DE3444023A1

DE3444023A1 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE3444023A1
Application number: DE19843444023
Authority: DE
Inventors: Hermann Wien Hansmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-01
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1985-06-13
Also published as: AT396969B; ATA420583A

Description

PienzenauerstraSe 2 6000 München 80 Telefon: (089) 9803 24, 98 72 58,98 8800 Telecopy Gr. II: (0 89) 222066 Kabel: Quadratur München Telex. S22 767 rush d

BERLIN

Kurlurstendamm 182/183 1000 Berlin 15

T»l»lon:(030) 883 7078/79 Kabel; Quadratur Berlin

RUSCHKE-& PARTHBR AN WA LTB S O 71 El« T

344AQ23

München, den 3. Dezember 1984 Dipl.-Ing. Hans E. Ruschke Dipl.-Ing. Olaf Ruschke" Dipl.-Ing. Jürgen Rost Dipl.-Chem. Dr. Ulrich Rotter Patentanwälte

Zugelassen beim Europaischen Patentamt Admitted to the European Patent Oltice

' In Berlin

Rainer Schulenberg Rechtsanwalt

Zugelassen bei den LG München I und II, beim OLG München und dem Bayer. Obersten Landesgericht

H 841 HO

Hermann Hansmann

Steinlechnerg. 18/1/11, A-1130 Wien

"Drehkolbenmaschine"

Drehkolbenmaschi ne

Gegenstand der Erfindung ist eine Drehkolbenmaschine mit in einem ringförmigen Gehäuse angeordneten Drehkolben, die zur Erzielung eines periodisch wechselnden Verhältnisses ihrer Winkelgeschwindigkeiten mit konzentrischen Wellen verbunden sind, auf denen Zahnräder befestigt sind, die mit auf einer parallelen Welle exzentrisch sitzenden Rundzahnrädern kämmen.

Bei den bekannten Maschinen dieser Art ist das Gehäuse fest und

es müssen zur Erzielung der erforderlichen Relativbewegungen der einzelnen

Kolben, die auf den konzentrischen Wellen befestigten Zahnräder Ovalzahn-

räder sein, deren Herstellung jedoch verhältnismässig kompliziert und teuer ist.

Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, diese Nachteile zu vermeiden, was durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen erreicht wird. Bei einer erfindungsgemässen Maschine werden demnach durchwegs Rundzahnräder verwendet, was zufolge der Drehbarkeit des Gehäuses und dessen Verbindung mit einer der konzentrischen Wellen sowie mindestens zwei Drehkolben ermöglicht wird.

Drehkolbenmaschinen mit einem drehbaren Gehäuse sind zwar aus der DE-PS 12 40 03 bekannt, dort wird jedoch ein komplizierter und störungsanfälliger Hebelmechanismus zur Erreichung der erforderlichen Kinematik verwendet.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines rotierenden Vierzylinder-Zweitaktmotors mit Ladepumpe; Fig. 2 einen Querschnitt von Fig. 1; Fig. 3 einen Querschnitt von Fig. 1, jedoch um 180° versetzt von Fig. 1; Fig. 4 einen Längsschnitt eines rotierenden Vierzylinder-Viertaktmotors; Fig. 5 einen Querschnitt von Fig. 4; Fig. 6 einen Längsschnitt eines geschlossenen rotierenden Ringzylindersystems; Fig. 7 einen Querschnitt von Fig. 6;

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Fig. 8 ein perspektivisches Funktionsbeispiel des Getriebes mit den exzentrischen Zahnrädern; Fig. 9 ein Detail der Abdichtung der beweglichen Ringzylinderteile zueinander.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 ist der äußere Ring-

zylinder 5 mit seinen geschlossenen Seitenwänden (Kastenform) aus Montagegründen aus zwei Ringzylinderteilen 5a und 5b zusammengebaut, die zusammen nur einen Teil des gesamten Kolbenumfanges umschließen. In den Seitenwänden des Ringzylinders sind Schlitze 12 für die Abgase vorgesehen. Dieser äußere Ringzylinder 5 ist auf einer Hohlwelle 7 zentrisch montiert. Inner halb des äußeren Ringzylinderteiles 5 befindet sich der innere Ringzylin der 6 und dieser schließt die offene Lücke des Umfanges des Ringzylinderteiles 5 zu einem im wesentlichen geschlossenen Kreisumfang. Die konischen Trennflächen 9 zwischen dem äußeren Ringzylinderteil 5 und dem inneren Ringzylinderteil 6 sind als selbst zentrierende dichtende Flächen ausgebil det, so daß die Kolbensegmente keine zentrierende Aufgabe haben. Die Kolben (Fig. 2) 1,2, 3 und 4 selbst sind an den Ringzylinderteilen 5 und 6 formschlüssig befestigt. Der innere Ringzylinderteil 6 ist mit der Hohlwelle 8 zentrisch verbunden und die Hohlwelle 8 ragt durch die Hohlwelle 7 durch.

Mit den freien Enden der Hohlwellen 7 und 8, die in einem Getriebegehäuse 20 gelagert sind, ist je ein gleich großes, exzentrisches Zahnrad 15 und 16 verbunden. In diese exzentrischen Zahnräder 15 und 16 greifen zwei ebenfalls gleich große, gleich gelagerte, exzentrische Zahnräder 17 und 18 mit zueinander gleicher Zähnezahl und gleichem Modul ein. Das Übersetzungsverhältnis ist zufolge der zueinander exzentrisch gelagerten Zahnräder variabel, aber nach jeder halben Umdrehung 1:1. Die Zahnräder 17 und 18 sind in Bezug auf ihre Exzentrizität um 180° zueinander versetzt und miteinander bzw. mit der Nebenwelle 19 verbunden. Dadurch ist die Nebenwelle 19 als Abtriebswelle verwendbar.

Dadurch, daß das exzentrisch gelagerte Zahnrad 15 mit dem Zahnrad 17, und das Zahnrad 16 mit dem Zahnrad 18 im Eingriff steht, wird folgendes erreicht: Bei Verdrehung des Ringzylindersystems 5 und 6 wird sich bei einem angenommenen Teilkreis von 80 mm Durchmesser und einer Exzentrizität

von 4 mm ein veränderliches Übersetzungsverhältnis ergeben, das von 1:1 nach 90°iger Verdrehung auf 1:1,22 ansteigt, um nach 90°iger Verdrehung wieder auf 1:1 abzusinken. Bei dem angenommenen Teilkreis von 80 mm und einer Exzentrizität von 4 mm, ergibt sich nämlich in der neutralen Zone (oberer oder unterer Totpunkt) bei einem Achsabstand von 80 mm (12 mal halber Teilkreis) 40 mm : 40 mm, das ist ein minimales Übersetzungsverhältnis von 1:1. Nach einer 90°igen Verdrehung der Zahnräder verschieben sich die Teilkreise um die Exzentrizität von 4 mm, sodaß bei immer gleichbleibendem Achsabstand (80 mm) auf der einen Seite sich der Teilkreis um 4 mm zum Achsmittel vergrößert, beim Gegenzahnrad sich zum Achsmittel um 4 mm verkleinert. Das ergibt somit ein maximales Übersetzungs- bzw. ein maximales Untersetzungsverhältnis von 44:36=1:1,222.

Der Ringzylinderteil 5 mit seinen Kolben 1 und 3 wird während der Drehbewegung zusätzlich beschleunigt, der Ringzylinder 6 mit seinen Kolben 2 und 4 wird während der Drehbewegung im gleichen Verhältnis verzögert, nach einer halben Umdrehung von 180° ändert sich die Beschleunigung des Ringzylinderteiles 5 in eine Verzögerung und beim Ringzylinderteil 6 in eine Beschleunigung. Diese Verzögerungen und diese Beschleunigungen entsprechen einer Verschiebung der Ringzylinderteile 5 und 6 zueinander und voneinander und die Größe dieser Verschiebung entspricht dem Kolbenhub in Winkelgraden. Der Kolbenhub und damit die Verschiebung der Ringzylinderteile 5 und 6 zueinander wird in diesem Beispiel bei einer Exzentrizität von 4 mm und dem halben Teilkreis von 40 mm einen Tangens von 0,1 ergeben, das ergibt 5,4276°; bei vier Zahnrädern und bei einer Verdrehung von 180 ergibt dies zweimal 4 mm pro Zahnrad, demnach die achtfache Exzentrizität von 4 mm, was einem Verdrehungshub von 43,42° entspricht. Nach jeder 180 igen Verdrehung der exzentrischen Zahnräder erfolgt eine Umkehr des Übersetzungsverhältnisses und dadurch eine entgegengesetzte Verschiebung der Ringzylinderteile 5 und 6 mit ihren Kolben zueinander.

An dem äußeren Ringzylinderteil 5 ist eine Auspuffauffangdose 13 angebaut, in diese führen Auspuffschlitze 12. Die Auspuffauffangdose 13 dreht sich mit dem Ringzylindersystem mit. Durch die glatten Innenwände der Auspuffauffangdose 13 entsteht durch die Drehung derselben keine Wirbelung der einströmenden Abgase und diese können durch die Hohlwelle 22 in die Auspuffanlage strömungsfrei abgeleitet werden. Durch

die Hohlwelle 8 wird mittels eines Gebläses 25 vom Vergaser 26 ein Luft-Benzin-Öl gemisch geblasen, das zufolge der Freigabe durch die Kolben 1, 2, 3 und 4 durch die Einlaßschlitze 10 der Hohlwelle 8 und durch die im inneren Ringzylinderteil 6 befindlichen Einlaßschlitze 11 in den Zylinderraum gelangt. Durch Freigabe der Auspuffschlitze 12, 12a durch die Kolben 1, 2, 3 und 4 wird das verbrannte Gemisch abgeleitet.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Kolben 1 und 3 mit dem äußeren Ringzylinder 5, die Kolben 2 und 4 mit dem inneren Ringzylinderteil 6 starr verbunden sind. Die Kolben 1 und 4 und die Kolben 2 und 3 stehen in der Kompressionslage. Die Auspuffschlitze 12 sind durch die Kolben 4 und 2 und die Einströmschlitze 11 durch die Kolben 1 und 3 gesperrt. Durch die Zündung in beiden Zylinderräumen 27 und 28 werden durch den Expansionsdruck die Kolben 1 und 4 und die Kolben 3 und 2 auseinandergedrückt. Eine Verschiebung der Kolben kann aber nur durch eine Verdrehung des Ringzylindersystems 5 und 6 in Pfeil richtung 24 erfolgen. (Die Drehrichtung kann auch im umgekehrten Sinne gewählt werden).

An ihrer gegenüberliegenden Seite stehen die Kolben 1 und 2 sowie die Kolben 3 und 4 in der Auspufflage, die Auspuffschlitze 12a sind durch die Kolben 1, 2 und 3, 4 freigegeben, so daß das verbrannte Gasgemisch ausströmen kann. Gleichzeitig sind die Einströmschlitze 11 a durch die Kolben 1, 2 und 3, 4 freigegeben, durch das Gebläse 25 werden die Zylinderräume 29, 30 mit Frischgasgemisch gefüllt und gleichzeitig wird das noch verbleibende Restgas durch das nachströmende Frischgas verdrängt.

Die Fig. 3 stellt einen gegenüber Fig. 2 um eine halbe Umdrehung von 180° verdrehten Schnitt dar. Die Kolben 1 und 4 und die Kolben 2 und 3 haben sich durch die Expansion des gezündeten Gases voneinander entfernt, was dem offenen Kolbentotpunkt entspricht, (beim Kurbelwellenmotor den unteren Totpunkt); gleichzeitig haben sich die Kolben 1 und 2 und die Kolben 3 und 4 der Kompressionsstellung genähert, das entspricht dem geschlossenen Kolbentotpunkt (beim Kurbelwellenmotor den oberen Totpunkt). Durch die freigegebenen Auspuffschlitze 12a strömt das verbrauchte Gasgemisch aus und durch die freigegebenen Einströmschlitze 11a strömt das Frischgemisch in den Zylinderraum ein. Die Zündung erfolgt jetzt nach 180°iger Verdrehung zwischen den Kolben 1 und 2 und gleichzeitig zwischen den Kolben 3 und 4. Es wiederholen sich diese Abläufe nach jeden weiteren 180° in stetiger Folge.

Fig. 4 stellt ein Ausfuhrungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes als Vierzylinder-Viertaktmotor dar, wobei der Grundaufbau des Ringzylindersystems 5 und 6 und die Funktion des Getriebes 20 gleich ist wie bei den Fig. 1 bis 3 beim Zweitaktmotor beschrieben wurde. Unterschiedlich ist jedoch der Antrieb eines Walzenschiebers 31 mit der angekoppelten Ventilnocke 32 sowie den Zahnrädern 33, 34, 35 und 36. Im inneren Ringzylinder 6 ist der Walzenschieber 31 mit der angekoppelten Auspuffventilnocke 32 eingebaut und mit der Hohlwelle 37 verbunden. Die Hohlwelle 37 ragt durch die Hohlwelle 8 in das Getriebegehäuse 20 und es ist an seinem Ende das Zahnrad 36 formschlüssig montiert. Das Zahnrad 36 greift in das Zahnrad 35 im Übersetzungsverhältnis 2:1 ein. Das Zahnrad 35 sitzt mit dem Zahnrad 34 mechanisch verbunden lose auf der Nebenwelle 19. Die Zahnräder 34, 35 werden durch das Zahnrad 33 in Bezug auf das Zahnrad 34 im Verhältnis 1:1 angetrieben und zufolge der Untersetzung 2:1 zwischen dem Zahnrad 35 und dem Zahnrad 36 läuft die Hohlwelle 37 mit dem Walzenschieber 31 mit halber Umdrehungszahl in Bezug auf das Ringzylindersystem 5 und 6 in gleicher Drehrichtung um. Im Ringzylinderteil 5a sind Aufnahmen für die Auspuff ventile 43, 44, 45 und 46. Die Auspuffkanäle 12 münden direkt in die Auspuffauffangdose 13 und die Auspuffgase werden ohne Zentrifugal - kraft in die Auspuffanlage abgeleitet. Die Ventilnocke 32 betätigt die Auspuff ventile in der Zündfolge 1, 2, 3 und 4. Vom Vergaser 26 wird Benzin-Luftgemisch durch die Hohlwelle 37 angesaugt. Die Zündkerzen 47, 48, 49 und 50 sind in den Innenhohlräumen 51 und 52 der Kolbensegmente 1 und 3, die mit dem äußeren Ringzylinderteil 5 formschlüssig verbunden sind, eingebaut und können durch die Öffnung 60 und 61 im Ringzylinderteil 5 von außerhalb des Motors leicht erreicht werden.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß sich im Zylinderkompressionsraum 30 das Auspuffventil 43 zu schließen und im Zylinderkompressionsraum 29 das Auspuffventil 46 zu öffnen beginnt. Die Auspuffventile 44 und 45 sind geschlossen. Im Zylinderkompressionsraum 30 ist der Auspuffhub beendet, es beginnt der Ansaughub. Im Zylinderkompressionsraumn 27 ist der Ansaughub beendet, es beginnt der Verdichtungshub. Im Zylinderkompressionsraum 28 ist der Verdichtungshub beendet, die Zündkerze 47 zündet das komprimierte

Benzin-Luft-Gas-Gemisch und es beginnt der Expansionshub. Im Zylinderkompressionsraum 29 ist der Expansionshub beendet, es beginnt der Auspuffhub. Nach jeder 90°igen Verdrehung des Ringzylindersystems 5 und 6 wiederholen sich diese Funktionsabläufe. Der Walzenschieber 31 bleibt durch die Unter- Setzung der Zahnräder 35 und 36 (/Fig. 4) im gleichen Ablauf von 90° um 45° nachlaufend zurück. Die Zündfolge ist 1, 2, 3 und 4.

Fig. 6 stellt einen Längsschnitt eines Vierzylinderzweitaktmotors in einem mechanisch geschlossenen Ringzylindersystem dar. In diesem System ist der Ringzylinder 60 durch vier Zylinderköpfe 64, 65, 66, 67 (Fig.7) in zwei Zylinderlaufbahnen 71, 72 unterteilt und in diesen zwei Zylinderlaufbahnen 71, 72 pendeln während der Drehung des Ringzylinders 60 die Kolben

62 und 63 in Hublänge vor und zurück. Zwischen den Zylinderköpfen 64, 65, 66 und 67 sind die Zündkerzen 47, 48, 49 und 50 eingebaut. Der Ringzylinder ist im Bereich der Zündkerze nach außen offen und daher ist der Zugriff zu den Zündkerzen frei zugänglich. Die Kolben 62 und 63 sind über einen Mitnehmerhebel 68 mit dem Walzenschieber 61 starr verbunden. Der Mitnehmerhebel 68 mit den beidseitig starr verbundenen Kolben 62 und 63 ragt durch Längsschlitze 69, 70 in die Ringzylinderkolbenlaufbahn 71, 72 ein. Im Walzenschieber 61 sind Schlitze 76 vorgesehen, die das Durch strömen des Gasgemisches zu den Zylinderräumen 71, 72 steuern. Der Ring zylinder 60 ist zentrisch auf der Hohlwelle 7 montiert. Durch die Hohlwelle 7 ragt die Hohlwelle 8, die mit dem Walzenschieber 31 zentrisch verbunden ist. An den Enden der Hohlwellen 7 und 8 sind exzentrische Zahnräder 15 und 16 formschlüssig montiert und diese sind in dem Getriebegehäuse 20 mit den exzentrischen Zahnrädern 18 und 19 in Eingriff. Die Funktion des Getriebes ist wie in Fig. 1 beschrieben.

Fig. 7 stellt einen Querschnitt von Fig. 6 dar. Es ist ersichtlich, daß der geschlossene Ringzylinder 60 durch die Zylinderköpfe 64, 65, 66 und 67 in zwei Zylinderlaufbahnen 71 und 72 und in zwei Frei räume 73 und 74 geteilt ist. Zwischen den Zylinderköpfen 67 und 64 und zwischen den Zylinderköpfen 65 und 66 pendeln während des Rundlaufes des Ringzylindersystems 60 die Kolben 62 und 63. Die Pendelbewegung der Kolben 62 und

63 während des Rundlaufes wird durch das bereits beschriebene Getriebe mit den exzentrischen Zahnrädern erreicht. (Fig.l) In den Frei räumen 73 und 74 sind in den Zylinderköpfen 64 und 65 sowie 66 und 67 die Zündkerzen 47, 48, 49 und 50 eingeschraubt. Die Ausströmschlitze 80 werden durch die Kolben 62, 63 gesteuert.

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Aus der perspektivischen Darstellung des Zahnradgetriebes nach Fig.8 sind die exzentrischen Zahnradpaare 15, 17 und 16, 18 ersichtlich. Auf den ineinandergeschobenen Hohlwellen 7 und 8 sitzen die exzentrischen Zahnräder 15 und 16 mechanisch miteinander verbunden. Auf der Vorgelege welle 19 sind die exzentrischen Zahnräder 17 und 18 ebenfalls mechanisch, jedoch um die Exzentrizität von 180° versetzt, verbunden montiert. Die exzentrischen Zahnräder haben alle den gleichen Teilkreis, dieselbe Zähnezahl und Modul, daher immer eine zähnezahlmäßige Übersetzung von 1:1. Dadurch, daß das Zahnrad 17 zu dem Zahnrad 18 um die Exzentrizität von 180° zueinander verdreht starr verbunden montiert ist, entsteht ein variables Übersetzungsverhältnis und dadurch eine radiale Verschiebung der Hohlwelle 8 und 7, zueinander wechselnd, nach jeder Umdrehung um 180°.

Die gekoppelten exzentrischen Zahnräder 17 und 18 bewirken durch ihr veränderliches Übersetzungsverhältnis über die Zahnräder 15 und 16 die Verdrehung der Hohlwelle 8 und 7 in dem Maße zueinander, als es die Exzentrizität der Zahnräder ergibt. Durch diese Steuerung der Zahnräder 17 und 18 und die dadurch gleichzeitige Drehung der Zahnräder 15 und 16 der Hohlwelle 7 und 8 wird der gleiche Effekt wie bei der Kurbelwelle im Hubkolbenmotor erreicht.

Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel der Abdichtung der beweglichen Ringzylinderteile zueinander dar. Die konischen Trennflächen 9 zwischen dem äußeren Ringzylinderteil 5 und dem inneren Ringzylinderteil 6 sind spielfrei zueinander zusammengebaut. Als zusätzliche Abdichtung sind Dichtungsringe 103 in den inneren Ringzylinderteil 6 eingesetzt. Die

Dichtungsringe 103 sind wie Kolbenringe ausgebildet, haben am äußeren

Umfang eine konische Fläche, die durch das Anpressen durch die Vorspannung die Dichtungsringe 103 oder durch zusätzliche Federn sich an die konischen Flächen 9 des äußeren Ringzylinders 5 dichtend anlegen.

Hermann Hansmann durch:

Claims

Patentansprüche

1. Drehkolbenmaschine mit in einem ringförmigen Gehäuse angeordneten Drehkolben, die zur Erzielung eines periodisch wechselnden Verhältnisses ihrer Winkelgeschwindigkeiten mit konzentrischen Wellen verbunden sind, auf denen Zahnräder befestigt sind, die mit auf einer parallenen Welle exzentrisch sitzenden Rundzahnrädern kämmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5, 60) mit einer (7) der konzentrischen Wellen (7,8) sowie mindestens zwei Drehkolben (1,3) verbunden ist und daß die auf den konzentrischen Wellen (7,8) befestigten Zahnräder ebenfalls exzentrisch sitzende Rundzahnräder (15,16) sind.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Gehäuse (5) an seiner Innenseite durch einen Innenring (6) abgedeckt ist, der mit mindestens zwei weiteren Drehkolben (2,4) und der zweiten konzentrischen Welle (8) verbunden ist.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Gehäuse (5) einerseits und der Innenring (6) anderseits konische Dichtflächen (9) aufweist.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den konischen Dichtflächen (9) des Innenringes (6) Nuten zur Aufnahme von gefederten Dichtringen (103) vorgesehen sind und die Dichtringe (103) konische Oberflächen aufweisen, die mit den konischen Dichtflächen (9) des Gehäuses (5) zusammen wirken.

5. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gehäuse (5) eine Auspuffangdose (13) verbunden ist, die einen zur Drehachse des Gehäuses (5) koachsialen Auslaß (22) aufweist.