DE3705313A1 - Pendelkolbenmaschine - Google Patents
PendelkolbenmaschineInfo
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Description
Die Pendelkolbenmaschine gehört zu dem technischen Gebiet der
Kolben-Verbrennungsmotoren, Kolbenverdichter und Kolbenpumpen.
Nach dem Stand der Technik aus "Strömungs- und Kolbenmaschinen"
von H. Th. Wagner, K. J. Fischer, J.-D. v. Frommann; "Rotationskolben-Verbrennungsmotoren"
von W.-D. Bensinger; "Naturwissenschaften
und Technik" von Brockhaus und Besuch von einschlägigen
Ausstellungen und Fachmessen, gibt es derzeit mit
Ausnahme der Luftfahrt zum Hubkolben-Verbrennungsmotor keine
Alternative, obwohl seine Nachteile allgemein bekannt sind.
Stellt man die beiden Kolbenmotorenarten mit umkehrender
Bewegung und weiterführender Bewegung gegenüber, so fällt auf,
daß die Nachteile des Hubkolbenmotors bzgl. Bauvolumen, Gewicht,
Massenkräfte, Ventiltechnik und Kurbeltrieb beim Rotationskolbenmotor
unter den Vorteilen zu finden sind und die relativen
Vorteile des Hubkolbenmotors hinsichtlich Brennraumform,
Brennraumkühlung, Abgastemperatur, Gasabdichtung und Dieseltauglichkeit
negative Eigenschaften des Rotationskolbenmotors
sind. Als entscheidender Vorteil für den Hubkolben-Verbrennungsmotor
bleibt jedoch noch der sehr hohe Entwicklungsstand gegenüber
dem Wankel-Motor.
Mit der Pendelkolbenmaschine wird ein Verbrennungsmotor vorgestellt,
welcher bzgl. der genannten Vor- und Nachteile zwischen
den beiden Motorenarten angesiedelt ist. So sind beispielsweise
umkehrende Bewegung, Brennraumkühlung, Dieseltauglichkeit,
Ventil- und Spültechnik typische Hubkolben-Merkmale, während
Aufbau, Bauvolumen, Leistungsgewicht, doppelwirkender Kolben
und Beschleunigungskräfte zum Rotationskolben tendieren. Dem
Pendelkolbenmotor eigen sind neben dem Pendelprinzip, Brennraum-
und Kolbenform, Kolben- und Mantelprofil, Kolbenführung,
Kolben- und Pendelachs-Zugänglichkeit, Gasabdichtung, Schmierung,
Kurbeltrieb mit Pendelarmbolzen-Verlagerung, Freikolbenprinzip
und Trägheitsregelung.
Zu dieser Gegenüberstellung sei aus der Sicht des Erfinders
bemerkt, daß die besonders markanten Vorteile des Hubkolben-
wie des Rotationskolbenmotors für den Pendelkolbenmotor weniger
positiv in Erscheinung treten, was jedoch auch für die
gravierenden Nachteile gilt.
Zur Darstellung der Pendelkolbenmaschine wird auf die Patentansprüche
1-6 und auf die 9 Zeichnungen verwiesen.
Der feste Kolbendrehpunkt gewährleistet durch die beidseitig
gelagerte Drehachse eine gute Kolbenführung und ermöglicht im
Gegensatz zum Rotationskolben auch unterschiedliche Profile der
Kolbenflanken und Mantellaufbahnen.
Bei geraden Profilen kann eine Mantelkonstruktion gewählt
werden, welche im Aufbau dem Rotationskolbenmotor ähnlich ist
und aus einem V-förmigen Ring - mit dem langen Bogen und dem
kurzen Bogen - und den beiden Kopfteilen besteht. In diesem
sind Brennkammermulden mit Zündkerzen oder Einspritzdüsen,
Ventile oder Spülkanäle angeordnet (s. Fig. 2 - Bauteil 1).
Zwei Seitenteile für die Abtrieb- und Ansaugseite mit je einer
Durchgangsbohrung für die Pendelachse und Pendelachslager und
evtl. Überströmkanälen sind mit dem Mantelring verschraubt.
Dazwischen liegen die Manteldichtungen. Bei dieser Ausführung
ist der Kolben mit der Pendelachse fest verbunden.
Wenn wenigstens ein Laufbahnprofil rund ist, besteht der Mantel
mit dem langen Bogen und dem kurzen Bogen und den beiden Seitenteilen
aus einem V-förmigen Block, in welchem sich die Pendelachsbohrungen
mit Pendelachslager und evtl. Einlaß-, Auslaß-
und Überströmkanäle befinden (s. Fig. 3 - Bauteil 2). Die
beiden Mantelköpfe mit Brennkammermulden etc. sind mit den
Mantelöffnungen und Kopfdichtungen verschraubt. Die Schlupf-
oder Gleitflächen des Mantels bilden hier eine durchgehende
metallische Einheit, vergleichbar mit einem kurzen gebogenen
Profilrohr. Der Kolben besitzt bei dieser Konstruktion eine
Keilnabe, in welche nach Einführung in den Mantel die Keil-Pendelachse
durch Achsbohrung hindurch eingeschoben wird und so
eine formschlüssige Drehmomentübertragung entsteht.
Der U-V-förmige Kolben hat eine gekrümmte lange und eine
halbkreisförmige kurze Flanke. Dazwischen liegt sein Drehpunkt.
Von der Seite gesehen sind die Kolbenflanken gerade, abgerundet
oder halbkreisförmig. Offene oder mit Fenstern versehene
Kolbenstirnflächen und Kolbenflanken können zur Kühlung und
Schmierung der Gleitflächen dienen. Den Zugang zum Kolbeninnenraum
gewährt die Pendelachsbohrung.
Zur Radial-, Stirnflächen- und Innendichtung am Kolben kann bei
geraden Kolbenflanken-Konstruktionen mit abschraubbaren Seitenteilen
auf die Anwendung von Wankel-Kreiskolben-Systemen mit
Dichtleisten, -bolzen und -streifen zurückgegriffen werden. Für
runde Kolbenflanken könnten Kolbenringe dem Profil angepaßt
werden.
Die Schmierung der Kolbendichtteile wird für den Zweitaktmotor
durch die Gemischführung gewährleistet. Der Viertaktmotor, oder
Zweitaktmotor mit Einspritzung, besitzt eine vom Triebwerksraum
getrennte Ölwanne, da das integrierte Kurbelgehäuse fehlt. Es
könnte deshalb auch die Kreiskolben-Schmiertechnik angewendet
werden. Eine weitere Möglichkeit der Ölzuführung bietet sich
durch die Pendelachsbohrung zum Kolbeninnenraum. Eine Druckumlaufschmierung
bespritzt von hier die Gleitflächen durch
offene Kolbenflanken und -stirnflächen (Kolbenfenster) hindurch
mit Öl, welches wie beim Hubkolbenprinzip von den Kolbenringen
oder ähnlichen Dichtteilen abgestreift und in den Ölkreislauf
zurückgeführt wird.
Die Spülung des einfach wirkenden Zweitaktmotors erfolgt im
Prinzip nach der Kurbelkastenspülung des Hubkolbenmotors.
In einer Kammer erfolgt das Verdichten, Verbrennen und Spülen
und in der anderen Kammer das Ansaugen, Vorverdichten und Überströmen
der Luft oder des Gemisches. Der Totraum (Vakuumraum)
wird vom Kolbeninnenraum gebildet. Die Überströmkanäle befinden
sich in den Seitenteilen (s. Fig. 2).
Beim doppelwirkenden Zweitaktmotor erfolgt die Spülung zweckmäßigerweise
durch die Pendelachsbohrung, den Kolben und die
Kolbenstirnflächen in die Überströmkanäle, welche sich in der
Mitte der Seitenteile befinden und das Gemisch abwechselnd in
die eine oder andere Kammer einströmen lassen (s. Fig. 3).
Die Spülung des Freikolbenmotors erfolgt im Prinzip wie beim
doppelwirkenden Zweitaktmotor.
Eine Aufladung des Zweitaktmotors kann durch die Verwendung von
selbstätig öffnenden und schließenden Einlaßventilen erreicht
werden. Nach Verschließen der Auslaßkanäle strömt die unter
einem bestimmten Druck stehende Luft durch diese Ventile weiterhin
in die Arbeitskammern ein, bis Druckgleichheit zwischen
diesen und der Druckseite besteht.
Ein Arbeitsspiel vollzieht sich während einer Kurbelwellenumdrehung
in zwei Pendelausschlägen (Takten). Schwingt der Kolben
in der Arbeitskammer her, d. h. von uT nach oT, bedeutet dies
für die Vorverdichtungskammer ein Hinschwingen von oT nach uT.
Der Kolben bewegt sich von uT nach oT. Zu Beginn dieses Taktes
wird noch durch die offenen Überströmkanäle aus der Vorverdichtungskammer
Frischladung in die Arbeitskammer hineingedrückt.
Dieser Vorgang hat bereits im letzten Teil des vorherigen
Taktes begonnen. Die Frischladung verdrängt die noch in der
Arbeitskammer befindliche verbrannte Restladung, die durch den
Auslaßkanal zum Auspuff strömt. Die Kolbenkanten verschließen
zunächst die Überströmkanäle und danach den Auslaßkanal. Jetzt
beginnt die Verdichtung. Kurz vor oT erfolgt die Zündung.
Zunächst Arbeitstakt mit der Verbrennung und der Ausdehnung der
Ladung bei gleichzeitiger Kolbenbewegung von oT nach uT. Vor
Erreichen von uT wird zuerst der Auslaßkanal freigegeben. Die
verbrannte Ladung kann entweichen, wodurch der Druck in der
Arbeitskammer stark abfällt. Kurz danach werden die Überströmkanäle
freigegeben. Die vorverdichtete Frischladung kann jetzt
in die Arbeitskammer einströmen.
Der Kolben bewegt sich von oT nach uT. Der Überströmkanal wird
verschlossen. Die restliche Frischladung entspannt sich weiter
und es entsteht ein Unterdruck in der Vorverdichtungskammer.
Kurz vor uT wird der Einlaßkanal durch die Kolbenkante freigegeben.
Die Frischladung kann einströmen.
Der Kolben bewegt sich von uT nach oT. Zu Beginn dieses Taktes
strömt noch Frischladung ein, bis der Einlaßkanal verschlossen
wird. Jetzt beginnt die Vorverdichtung und das Frischgas wird
durch die offene Kolbenseite in das Kolbeninnere gedrückt.
Kurz vor oT werden die Überströmkanäle freigegeben, wodurch ein
Teil der Ladung in die Arbeitskammer strömt.
Als Vorverdichter des Zweikammer-Zweitaktmotors und des
Freikolbenmotors kann er mit oder ohne Ventile konstruiert
werden. Verdichterkolben und Motorkolben sitzen auf einer
Pendelachse.
Als doppelwirkender Handkompressor oder Handpumpe anwendbar,
indem der verlängerte Pendelarm von Hand betätigt wird.
Als kompakter Elektro-Kompressor, welcher von einem nach dem
Pendelprinzip arbeitenden Elektromotor angetrieben wird.
Zum Antrieb von Kleingeräten und Leichtfahrzeugen geeignet.
Zwei Motoreinheiten dieses Typs in einem Motor vereinigt
ergeben den Zweikolben-Zweikammermotor. Dieser Typ ist infolge
des unveränderten Kurbeltriebmechanismus unwesentlich größer
als der Einkammer-Motor. Als leichter, laufruhiger "Zweizylinder-Zweitakter"
ist er zum Antrieb von Geräten und Fahrzeugen geeignet.
Von den Eigenschaften und dem Aufbau ist er dem Zweikolben-Zweikammermotor
sehr ähnlich und ebenso verwendbar.
Er kommt mit einem Minimum an Mechanismus aus, da der Kurbeltrieb
nicht benötigt wird. Seine abgegebene Druckenergie dient
zum Antrieb von Abgasturbinen, Druckluftwerkzeugen und Rückstoßdüsen,
welche Dreh- oder Beschleunigungsimpulse erzeugen.
Im Otto- oder Dieselbetrieb verwendbar. Als Motor für Fahrzeuge,
Maschinen und Geräte geeignet. Im Vergleich zum
4-Zylinder-Viertaktmotor dürfte er kleiner, leichter,
anpassungsfähiger und auch billiger werden.
Einfacher Aufbau, kleines Bauvolumen, geringes Gewicht.
Doppelwirkender Kolben, gute Kolbenführung durch 2fach
gelagerte Drehachse, geringere Massenkräfte. Gute Möglichkeit
der Kolbeninnenschmierung und Innenbelüftung. Kolbenflanken-
und Mantellaufbahnprofil wählbar. Einwandfreie Brennraumabdichtung.
Ein Pendelarm und eine Pleuel für mehrere Arbeitskammern. Am
Pendelarm tritt nur resultierende Kraft aller an den Kolben
erzeugten Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente auf.
Einfache Ausführung der Kurbelwelle für mehrere Arbeitskammern.
Selbstätig öffnende und schließende Einlaßventile ermöglichen
eine Aufladung des Zweitaktmotors.
Die Trägheitsregelung sorgt beim Freikolbenmotor für ein von
der Kolbenschwingungszahl unabhängiges Verdichtungsverhältnis.
Die Kombination Freikolbenmotor - Abgasturbine dürfte einige
Nachteile des Kolbenmotors und der Turbine reduzieren, indem
ein Teil der üblichen Verluste bei Kolbenverbrennungsmotoren
in Form von Restdruck wegen der begrenzten Expansionsmöglichkeit
im Brennraum und erhöhter Temperatur der Abgase, welche
zusammen in der Regel bei 35% liegen, nutzbar gemacht werden
kann. Zum anderen könnte der Betriebsdruck in kleinen Turbinen
erhöht werden.
Besonders für den Viertaktmotor ermöglicht das regulierbare
Verdichtungsverhältnis eine gute Anpassung des Triebwerks an
die verschiedenen Bedingungen bzgl. Betrieb und Kraftstoff.
Eine völlige Neutralisierung der Massenkräfte, Dreh- und Kippmomente
kann beim Viertaktmotor erreicht werden, indem 2 Motoren
parallel zueinander in einem Block vereint und alle
bewegten Teile und Abläufe gegenschwingend bzw. -läufig sind.
Erfahrungsmangel bzgl. Konstruktion, Herstellungskosten und
Wirtschaftlichkeit.
Mantel: 1 Mantelring mit Kopfteil
2 Mantelblock mit Seitenteilen (Zwischenteil)
3 langer Bogen
4 kurzer Bogen
5 Mantellaufbahn, Mantellaufbahnprofil
6 Mantelkopf
7 Manteldichtung, Kopfdichtung
8 Arbeitskammer, Brennkammermulde
9 Zündkerze, Einspritzdüse
10 Seitenteil-Abtriebseite, -Antriebseite
11 Seitenteil-Ansaugseite, -Verdichterseite
12 Zwischenteil
13 Auslaßkanal
14 Einlaßkanal
15 Überströmkanal
16 selbstätig öffnendes u. schließ. Auslaßventil
17 selbstätig öffnendes u. schließ. Einlaßventil
Kolben:18 Kolben, Zweitakt-, Viertakt-, Verdichterkolben
19 Kurvenerzeugungs-, Dreh-, Kolbendrehpunkt
20 Kolbenflanken, Kolbenflankenprofil
21 lange Kolbenflanke, gekrümmte Kolbenflanke
22 kurze Kolbenflanke, halbkreisförm. Kolbenflanke
23 Kolbenstirnfläche
24 Kolbenseite, Kolbenmulde
25 Kolbennabe, Keilnabe
26 Kolbenöffnung, Kolbenfenster
27 Kolbeninnenraum, Totraum, Vakuumraum
28 Kolbenringe, -Bolzen, -Streifen, -Dichtleisten
29 Kolbenschwerpunktverlager., Trägheitsregelung
Pendelachse:30 Drehachse, Pendelachse, Keil-Pendelachse
31 Pendelachsbohrung
32 Pendelachslager
Kurbeltrieb:33 Pendelarm
34 Pendelarmbolzen, Pendelarmbolzen-Verlagerung
35 Pleuelstange
36 Kurbelwelle
Claims (8)
- Die Pendelkolbenmaschine ist eine Kraft- und Arbeitsmaschine, deren veränderliches Volumen ähnlich dem Hubkolbenprinzip durch eine umkehrende Bewegung zustande kommt. Das Pendelkolbenprinzip eignet sich zur Konstruktion von Verbrennungsmotoren, Verdichtern und Pumpen.
- Die Erfindung ist nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. sein Leistungsteil (Kolben) doppelwirkend ist, dessen Schwerpunkt um einen festen innenliegenden Kurvenerzeugungspunkt (Kolbendrehpunkt, Drehachse oder Pendelachse) in einem konstruktionsmäßig vorbestimmten, verstellbaren Winkel innerhalb eines V-förmigen ruhenden Mantels hin und her pendelt. Die Pendelachse in beiden Mantelseitenteilen gelagert ist und an der Abtrieb- bzw. Antriebseite aus dem Mantelblock zur Arbeitsentnahme oder zum Antrieb herausragt. Die Kolbenflächen während dieser Pendelausschläge an den Mantelflächen entlangschlupfen und die beidseitig des Kolbens befindlichen Arbeitskammern zueinander und zur Drehachse abdichten. Dabei brauchen stets nur zwei Körper zueinander abgedichtet werden. Die beiden Arbeitskammern an den den Kolbenseiten abgewandten Öffnungen von den Mantelköpfen mit Kopfdichtungen abgedichtet werden. Der feste Kolbendrehpunkt gerade, abgerundete oder halbkreisförmige Konstruktionen der Kolbenflanken- und Mantellaufbahnprofile ermöglicht, und zwar auch innerhalb eines Mantelblocks für den langen Bogen und den kurzen Bogen. Der Kurbeltrieb die hin und her gehenden Pendelausschläge der Drehachse über den Pendelarm mit dem Pendelarmbolzen auf die Pleuelstange und Kurbelwelle überträgt und in eine Drehbewegung umwandelt. Die Pendelarmbolzen-Verlagerung den Pendelausschlag des Kolbens und somit das Verdichtungsverhältnis in den Arbeitskammern verändert, indem der Pendelarmbolzen mechanisch oder hydraulisch zum oder vom Drehachsmittelpunkt verlagert wird.
- 2. der Pendelkolben-Verdichter nach Anspruch 1 arbeitet und durch eine gemeinsame Pendelachse mit dem Motorenteil gekoppelt ist, oder fremd angetrieben wird.
- 3. der Pendelkolben-Einkammer-Zweitaktmotor nach Anspruch 1 im Prinzip wie ein Einzylinder-Zweitaktmotor mit Kurbelkastenspülung funktioniert, wobei in einer Kammer die Verdichtung, Verbrennung und Spülung stattfindet und in der anderen Kammer das Ansaugen, Vorverdichten und Überströmen der Luft oder des Gemisches vollzogen wird. Der Totraum im Gegensatz zum Kurbelkasten beim Hubkolbenmotor, im Innenraum des Pendelkolbens liegt.
- 4. der Pendelkolben-Zweikammer-Zweitaktmotor nach Anspruch 1 über die gemeinsame Pendelachse mit dem Verdichter gekoppelt ist. Die Spülluft oder das Gemisch durch den Verdichterkolben in die Pendelachsbohrung, den Zweitaktkolben und die Überströmkanäle in die Arbeitskammern gedrückt wird. Jeder Pendelausschlag des Kolbens von einem Expansionshub in einer Kammer eingeleitet und von einem Verdichtungshub in der anderen Kammer beendet wird, d. h. der Kolben fortlaufend zwischen beiden Druckgebilden hin und her schwingt. Selbstätig öffnende und schließende Einlaßventile im Kolben oder Mantel nach Verschließen der Ein- und Auslaßschlitze noch Luft oder Gemisch in die Arbeitskammern einströmen lassen und somit eine Aufladung des Zweitaktmotors ermöglichen.
- 5. der Pendel-Freikolbenmotor nach Anspruch 1 und 4 wie ein doppelwirkender Zweitaktmotor mit Kraftstoffeinspritzung arbeitet, der Kurbeltrieb mit der mechanischen Veränderung des Verdichtungsverhältnisses jedoch entfällt. Die vom Motor verrichtete Arbeit deshalb ausschließlich thermo-dynamischer Art ist und nur zur Erzeugung von Gasdruck aus Luft und Abgasen besteht. D. h. daß vom Verdichterteil während des Spülvorganges möglichst viel Frischluft durch die Arbeitskammern gedrückt wird, um einerseits eine Fremdkühlung des Motors zu erübrigen und andererseits das Spülluftvolumen durch die weitere Erwärmung zu vergrößern. Die überschüssige Druckluft zur Außenkühlung des Motors dient und zusammen mit den aus den Auslaßschlitzen strömenden Abgasen und der erwärmten Frischluft in eine Druckleitung oder Druckkammer gelangt, wo eine Turbine die gesamte Druckenergie in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Die Trägheitsregelung das Verdichtungsverhältnis und die Schwingungsfrequenz unabhängig von den Zustandsgrößen Expansionsdruck : Masse-Trägheit (Beharrungsvermögen) : Verdichtungsdruck, d. h. Ladedruck : Schwingungsenergie, verändern läßt, indem ähnlich der Pendelarmbolzen-Verlagerung der Kolbenschwerpunkt zum oder vom Drehachsmittelpunkt verlagert wird. Dies zweckmäßigerweise innerhalb des Kolbens durch einen hydraulisch betätigten Kolben in einem Zylinder geschieht.
- 6. der Pendelkolben-Vierkammer-Viertaktmotor nach Anspruch 1 aus zwei Pendelkolbeneinheiten in einem Motorblock gebildet wird. Die beiden Kolben auf einer Pendelachse sitzen und ihre Schwingungen deshalb zeitlich und räumlich synchron verlaufen. Das Kolbenpaar im Viertaktverfahren sich ähnlich dem doppelwirkenden Zweitaktmotor verhält und jeder Pendelausschlag von einem Expansionshub in einer der vier Kammern eingeleitet und von einem Verdichtungshub beendet wird und dies wechselseitig periodisch verläuft. Nach Anzahl und Anordnung der Mantelköpfe, Ventile, Nockenwellen etc. dieser Vierkammermotor mit einem Viertakt-Vierzylinder-V-Motor verglichen werden kann, und als Otto- oder Dieselmotor, Vergaser- oder Einspritzmotor, Saug- oder Kompressormotor betrieben und mit Luft oder Wasser gekühlt werden kann. Das Kolbeninnere durch die Pendelachsbohrung zugänglich ist und sich zur Schmierung und Kühlung eignet. Die Kolben an ihren Flanken und Stirnflächen mit Kolbenfenstern versehen werden können, durch diese Öl an die Mantellaufbahnen gespritzt wird, welches von den Kolbenringen, Dichtleisten oder Dichtstreifen abgestreift und in den Ölkreislauf zurückgeführt wird. Die Pendelachse 3fach, d. h. auch im Zwischenteil gelagert ist. Der Motor durch die variable Verdichtung sowohl im Otto- als auch im Dieselbetrieb genützt werden kann.
Priority Applications (1)
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DE19873705313 DE3705313A1 (de) | 1987-02-19 | 1987-02-19 | Pendelkolbenmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873705313 DE3705313A1 (de) | 1987-02-19 | 1987-02-19 | Pendelkolbenmaschine |
Publications (1)
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DE3705313A1 true DE3705313A1 (de) | 1987-10-08 |
Family
ID=6321343
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873705313 Withdrawn DE3705313A1 (de) | 1987-02-19 | 1987-02-19 | Pendelkolbenmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
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