DE3610108C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Viertakt-Verbrennungsmotoren sind seit langem bekannt und in unzäh­ ligen Varianten vorgeschlagen oder gebaut worden, so daß sich eine nähere Beschreibung ihres Prinzips erüb­ rigt. Am bekanntesten und fast ausschließlich in der Praxis benutzt, ist der Hubkolbenmotor, der jedoch gravierende Nachteile hat, die bis heute nicht zufrieden­ stellend behoben werden konnten. Vor allem sind die oszillierenden Massen nachteilig, da sie Unwuchten aufweisen, die zu Schwingungen führen. Außerdem ist es energietechnisch gesehen widersinnig, zunächst eine Linearbewegung zu erzeugen, die dann in eine Rotations­ bewegung umgesetzt werden muß. Man benötigt also Hubkol­ ben, Pleuelstangen zum Umsetzen der Bewegung und Kurbel­ wellen. Außerdem erzeugen die Pleuelstangen Seitenkräfte, die schädliche Reibungen an den Zylinderwänden bewirken.

Die Hubkolbenmotore arbeiten zumeist im Viertaktverfahren und benötigen daher Ventile, da die Zylinder während des Arbeits­ taktes für die Zufuhr des Luft/Kraftstoff-Gemisches oder der Luft verschlossen und für den Abzug der Abgase wieder geöffnet werden müssen. Die Ventilsteuerung ist bekanntlich sehr kritisch und aufwendig, was auch die Drehzahl des Motors begrenzt.

Mit dem Kreiskolbenmotor hatte man geglaubt, diese Nachteile und Schwierigkeiten überwinden zu können, doch hat die Praxis gezeigt, daß auch dieser Motor Nachteile hat, die eine Verdrängung des Hubkolbenmotors nicht zuließen.

Auch andere Vorschläge zur Verbesserung des Hubkolben­ motors haben nicht zum erwarteten Erfolg geführt.

Ein besonderer Viertakt-Drehkolbenmotor ist in der DE-OS 32 04 017 offenbart, bei dem zwei miteinander verbundene Drehschieberpumpen verwendet werden, zwischen denen ein getrennter, externer Brennraum vorgesehen ist, der als Zwischenspeicher für das komprimierte Gas erforderlich ist. Für das Zusammenspiel der beiden Motorteile sind jedoch komplizierte Ventilsteuerungen notwendig, die den an sich schon aufwendigen Motor noch mehr in seiner Anwendungsmöglichkeit einschrän­ ken dürften.

Wie sehr man sich bemüht hat, brauchbare Rotationsmotore zu schaffen, zeigt auch die DE-OS 23 25 197. Hier sind zwei Rotationsmotore parallel geschaltet, die einen gemeinsamen externen Brennraum aufweisen. Trotz dieser Parallelschaltung bleibt die Gesamtanordnung ein Zwei­ taktmotor.

Ferner zeigt die DE-OS 15 76 240 einen Verbrennungsmotor, bei dem ein rotierender Zylinderkörper mit 92° versetz­ ten, hintereinander angeordneten Zylinderbohrungen, in denen je ein Zylinderkolben gleitet, vorgesehen ist. Ferner sind auf einer exzentrischen Antriebsachse zwei um 180° gegeneinander versetzte Exzenterscheiben angeordnet, von denen je eine in eine kreisförmige Aussparung des zugeordneten Kolbens eingreift, wobei die Aussparung als Ablauffläche für die Exzenterscheibe dient. Beim Antreiben des Motors bewegt sich der Kolben in bezug auf den sich drehenden Zylinderblock hin und her, während die absolute Bewegung des Kolbens kreis­ förmig ist. Damit erzielt man, daß kein Totpunkt der Kolbenbewegung auftritt.

Auch dieser Motor ist systembedingt ein Zweitaktmotor, der sich nicht durch einfaches Verdoppeln in einen Viertaktmotor erweitern läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsmotor, mit einem rotierenden Zylinderkörper und versetzten, hintereinander angeordneten Zylinder­ bohrungen, in denen je ein Zylinderkolben gleitet, zu einem arbeitsfähigen Viertakt-Verbrennungsmotor zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Motor besteht aus zwei identischen Motorteilen (Vorbereitungsteil, Arbeitsteil), die folgenden Aufbau aufweisen: zwei parallele, um 90° gegeneinander verdrehte Zylinder mit je einem in ihnen gleitenden Kolben, je eine zu den Seitenwänden der Zylinder mittig in dem Kolben angeord­ nete Exzenterscheiben, wobei die beiden Exzenterscheiben um 180° gegeneinander versetzt auf einer ortsfest ge­ lagerten Exzenterwelle sitzen und in kreisförmigen Aussparungen der Kolben abrollen können, einen Rotor mit einer zur Exzenterwelle parallelen aber versetzten Drehachse, in welchen die Zylinder fest eingebettet sind, und daß jeder Rotor von einem zylindrischen Gehäuse umgeben und in diesem drehbar gelagert ist und die beiden Gehäuse spiegelbildlich miteinander fest und dicht verbunden sind, und daß jeder Rotor an den Stirn­ seiten des Kolbens eine Ein- bzw. Austrittsöffnung aufweist, daß ferner die Wandstärke der Gehäuse auf etwa 180° ihres Umfanges reduziert sind, so daß Ansaug- bzw. Auslaßschlitze zwischen Gehäuse und Rotor entstehen, an denen die Einlaß- bzw. Auslaßstutzen für das Kraft­ stoffgemisch bzw. die Verbrennungsrückstände angesetzt sind, wobei die beiden Stutzen bezüglich des Umfangs der Gehäuse um 180° versetzt sind, und daß schließlich im Arbeitsteil die Zündkerze angeordnet ist.

Bei der Erfindung geht es vor allem darum, zwei identische Motorteile zu verwenden, die aber nicht einfach parallel oder hintereinander geschaltet sind, sondern von denen der eine als Vorberei­ tungsteil und der andere als Arbeitsteil eingesetzt wird. Diese neuartige und vorteilhafte Zusammenschaltung der beiden Motorteile ergibt dann den erfindungsgemäßen Vier­ takt-Verbrennungsmotor.

Als wesentlicher Vorteil ist zu nennen, daß der neue Motor keine oszillierenden Hubbewegungen des Kolbens ausführt, die in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden müßten. Man benötigt deshalb auch keine Pleuel­ stangen, die die obengenannten schädlichen Seitenkräfte erzeugen. Da sich der Kolben gleichmäßig dreht und dabei seine Gleitbewegung ausführt, ist es auch nicht nötig, ihn ständig zu beschleunigen bzw. abzubrem­ sen. Ferner werden die vier Motortakte in einem Arbeits­ takt erzielt, wobei die Antriebswelle (Kurbelwelle) sich doppelt so schnell dreht wie die Zylinder, d. h. in einem Arbeitstakt dreht sich der Zylinder um 180° und die Kurbelwelle um 360°.

Durch die paarweise Anordnung von Zylinder und Kolben mit synchronem Antrieb wird erreicht, daß die Kraft während der gesamten 360°-Umdrehung der Kurbelwelle übertragen wird. Im Vergleich hierzu benötigt man bei den herkömmlichen Viertakt-Motoren für einen Arbeitstakt zweimal 360°-Umdrehungen der Kurbelwelle, wobei die Kraftübertragung aber nur während 180°, d. h. bei einem Viertel des Arbeitstaktes erfolgt.

Ferner weist der neue Motor auch keine Ventile auf, so daß alle mit ihnen verbundenen Nachteile und Schwie­ rigkeiten vermieden sind, und die Einlaßöffnung für das Kraftstoffgemisch und die Auslaßöffnung für die Reste des verbrannten Gemisches können relativ groß sein.

Durch die Verwendung von zwei versetzten Zylindersystemen erhält man keine Totpunktsituation und damit eine optima­ le Kraftverteilung.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschrei­ bung. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den neuen Motor,

Fig. 2 den Schnitt D-D der Fig. 1,

Fig. 3 und Fig. 4 den Arbeitsablauf des Motors gemäß Schnitt E-E der Fig. 1 und

Fig. 5 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel und seinen Arbeitsablauf.

Der Aufbau des Motors wird zunächst anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Wie man sieht, besteht der Motor aus einem oberen Teil A, dem sogenannten Arbeits­ teil, und dem unteren Teil B, dem sogenannten Versor­ gungsteil.

Die Bedeutung von Arbeits- und Versorgungsteil wird weiter unten erläutert. Die beiden Motorteile sind identisch und spiegelbildlich zusammengefügt. Es genügt daher, nur den einen Motorteil zu beschreiben, wobei für den zweiten Motorteil die gleichen Bezugszeichen eingetragen sind.

Aufbau des Motors

Der Motor weist eine Welle 1 auf, auf der zwei, um 180° gegeneinander versetzte Exzenterscheiben 2 und 3 sitzen, die in die senkrecht zur Welle 1 liegenden Kolben 4 und 5 eingreifen, wobei letztere um 90° gegen­ einander verdreht sind und in den Zylindern 6 bzw. 7 gleiten. Die Zylinder 6 und 7 sind in den Rotor 8 dicht eingelassen, der sich um die Achse C, die in einer zur Welle 1 parallelen Ebene liegt und gegenüber der Welle 1 in der Bildebene nach unten bzw. nach oben versetzt ist, auf den Lagern 9 und 10 dreht. Die Exzenterscheiben 2 und 3 sind in dem Kolben 4 bzw. 5 über das Nadellager 11 (Fig. 2) gelagert, so daß beim Drehen der Welle 1 die Exzenter­ scheiben an dem Nadellager 11 abrollen und die Kolben 4 und 5 in Drehung versetzen. Wegen der versetzten Welle 1 und Achse C entsteht hierbei eine Über- bzw. Untersetzung von 1 : 2 bzw. 2 : 1, so daß sich bei einer Drehung des Rotors 8 um 180° die Kolben 4 und 5 um 360° und damit die Exzenterwellen 1 um 360° drehen. Die hier erreichte Über- bzw. Untersetzung folgt dabei dem im deutschen Patent 31 06 464 geschützten Prinzip. Die Bedeutung dieser Übersetzung wird weiter unten im Zusammenhang mit dem Funktionsablauf erläutert.

Die Rotoren 8 sind von einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse 12 bzw. 13 umgeben, wobei das Gehäuse 13 einen Einlaufstutzen 14 und das Gehäuse 13 einen Auslaufstutzen 15 aufweist. Die Rotoren 8 können sich in den Gehäusen 12 und 13 drehen. Wie man ferner sieht, ist die Wandung des Gehäuses 12 auf der linken Seite auf einem Umfang von etwa 180° dünner als am übrigen Umfang, während diese Verdünnung bei dem Gehäuse 13 auf der rechten Seite vorhanden ist. Hierdurch entstehen Ansaug- bzw. Auslaßschlitze 16 bzw. 17. Durch diese unterschiedliche Wandstärke entsteht der Hohlraum 16 bzw. 17 für die Aufnahme des Kraftstoffgemisches bzw. der Verbrennungs­ rückstände.

Die beiden Gehäuse 12 und 13 sind dicht miteinander verbunden. Die Zylinder 6 und 7 weisen Durchbrüche 18 und 19 auf, so daß der Kraftstoff in die Zylinder eindringen bzw. wieder austreten kann. Auf der linken Seite des Motors (Fig. 2) ist die Zündkerze 20 ange­ deutet. Die beiden Exzenterwellen 1 sind über das Ge­ triebe 21, 22 miteinander gekoppelt, so daß ein synchro­ ner Umlauf mit verkehrtem Umlaufsinn erfolgt.

Arbeitsweise des Motors

Die Funktion und Arbeitsweise des Motors wird anhand der Fig. 3a-3e und 4a-4e erläutert.

Der untere Teil des Motors wird als Versorgungsteil und der obere Teil als Arbeitsteil bezeichnet, was aus der folgenden Erläuterung klar wird.

Es wird angenommen, daß der Rotor 8 (Fig. 3a) des Ar­ beitsteils mittels eines Anlassers in Richtung des Pfeils 23 in Drehung versetzt wird. Dann drückt bei­ spielsweise der Zylinder 4 auf die Exzenterscheibe 2 und versetzt so die Exzenterwelle 1 in gleicher Rich­ tung in Umdrehung, wie durch den Pfeil 24 angedeutet ist. Über das Getriebe 21, 22 werden der Rotor 8 und die Welle 1 des Vorbereitungsteils in umgekehrter Rich­ tung angetrieben, wie die Pfeile 29 und 30 zeigen.

Dabei wird über den Stutzen 14 Kraftstoffgemisch in den Bereich 16 angesaugt. In dem Zylinderraum 25 soll sich schon Kraftstoffgemisch befunden haben. Wie die Fig. 3b bis 3d erkennen lassen, wird mit weiterer Um­ drehung des Zylinders 4 der Raum 25 immer kleiner, da der Kolben 4 in dem Hohlzylinder 6 gleitet, so daß das in dem Raum 25 befindliche Kraftstoffgemisch verdichtet wird. Der Zylinderraum 26, der an der entge­ gengesetzten Seite des Kolbens 4 liegt, wird bei dieser Drehbewegung immer größer und gestattet über den Durch­ bruch 18 den Eintritt des Kraftstoffgemisches. Wenn der Rotor eine Drehung von 180° vollführt hat, was man an dem Pfeil 23 in Fig. 3e erkennt, zeigt der Pfeil 24, daß die Exzenterwelle 1 360° zurückgelegt hat. Nach dieser 360°-Drehung des Kolbens 4 (Fig. 3e) ist der Raum 25 am kleinsten und das Kraftstoffgemisch am stärksten verdichtet. In dieser Stellung stehen sich die Durchbrüche 18 und 19 der Zylinder 6 gegenüber, so daß das verdichtete Kraftstoffgemisch in den Arbeits­ teil des Motors übergeben werden kann. Die Stellung der Fig. 3e entspricht also der Stellung der Fig. 3a, nur daß alle Kolben eine 180°- und die Exzenterwellen eine 360°-Umdrehung gemacht haben, d. h., daß wie bei herkömmlichen Motoren ein kompletter Viertakt in einem Arbeitstakt durchgeführt wurde nämlich Ansaugen des Kraftstoffgemisches bis zum Ausstoßen der verbrannten Restbestände.

Dies wird bei der Beschreibung der Stellungen des Ar­ beitsteiles deutlich.

Gemäß Fig. 3a war angenommen, daß beim Starten mit dem Anlasser im Versorgungsteil Kraftstoffgemisch vorhan­ den war. Dann ist auch im Arbeitsteil das Kraftstoff­ gemisch soweit verdichtet, daß es gezündet werden kann, wenn der Kolben 4 b in den Bereich der Zündkerze 20 gedreht wird (Fig. 3b). Beim Zünden wird Kraft auf den Kolben 4 b in Richtung des Pfeiles 31 ausgeübt, die über die Exzenterscheibe 2 b die Welle 1 b in Drehung versetzt. Beim weiteren Drehen des Rotors 8 b bzw. des Kolbens 4 b gelangt der Zylinderraum 27 mit der Öffnung 28 in den Bereich des Auslaufschlitzes 17, so daß das verbrannte Kraftstoffgemisch ausgestoßen werden kann. In Fig. 3e ist wieder die Ausgangsstellung mit um 180° verdrehtem Rotor 8 b und um 360° verdrehter Exzenterwelle 1 dargestellt. Das Erreichen der Ausgangsstellung bedeu­ tet also einen Arbeitstakt; während dieses Arbeitstaktes sind jedoch die vier Takte eines Verbrennungsmotors durchgeführt worden.

Wie man ferner erkennen kann, treten keine oszillierenden Bewegungen der Kolben auf, die in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden müßten. Die Kolben 4 a und 4 b drehen sich kontinuierlich und führen dabei eine Hubbe­ wegung aus, so daß auch keine Beschleunigungs- bzw. Abbremskräfte erforderlich sind.

Durch die Kopplung der beiden Motorenteile über das Getriebe 21, 22 wird der Versorgungsteil synchron von dem Arbeitsteil angetrieben.

Wie anhand der Fig. 1 und 2 erläutert wurde, hat jeder Motorteil zwei um 90° gegeneinander verdrehte Kolben, in die die Exzenterscheiben 2, 3 eingreifen.

Fig. 4a-4e zeigen nun den Arbeitsablauf des zweiten Kolbenpaares, der sich ohne weiteres aus den Darstel­ lungen in Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 3a-3e ergibt.

In der Ausgangsstellung liegen die Kolben 5 a und 5 b waagrecht, d. h. im Arbeitsteil ist das Ansaugen des Kraft­ stoffgemisches in den Zylinderraum 33 schon im Gange, während in dem Zylinderraum 32 die Verdichtung schon fortgeschritten ist. Im Arbeitsteil hat die Zündung schon stattgefunden, und die Verbrennungsrückstände werden über den Auslaufstutzen 15 ausgetrieben. Beim weiteren Drehen des Kolbens ergeben sich dann die oben zu Fig. 3a-3b beschriebenen Abläufe.

Wie aus der Patentschrift 31 06 464 bekannt ist, hat die Verwendung von zwei gegeneinander versetzten Ex­ zenterscheiben den Vorteil, daß die Kraftübertragung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle optimal ist. Dies ist auch hier der Fall. Ferner ergibt sich der Vorteil, daß ständig Kraftstoffgemisch angesaugt wird und daß die Kraftübertragung auf die Antriebswelle für das Kraftfahrzeug auf vollen 360° stattfindet.

Die Beschreibung hat ferner gezeigt, daß keine Ventile und keine Pleuelstange erforderlich sind, da keine Hin- und Herbewegung auftritt, die in Rotationsbewegung umgesetzt werden müßte.

Die erforderlichen Abdichtungen sind nicht besonders beschrieben, da diese vom Fachmann in geeigneter Weise durchgeführt werden können.

Das beschriebene Beispiel kann selbstverständlich noch in mannigfacher Weise mit dem Wissen des Fachmannes modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, insbesonders können das Material und die Formgestaltung abgewandelt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aber, wenn man die Stirnseiten der Kolben des Arbeitsteils des neuen Motors plan ausbildet, wie es auch aus den Figuren des beschriebenen Beispiels zu ersehen ist. Die Kolben des Vorbereitungsteils sind nämlich an ihren Stirnseiten gekrümmt, so daß sie an der Innenseite des Rotors 8 formschlüssig anliegen können. Die planparallele Ausbildung bringt den Vorteil, daß der Übergaberaum im Arbeitsteil größer ist und somit das verdichtete Kraftstoffgemisch besser übernommen werden kann.

Wie weiter oben gesagt, soll die Anordnung der Zündkerze 20 so sein, daß sich eine optimale Zündung des Kraft­ stoffgemisches ergibt. In diesem Sinne geht eine andere Weiterbildung der Erfindung dahin, die Nullstellung der beiden Systeme im Vorbereitungs- und Arbeitsteil nicht exakt spiegelbildlich symmetrisch zu machen, sondern die Nullstellung in dem Arbeitsteil um 45° im Uhrzeigersinn zu verdrehen. Diese Anordnung bringt den Vorteil, daß während einer 45°-Drehung des Zylinders des Arbeitsteils eine Nach- bzw. eine Zusatzverdichtung stattfindet, so daß die Zündung im optimalen Zeitpunkt erfolgen kann.

Es ist selbstverständlich auch möglich, bei dem neuen Motor eine Einspritzung des Kraftstoffes vorzusehen.

Dabei ist es zweckmäßig, die Einspritzdüse so anzuordnen, daß die angesaugte Luft schon etwas verdichtet ist, wenn die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt.

Zur Veranschaulichung der beiden letztgenannten Weiter­ bildungen dienen die Fig. 5a-5e.

Aus der Erläuterung gemäß den Fig. 3 und 4 läßt sich der Ablauf bei dem Einspritzmotor leicht erkennen. Der Rotor 34 des Vorbereitungsteils dreht sich im Sinne des Pfeils 35 (Fig. 5a). Nach etwa 45° Drehung (Fig. 5b) ist die über den Stutzen 36 angesaugte Luft schon etwas verdichtet, d. h. in diesem Bereich erfolgt dann die Ein­ spritzung des Kraftstoffes, wie man an der Einspritzdüse 37 erkennen kann. Der weitere Ablauf ist dann wie vor­ stehend beschrieben. Man erkennt auch hier, daß sich die Exzenterwelle 38 bzw. die Exzenterscheibe 39 um 360° gedreht hat, wie der Pfeil 40 zeigt, während der Rotor 30 sich nur um 180° gedreht hat, wie der Pfeil 31 zeigt.

Claims (5)

1. Viertakt-Verbrennungsmotor, bei dem in einem rotationssym­ metrischen Gehäuse ein Zylinderkörper (Rotor) drehbar gelagert ist, der zwei um 90° versetzte, bezüglich der Drehachse des Zylinderkörpers hintereinander angeordnete Zylinderbohrungen aufweist, in denen je ein zylindrischer Kolben gleitbar vorgesehen ist und bei dem auf einer zur Drehachse des Zylinderkörpers exzentrisch gelagerten Antriebsachse zwei hintereinander angeordnete, in entspre­ chender kreisförmiger Aussparungen der Kolben eingreifende Exzenterscheiben angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Motore (A, B) achsparallel und gegeneinander abgedichtet in einem gemeinsamen Gehäuse (12, 13) angeord­ net sind und ein gemeinsamer Antrieb der exzentrischen Antriebswellen (1) derart vorgesehen ist, daß die beiden Rotoren (8) gegensinnig rotieren, daß die Rotore (8) an den Kopfenden der Zylinderbohrungen (6, 7) sowie die Trennwandung zwischen den Gehäuseteilen (12, 13) sich entsprechende Durchbrüche (18, 19) aufweisen, daß ferner das Teilgehäuse (12) einen Eintrittsstutzen (14) für den Kraftstoff und das Teilgehäuse (13) einen Austritt­ stutzen (15) für die Abgase aufweist und im Bereich des Eintritts- bzw. Austrittsstutzens durch Verringerung der Wandstärke der Gehäuse (12, 13) auf deren Umfang von etwa 180° Ansaug- bzw. Auslaßschlitze (16, 17) gebildet sind, und daß schließlich am Teilgehäuse (13) die Zündkerze (20) angeordnet ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite der Kolben (4) des Arbeitsteils (A) planparallel ausgebildet sind.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nullstellung der Rotor (8) des Motorteils (A) gegenüber der Nullstellung des Rotors (8) des Motor­ teils (B) um etwa 45° im Uhrzeigersinn verdreht ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Vorbereitungsteil (B) Einspritzdüsen (37) für den Kraftstoff vorgesehen sind.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen (37) um 45° entgegen dem Uhrzeiger­ sinn versetzt sind.