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Verbrennungskraftmaschine mit ringförmigem Zylinder und Kolben. Die
Erfindung bezieht sich auf Verbrennungskraftmaschinen mit ringförmigem Zylinder
und zwei gegenläufigen Kolben. Zur Übertragung Ader Bewegung sind bei derartigen
Maschinen Hubscheiben angewendet worden, die mit von den Kolben getragenen Rollen
zusammenarbeiten, deren Druck auf die Hubscheiben eine gegenseitige Verdrehung zwischen
Hubscheiben und Zylinder hervorruft. Bei diesen 'Maschinen wurde bisher für jeden
Kolben eine besondere Verbrennungskammer am zugehörigen äußeren Ende des Zylinders
vorgesehen, in die die Gemischladung aus dem mittleren hohlen Teil der Maschine
unter Zuhilfenahme geeigneter Steuerorgane eingeführt wurde.
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Es wurden auch Verbrennungskraftmaschinen in Vorschlag gebracht, bei
denen eine Anzahl von gewöhnlichen Zvlindern um eine mittlere Welle angeordnet war,
in denen sich gegenläufige Kolben bewegten, wobei in jedem Zylinder eine gemeinsame
Verbrennungshammer vorgesehen war. Bei diesen Maschinen ließ sich teils die Einführung
der Gemischladung und Abführung der verbrannten Gase schlecht verwirklichen, teil
mußte in jedem Zylinder und somit in der gesamten Maschine ein erheblicher schädlicher
Raum in Kauf genommen «-erden, in welchem große 'Wengen verbrannter Gase zurückblieben,
die den Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigten.
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Diese Nachteile werden nach der Erfindung vermieden, indem die für
die gegenläufigen Kolben gemeinsame Explosions- oder Verbrennungskammer, in welcher
sich die Kolben bis auf einen geringen Zwischenraum nähern, mit einem ringsum laufenden
Kanal in der inneren Zylinderwand in Verbindung steht, welcher bei Verschiebung
der ge:vöhnlich sehr einfachen Steuerorgane abwechselnd als A.uslaß für die verbrannten
Gase und als Eimaß für das Brennstoff-Luft-Gemisch dient.
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Da die verbrannten Gase durch die sich .bis auf einen geringen Zwischenraum
nähernden Kolben fast völlig ausgetrieben werden, arbeitet die neue Maschine stets
mit reinem Gemisch und :daher mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad. Die Hubscheiben
können zudem noch so angeordnet werden, .daß sie eine möglichst ;große Maschinenleistung
ergeben.
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:Auf der Zeichnung ist die Erfindung in Form eines A.usführ@ungsboispieles
veranschaulicht.
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Abb. i ist ein achsialer Längsschnitt durch eine Verbrennungskraftmaschine
gemäß der Erfindung.
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Abb. z_ ist ein Ouerschnitt nach Linie 2-2 der Abb. i.
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A.bb. 3 ist eine Seitenansicht in verkleinertem Maßstabe.
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Abb. 4 ist ein Längsschnitt durch den mittleren Teil der Maschine,
die Steuerung in vergrößertem Maßstabe zeigend.
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Abb.5 ist gleichfalls ein Längsschnitt des mittleren Teiles der Maschine,
jedoch mit einem Absperrschieber an Stelle :der Ventileinrichtung.
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Abb. 6 veranschaulicht eine Hälfte einer der beiden Kurvenbahnen der
Maschine aufgerollt.
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Der Arbeitszylinder der Maschine ist ringförmig.
Bei
idem veranschaulichten Ausführungsbeispielbildet das Gestell die äußere Wand i :des
Arbeitszylinders. Seine Innenwand wind von einem Zylinder 2 gebildet, ider an den
Zylinderdeckeln 3 befestigt isst, die ihrerseits mit ,dem Außenzylinder verbunden
sind. In den auf :diese Weise gebildeten Arbeitsräumen befinden sich zwei ringförmige
Kolben 4 und 5, :die je zwei Kolbenstangen 6 und 7 btzw. 8 .und 9 tragen, welche
diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet sind. Je zwei - einem Kolben angehörende
Kolbenstangen sind mit ihren äußeren Enden an einen Querträger io bzw. ii angeschlossen.
Diese Querträger besitzen Laufrollen 13, die auf Kugellager 12 aufgesetzt sind,
und auf Kurvenbahnen 14 bzw. 15 laufen, welche an den auf der Maschinenwehe 18 aufgesetzten
Stirnscheiben 16 bzw. 17 befestigt sind. Die Maschinenwelle durchzieht die
Maschine -in der Achse -des ringförmmigen Arbeitsraumes und wird von in den
Zylinderdeckeln 3 vorgesehenen Kugellagern ig getragen. Auf Verlängerungen der Querstücke
io und i i sitzen auf Kugellagern angeordnete Führungsrollen 2o, die in Führungen
ai gleiten, welche am Gestell oder am Außenzylinder befestigt sind. An dem Gestell
ist ferner ein zylindrisches Gehäuse 22 für eine Druckfeder 2,3 vorgesehen,
die die Querstücke io und ii beeinflußt. Entgegengesetzt zu dieser Federeinrichtung
ist ein zylindrisches Gehäuse 24 vorgesehen, das zwei Plungerkolben 25 und 26 enthält,
die an,die Querstücke io und i i beziehungsweise angeschlossen sind. Diese Einrichtung
wirkt für idie letzteren als Luftpuffer oder Dämpfer.
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In der Wand :des inneren Zylinders :2 ist ein transversaler Durchgang
27 vorgesehen (Abib. i und 4), der über den ganzen Umfang dieses Zylinders sich
erstreckt mit Ausnahme ,der Stellen von Zwischenstücken 28 (Abt. 2), die idie beiden
nebeneinanderliegenden Teile ,des Zylinders verbinden. Im Innern des Zylinders 2
;befindet sich ein gleichachsig angeordneter, hülsenförmiger Körper 29, der in achsialer
Richtung verschiebebar gelagert und mit einem Mittelflansch 3o ausgestattet ist,
-der in seiner Mittelstellung den Ringkanal 27 im Zylinder 2 absperrt. Der genannte
Flansch 3o besitzt zwei konische Flächen 3 i und 32, mit denen er .sich gegen die
Stirnflächen von zwei Gleithülsen 33 und 34 anlegt. Diese Hülsen gleiten in dem
Zylinder .2 und :bilden eine Führung für das hülsenförmige Ventil29.
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Zwischen den Hülsen 2g und 33 befindet sich ein ringförmiger Raum
35, der mit Hilfe von Öffnungen 36 in der Hülse 33 mit einem Ringkanal 37 im Zylinder
2 in Verbindung steht, -der mit einer Kammer 38 im linken Zylinderdeckel 3 verbunden
ist. Zu :dieser Kammer führt ein Einlaßkanal 39 (Abt. 3) für idie Zuführung ides
Brennstoff-Luft-Gemisches. Zwischen ;den Hülsen 29 :und 34 ist ein ringförmiger
Raum 4o gebildet, der vermittels Öffnungen 4i in der Hülse 34, eines weiteren ringförmigen
Kanals 42 in der Wand des Zylinders 2 und einer Kammer 43 in dem Zylinderdeckel
3 mit einem Auslaß 44 (Abb.3) für das Entweichen ;der Verbrennungsgase in Verbindung
steht. Die Hülsen 33 und 3q. bilden zusammen mit idem Flansch 30 auf der Hülse 29
die Steuerung für den Einlaß .des Gemisches in den Arbeitszylinder und für das Entweichen
-der Verbrennungsgase. Das linke Ende der Hülse 29 .besitzt eine Nase 45 (Abt. 4),
die, wenn :das Ansaugen des Gemisches vor sich gehen soll, von einer Rolle oder
einem Daumen 46 beeinflußt wird; diese Rolle wird von einem Ring 47 getragen, der
auf der Maschinenwelle 18 .befestigt ist. An ihrem rechten Ende besitzt idie Hülse
einen ähnlichen vorspringenden Anschlag 48, der, wenn das Entweichender verbrannten
Gase vor sich gehen soll, von :einer Rolle (oder Daumen) 49 beeinflußt wird, die
auf einem auf der Maschinenwelle 18 sitzenden Ring 5o befestigt ist. Zwischen der
Stirnseite der Hülse 33 und idem Deckel: 3 ist eine Druckfeder 5 1 eingeschaltet
und ferner auch eine solche 52 zwischen der Hülse 34 und dem anderen (rechten) Deckel
3 des Zylinders. Der äußere Zylinder i wie der innere 2 sind mit einem Hohlmantel
53 bzw. 54 versehen. Die Außenflächen fder Kolben 4 und 5 sind durch eingesetzte
Kolbenringe 55 und ihre Innenflächen :durch in :der Außenwand .des inneren Zylinders
:2 eingesetzte'Diehtungsringe 56 abgedichtet.
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Diese Verbrennungskraftmaschine, welche als Viertaktmaschine eingerichtet
ist, arbeitet in folgender Weise: Wenn beim Anlassen die Kolben auseinanderbewegt
werden, so wird: ,das Brennstoff-Luft-Gemisch in .den Zylinderrauen zwischen .den
Kolben gesaugt. Beim Beginn des Saughubes wind ,die Rolle 46 den Vorsprung 45 und
somit idie Hülse 29 nach rechts bewegen, so ,daß der Flansch 30 die Hülse 33 verläßt
uind Gemisch durch die Öffnung 39, Kammer 38, Kanäle 37 und 35 und schließlich durch
den Schlitz 27 in (den Zylinder gelangen kann. Während dieser Bewegung der Hülse
29 wird die Hülse 33 durch einen Flansch 57 in Stellung gehalten, ider von einem
Flansch 58 am inneren Zylinder gehalten wird. Andererseits wird die Hülse 34 nach
rechts gegen die Wirkung der Feder 52 bewegt. Sobald, die Rolle 46 die Nase 45 am
linken Ende der
Hülse 29 verlassen hat, so bewegt die Feder 52 die
Hülsen 29 und 34 nach links, so .daß der Flansch 30 sich wieder an die Hülse
33 anlegt und die Einströmung .des Gen Tisches unterbrochen wird. Während der Bewegung
der Kolben gegeneinander wird das zwischen ihnen befindliche Gemisch verdichtet,
das nach der Verdichtung mit Hilfe einer elektrischen Zündkerze (nicht gezeigt)
oder in anderer Weise entzündet wird. Während der nächsten Bewegung der Kolben nach
außen findet die Expansion statt. Beim Ende dieser wirkt die Rolle 49 auf .dem Ring
5o auf die Hülse 29 ein und bewegt diese nach links, wobei sich der Mittelflansch
30 von der Hülse 34 abhebt und eine Verbindung herstellt zwischen dem Raum
zwischen den Kolben und dem Auslaß 44 vermittels des Schlitzes 27, Raum q.o, Ringkanal
42 und Kammer d.3, so daß beim nächsten Einwärtshub der Kolben ,die verbrannten
Gase nach außen gedrückt werden. Die Hülse 3q. wird in ihrer Stellung durch einen
Flansch 59 gehalten, der sich gegen einen Flansch 58 am rechten Ende des inneren
Zylinders 2 anlegt.
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Da der Schlitzkana127 sich hauptsächlich auf dem ganzen Umfang des
Zylinders 2 erstreckt und die Räume 35 und 40 sehr geräumig sind, kann das Einsagen
des Gemisches in den Zvlinder und das Entfernen der verbrannten Gase mit geringer
Geschwindigkeit erfolgen, aus welchem Grunde eine wesentliche Verringerung des Eintrittsdruckes
oder eine Erhöhung des Gegendruckes beim Austritt der verbrannten Gase nicht auftreten
werden, welcher Umstand für den Wirkungsgrad ,des Motors von Wichtigkeit ist. Wie
aus der Zeichnung hervorgeht, ist die Steuerung einfach und verlangt nur einen geringen
Raum; auch ist die Länge des Ventilhubes sehr kurz.
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Die Kurvenbahnen 1.1. und 15, welche von :der 1-laschinenwelle 18
getragen werden, sind in gleicher Weise ausgebildet und angeordnet. In Abb.6 der
Zeichnung ist eine Hälfte der Kurvenbahn 1d. entwickelt dargestellt. Jede Kurvenbahn
besitzt zwei Gruppen von Kurven, von denen jede eine Kurve für,die Saugperiode,
eire für die Kompressionsperiode, eine für die Expansions- und eine für die Ausströmungsperi-ode
besitzt, so daß die Maschine bei jeder Umdrehung zwei Antriebe erhält. Infolge dieser
Anordnung sind die Antriebe im Vergleich zu einer Viertaktmaschine vervierfacht,
wobei noch der Vorteil erzielt wird, -daß das Schwungrad (oder -räder) sehr leicht
ausgeführt und die Maschine so eingerichtet werden kann, daß sie nur einen geringen
Raum beansprucht, wodurch die Herstellungskosten wesentlich herabgesetzt werden
können. Die einzelnen Kurven der Kurvenbahnen sind mit 6o, 61, 62 und 63 bezeichnet;
Kurve 6o entspricht der Expansion, Kurve 6r :der Ausströmung, Kurve 62 :dem Ansaugen
und Kurve 63 der Kompression. Während der Auswärtsbewegung der Kolben, verursacht
durch :den Druck der entzündeten Gase, -#verden die auf den Querstücken to und 2r
befestigten Rollen 13 gegen idie Kurven 6o gedrückt, wodurch ein seitlicher Druck
auftritt, welcher die Kolben um ihre Achse zu drehen sucht. Dies wird indessen durch
:die Rollen 2o verhindert, da diese in feststehenden Führungen 21 laufen und daher
den seitlichen Druck aufnehmen. Der Druck :der Kolben wird daher die Kurvenbahren
1q., 15 und somit auch die Maschinenwelle 18 drehen. Durch die Anordnung
wird ein Gegendruck zwischen den Kolben und den Wänden des Zylinders mit Energieverlust
infolge Reibung vermieden, was in jenen Maschinen der Fall ist, wo die Kraft vom
Kolben auf die Maschinenwelle vermittels einer Kurbel und einer Kurbelstange übertragen
wird. Infolge :der lebendigen Kraft, welche während des Expansionshubes in den Kurvenbahnen
(Scheiben) angesammelt wird, die für diesen Zweck entsprechend groß gemacht werden,
werden diese Kurvenbahnen mit der Maschinenwelle fortfahren, während der nächsten
Perioden, nämlich der Ausströmung, des Ansaugens und der Kompression sich zu drehen.
Während der Expansion laufen die Rollen zu den tiefsten Punkten der Kurven 6o, welche
auch die tiefsten Punkte :der ganzen Kurvenbahnen sind. Die Kolben werden dann nach
einwärts gedrückt durch die Kurven 61, wobei die Rollen 13 auf :die höchsten
Punkte der Kurvenbahnen 1q. und 15 auflaufen und somit die Kolben gegeneinanderbewegt
werden, so daß die verbrannten Gase so vollständig als möglich aus dem Zylinder
herausgetrieben werden. Bei -der Einwärtsbewegung der Kolben wirken die Feder 23
und die Plunger 25 bzw. 26 den hin und her gehenden Teilen entgegen. Während der
Umdrehung der Welle 18 und der Kurvenbahnen i¢ und 15 werden die Kolben durch die
Kraft auseinänderbewegt,welche in oder Feder 23 und den Luftpuffern 24, 25, 26 aufgespeichert
ist, wobei die Rollen längs der Kurven 62 ablaufen.
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Die in den Zylinder angesaugte Gemischladung wird: während des Laufes
der Rollgin 13 über :die Kurven 63 verdichtet, hierauf entzündet, worauf
sich der beschriebene Kreislauf wiederholt.
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Die Kurvenstücke 6o, 61, 62 und 63 haben verschiedene Höhen und Längen,
wie aus _4bb.6 hervorgeht. Die Kurve 62 für das ansaugen des Gemisches wird vorzugsweise
so niedrig gehalten, daß nur eine so bemessene
Gemischladung angesaugt
wird, welche nach der Kompression durch die Kurve 63 vollständig oder beinahe vollständig
am Ende des Kolbenhubes auf den atmosphärischen Druck expandiert wird. Da die vrebrannten
Gase beinahe vollständig aus dein Zylinder ausgetrieben werden und die nächste Ladung
somit so rein als möglich ist ,und schließlich nicht mehr Gemisch angesaugt als
bis, auf ,den atmosphärischen Druck hergbexpandiert werden kann, wird die Leistung
,der Maschine die größtmöglichste sein.
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Die Ausbildung der Maschine nach A.bb. 5 weicht von der beschriebenen
nur dadurch ab, daß ein hülsenförmiges Schieberventil 64 mit Doppelwand .an ,Stelle
der Hülsen 29, 33 und 34 vorgesehen ist. Dieses Ventil ,besitzt einen zentralen
Teil 65, der in oder :durch Abb. 5 veranschaulichten Stellung `-den Schlitz 27 des
inneren Zylinders 2 überdeckt. Zu beiden Seiten des zentralen Teiles 65 sind Öffnungen
66 und 67 vorgesehen, die finit den Räumen zwischen den Wänden,der Hülsen in Verbindung
stehen. Am linken Ende ist die Schieberhülse mit einer Seitenöffnung 68 ausgestattet,
idurch welche die linke Kammer des Ventils mit dem Raum 37, Kammer 38 und dem Gemischeinlaß
in Verbindung steht. Übereinstimmend hiermit ist am anderen Ende eine Seitenöffnung
69 angebracht, so daß die rechte Kammer des Ventils mit dem Raum 4a, Kammer 43 und
dem Auslaß für die verbrannten Gast in Verbindung gebracht ist. Die Enden der Schieberhülse
64 werden durch Federn 70 und 71 beeinflußt. Die von der Maschinenwelle 1.8
getragenen Rollen 46 und 49 wirken auf Daumen 72 und 73 ein, die an Aden Enden der
Schieberhülse derart angeordnet sind, @daß die Rolle 46 während der Umdrehung ,der
Welle 18 zum richtigen Zeitpunkt die Schieberhülse 64 entgegen dem Druck der Feder
71 nach rechts drückt, so daß die Öffnungen 66 über den Kanal 27 zu liegen kommen
und das Gemisch in den Zylinder eingesaugt wird. Die Sehieberhülse 64 kehrt dann
unter dem Einflusse .der Feder 71 in ihre Schlußstellung zurück. Während des Ausströmungshubes
wird die Schieberhülse durch Einwirkung der Rolle 49 auf den Daumen 73 nach links
gedrückt, so daß die Öffnungen 67 mit dem Kanal 27 in Verbindung ,kommen, -worauf
die Schieberhülse durch die Feder 7o in ihre .normale Stellung gebracht wird. Ein
im Zylinder befestigter und in einer Nut 75 der Schie Oberhülse 64 gleitender Keil
74 hindert die Drehung der letzteren. Wie aus den -dargestellten Ausführungsbeispielen
-der Erfindung hervorgeht, gleichen sich -die Trägheitskräfte der Kolben durch deren
gleichzeitige Bewegung von- und zueinander in einem gemeinschaftlichen Zylinder
aus. Durch diese Anordnung werden die Drücke auf die Kolben und infolgedessen auf
die Kurvenbahnen oder Daumen einander gleich, und der Achsialdruck auf die letzteren
und die Maschinenwelle wird vollkommen ausgeglichen und neutralisiert. Da die Kurven
der Kurvenbahnen so geformt sind, daß jede Kurve einer anderen auf der anderen Seite
-der Maschinenwelle entspricht, die in .bezug auf die Bewa-ungsrichtung symmetrisch
und gleich sind, und obgleich die Kurven für die verschiedenen Perioden untereinander
verglichen vQn verschiedener ,Form sein können, wie bereits früher erwähnt und in
A:bb.6 gezeigt, werden die von den beiden Rollen 13 :des ,betreffenden Rollenpaares
Übertragenden Antriebe gleichmäßig geteilt und auf jeder Seite'- der Maschinenwelle
ausgeglichen,, so @daß daher kein seitlicher, radialer Druck auf die letztere auftreten
kann.