömungsgünstig und senkt den Kraftstoffbedarf.

2. Die oszillierenden Massen werden erheblich reduziert. ((Der Kolben eines 4oo cm -Hubraumes wiegt nach der neuen Konstruktion ca. 3oo g und hat damit nur ca. 5o Prozent der Kasse eines heute typischen Kolben-Pleuel-Sytems für einen vergleichbaren Hubraum.)) h

3. Die geringen oszillierenden Massen ermöglichen - zucar^en mit der Verwendung von Druckluft aus Ladegeräten - einen

niedrigen Brennstoffverbrauch.

4. Die Ladeluft wird für bessere Brennstoffnutzung_s das lastfreie Spiel des Kolbens und im Falle des Zweitaktmotors mit rotierendem Kolben für dessen Führung im Zylinder genutzt.

5. Viele Komponenten der bisherigen bewährten Hubkolbenmotoren nach Otto und Diesel können beibehalten werden, wie z.3. Brennraumform, Kolbenboden, Kolbenringe, Brennraurr.ventile,

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Zündanlage, Turboverdichter u.a.

6. Wegen des entfallenden Kolbenbolzens besteht eine größere Gestaltungsfreiheit für den Kolbenboden und damit für den Brennraum.

7. -äs sind beliebige Zahlen von Zylindern kombinierbar.

8. äs sind Zwei- und Viertaktmotoren möglich.

Γ 9. Bei rotierendem Kolben kann unter Verwendung von Luftschmierung

zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand auf die Ölzugabe zum Brennstoff verzichtet werden, was den Zweitaktmotor umweltfreundlicher macht.

Claims

Ansprüche

ί 1 ."^Vorrichtung zur Umfoxmung von Translations- in Rotationsbewegung in Hubkolbenmotoren, dadurch gekennzeichnet, dau der Kolben ein Kolbenhemd hat, das auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite eine sinusförmige Begrenzung hat, die auf

den Umfang des Kolbenhemdes symmetrisch verteilt zwei Maxima und zwei Minima oder ganzzahlige Vielfache davon trägt.

2.""Vorrichtung wie oben, dadurch gekennzeichnet, dao der Kolben keinen Kolbenbolzen enthält.

3. Vorrichtung wie oben, dadurch gekennzeichnet, daß der wie oben beschriebene Kolben gegen Bolzen arbeitet, die auf dem sinusförmigen Rand des Kolbenhemdes gleiten können und schwenkbar gelagert sind.

4. Vorrichtung wie oben, dadurch gekennzeichnet, dai; die schwenke·;, gelagerten Bolzen in einer' Abtriebswelle oder in den Zylinderwänden der Hubkolbenmotoren montiert sein können. <?

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5. Vorrichtung wie*'oben, dadiirch gekennzeichnet, daß der

durch die periodischen Explosionen im Brennraum bewegte O₀ Kolben eine lineare "Hinbewegung" ausführt, die durch das (Nj Zusammenwirken des sinusförmig begrenzten Kolbenhemdes

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oo mit schwenkbaren Bolzen in eine Rotation umgesetzt wird.

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Sind die schwenkbar gelagerten Bolzen in der Zylinderwand

ι montiert, dreht sich der Kolben um seine Achse, Pall I.

Ist der hin- und herbewegte Kolben durch achsparallele

' Leisten an der Rotation um seine Achse gehindert, drehen sich die Bolzen, die in diesem Falle in einer sich mitdrehendenAbtriebswelle eingebaut sind, Pail II.

6. Vorrichtung wie oben, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall II die Schv/enkachsen der Bolzen senkrecht auf der Achse der Welle stehen und ein Bolzenpaar sich auf einer gemeinsamen Achse befindet. Im Betrieb führen die Bolzen eines Paares aufgrund des·Kontaktes zur sinusförmigen Begrenzung des Kolbenhemdes gegenläufige Schwenkbewegungen aus.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5., dadurch gekennzeichnet, daß ZS der rotierende Kolben auf einem Luftpolster geführt wird.

S. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5·,6. und 7., dadurch gekennzeichnet, daß Kolben-und Wellenachse identisch sind und im Falle I Kolben und Abtriebswelle gemeinsam um diese Achse rotieren, im Falle II der Kolben Translationsbewegungen in Achsrichtung und die Welle Rotationsbewegungen um diese Achse ausführen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8., dadurch gekennzeichnet, dai; Federelemente für einen ständigen Kontakt des Kolbens mit den auf dem Rand des Kolbenhemdes gleitenden Bolzen sorgen. Im Falle I drehen sich die Federelemente mit Kolben und

^ Abtriebswelle, "ΐα. -Fälle" II" sinä* di*e Federelemente am

C₀ ruhenden Zylindergehäuse und dem nicht rotierenden Kolben

befestigt.

1o„Vorrichtung wie oben, dadurch gekennzeichnet, daß so ausgerüstete Motoren immer mit Ladeluftgeräten kombiniert sind, deren Druckluft einerseits zur Verbesserung der Verbrennung der Kraftstoffe und andererseits zur Bewegung der oben beschriebenen Kolben in dem Sinne verv/endet v/ird, dak die Druckluft die dem Arbeitshub des Kolbens (Hinbewegung) entgegengesetzte Herbewegung des Kolbens unterstützt, indem sie auf der Seite des Kolbens gestaut wird (Stauraum), die dem Brennraum gegenüberliegt.

11.Vorrichtung wie oben, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu-

"'""'fuhr und das Abströmen der durch ein Ladegerät - und mögliche: So weise ein Druckluftvorratsgefäß - zur Verfügung gestellten

r;:"-.I)i!uulcluft durch zwei zusätzliche Ventile gesteuert wird, die den Zugang zum Stauraum regeln.

12.Vorrichtung wie oben, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Ladeluft zv/eifach oder dreifach verwendet: erstens bei der Kraftstoff verbrennung, zweitens bei der Unterstützung der Kolbenherbewegung und bei dreifacher Verwendung drittens bei der Luftschmierung des rotierenden Kolbens.

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