DE3804411A1

DE3804411A1 - Mittelachsige drehkolbenartige umlaufkolbenmaschine

Info

Publication number: DE3804411A1
Application number: DE19883804411
Authority: DE
Inventors: Hermann Meckes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1989-08-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Maschinen sind in zahlreichen Ausführungen bekannt. Bei einer Lösung nach der DE-OS 35 21 593 bewegen sich die Läufer innerhalb eines zylindrischen Ringkanals. Da die Abdichtung zwischen diesem Ringkanal des Gehäuses und den Läufern erfolgen muß, ergeben sich relativ große linear bzw. bogenförmig verlaufende, schwer abzudichtende Flächen. Durch geteilte Ausführungen des Gehäuses ergeben sich zu sätzliche Dichtungsprobleme.

Eine andere Lösung ist in der DE-OS 30 20 215 beschrieben. Hierbei ist das Dichtungsproblem dadurch vereinfacht, daß eine Abdichtung nur zwischen Zylindern und Kolben erfolgt. Aufbau und Anordnung der Läufer sowie deren gegenseitige Verriegelung, die notwendig ist, um die bei der Expansion der Verbrennungsgase freiwerdende Energie in der Drehrichtung der Maschine zu nutzen, sind jedoch so ungünstig, daß sich ein ungleichmäßiger Lauf ergibt, so daß die Maschine für höhere Drehzahlen nicht geeignet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäße Maschine so zu verbessern, daß sich ein völlig gleichmäßiger Lauf ergibt und gleichzeitig entweder gar keine oder nur einfache, bekannte Dichtelemente wie Kolben- oder Zylinderringe erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Maschine besteht im wesentlichen aus zwei mittelachsig gelagerten, starren und mittelachsig symmetrischen Läufern in Verbindung mit einem Ovalzahnradgetriebe zur Erzielung eines periodisch wechselnden Verhältnisses ihrer Winkelgeschwindigkeiten.

Die Verdichtungs- und Expansionsräume entstehen durch unterschiedliche, durch das Ovalzahnradgetriebe erzeugte, Relativgeschwindigkeiten zwischen Kolben des einen und Zylindern des anderen Läufers. Die Maschine enthält vier, sechs oder mehr Zylinder und die gleiche Anzahl Kolben. Dabei kann entweder ein Läufer alle Zylinder und der andere alle Kolben tragen, oder jeder Läufer trägt die gleiche Anzahl von Zylindern und Kolben, also zwei, drei oder mehr Zylinder und Kolben. In einem Läufer mit zwei n(n = 1, 2 . . . ) Zylindern und Kolben sind sowohl die Zylinder als auch die Kolben um 180° : n versetzt. Die Zylinder bzw. Kolben haben kreisförmigen Querschnitt. Da die Verdichtungs- und Expansionsräume paarweise zwischen Zylindern des einen Läufers und Kolben des anderen Läufers gebildet werden, müssen die Kolben nicht mit dem Gehäuse abdichten sondern nur jeweils mit dem benachbarten Zylinder des anderen Läufers. Dafür sind entweder gar keine Dichtelemente notwendig oder es können einfache, kreisrunde Kolben- oder Zylinderringe verwendet werden. Eine Ausführung völlig ohne Dichtelemente ist bei einem Kolbenlänge-Kolbendurchmesser-Verhältnis von 1 : 1 schon mit einem Spalt von 5 µm realisierbar. Da ein Verhältnis von 2 : 1 einer üblichen Bauform entspricht, wären demnach auch noch größere Spalte zulässig. Bei dieser Ausführung ist zudem keine Schmierung erforderlich, da sich Zylinder und Kolben nie berühren.

Auch bei der Ausführung mit Dichtelementen sind Reibung und damit auch Schmierung geringer als bei herkömmlichen Hubkolben maschinen, da die Kolben- oder Zylinderringe die einzigen Teile sind, die mit der Zylinder- bzw. Kolbenfläche in Berührung kommen und außerdem die bei herkömmlichen Kolben maschinen durch die Bewegung von Pleuelstangen verursachte Kippmomente nicht entstehen.

Die erfindungsgemäße Maschine benötigt weder Kurbeltrieb noch Pleuelstangen, sondern lediglich ein Ovalzahnradgetriebe, das aus vier elliptischen Ovalzahnrädern besteht. Zwei Ovalzahnräder sind in den Brennpunkten ihrer Ellipsen fest mit einer gemeinsamen Achse verbunden. Sie sind um einen Winkel δ gegeneinander verdreht. Die beiden anderen Ovalzahnräder sind fest mit je einem Läufer verbunden, sie kämmen mit den beiden ersten Ovalzahnrädern. Auch sie sind exzentrisch in den Brennpunkten ihrer Ellipsen befestigt. Wird die Achse mit den beiden fest verbundenen Ovalzahnrädern gedreht, so bewegen sich die beiden Läufer ständig in derselben Richtung, jedoch mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten, so daß sie mit einem sich ständig abwechselnden Beschleunigungs-Verzögerungs-Rhythmus rotieren, sich also gegenseitig einholen, wodurch der Hub entsteht.

Bei der Dimensionierung des Ovalzahnradgetriebes ist von den geometrischen Besonderheiten der Ellipsen auszugehen. Da die Ellipse der geometrische Ort aller Punkte ist, für die die Summe der Abstände von den beiden Brennpunkten konstant ist und diese Summe der Länge der großen Achse der Ellipse entspricht, muß der Abstand der gemeinsamen Achse der fest verbundenen Ovalzahnräder von der Mittelachse der Läufer der Länge der großen Achse der Ellipse entsprechen, die mit d₀ bezeichnet wird.

Für die Ovalzahnräder ergibt sich:

Z. B. bei z = 99, m = 1 ergibt sich d₀ = 99 mm.
Für α = 45° wird somit e = 4,875 mm und b = 98,519 mm.

Der Hubwinkel α ist der Mittelpunktswinkel, der sich zwischen völlig in den Zylinder eingeschwenktem Kolben und maximal aus dem Zylinder ausgeschwenktem Kolben ergibt. Der Hubwinkel ist von der Exzentrität der Ovalzahnräder abhängig und somit beliebig.

Das maximale Winkelgeschwindigkeitsverhältnis der beiden Segmente zueinander berechnet sich aus:

und beträgt nach obigem Beispiel v₁ = 1,81 v₂

Da die erfindungsgemäße Maschine mittelachsig symmetrische Läufer aufweist, haben diese einen gleichmäßigen Rundlauf. Dies gilt auch für das Ovalzahnradgetriebe, da die durch die exzentrische Lagerung verursachte Unwucht leicht auszuwuchten ist. Da weder Kolben noch Pleuelstangen von Null aus beschleunigt oder auf Null abgebremst werden müssen, läuft die Maschine weitgehend schwingungsfrei. Außerdem entfällt ein Kurbeltrieb mit nie exakt auswuchtbaren Mas sen.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung einer Vierzylindermaschine mit - bis auf die Lagerstellen - identischen Läufern in den Bewegungsphasen I bis IV,

Fig. 1a das Ovalzahnradgetriebe in den den Bewegungsphasen gemäß Fig. 1 entsprechenden Stellun gen,

Fig. 2 eine Vierzylindermaschine im Querschnitt (schematisch), bei der die Kolben an einem ersten Läufer und die Zylinder an einem zweiten Läufer vorgesehen sind,

Fig. 3 einen Vierzylinder-Lader oder -kompressor ohne Ventile im Querschnitt,

Fig. 3a einen Vierzylinder-Lader oder -kompressor mit Rückschlagventilen im Querschnitt,

Fig. 4 einen Vierzylinder-Zweitakt-Dieselmotor ohne Ventile im Querschnitt,

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Vierzylinder-Zweitakt-Dieselmotors mit Einlaßventilen vom Laderaum zum Verbrenner raum,

Fig. 5a einen Schnitt des Vierzylinder-Zweitakt-Dieselmotors längs der Linie Va-Va in Fig. 5,

Fig. 6 einen Vierzylinder-Zweitakt-Dieselmotor mit Einlaß- und Auslaßventilen im Querschnitt und

Fig. 6a den Vierzylinder-Zweitakt-Dieselmotor gemäß Fig. 6 in den Bewegungsphasen I bis IV.

Im einfachsten Fall ist die Maschine als Vierzylindermaschine ausgeführt mit zwei - bis auf die Lagerstellen - identischen Läufern 20, 21 wie in Fig. 1 dargestellt. Die beiden Läufer sind mittelachsig gelagert. In Fig. 1 ist nur das Läuferlager 22 für den Läufer 20 sichtbar. Die Verdichtungs- und Expansionsräume a, b, c, d werden durch die - je nach Stellung des Ovalzahnradgetriebes - gegeneinander verzögerten oder beschleunigten Kolben und Zylinder gebildet. Sie können auf verschiedenartige Weise genutzt werden. So kann die Maschine als Lader, Kompressor, Zweitakt- oder Viertakt-Diesel- oder Ottomotor verwendet werden. In der gezeigten Stellung hat der Läufer 20 in der Phase I seine maximale Geschwindigkeit erreicht und wird danach verzögert. Der Läufer 21 hat seine minimale Geschwindigkeit erreicht und wird nun beschleunigt. Die Räume a und c sind daher Kompressions-, die Räume b und d Expansionsräume.

In Fig. 1a ist das Ovalzahnradgetriebe in den Fig. 1 entsprechenden Phasen I bis IV schematisch dargestellt. Die kleinen Achsen der Ellipsen der Ovalzahnräder 25 und 26 sind mit w und x angedeutet, die der Ovalzahnräder 27 und 28 mit y und z. Die beiden Ovalzahnräder 27 und 28 sind mit den Achsen y und z exzentrisch im Brennpunkt ihrer Ellipsen auf einer gemeinsamen Welle befestigt. Sie sind gegeneinander um 180° verdreht. Die anderen beiden Ovalzahnräder 25 und 26 sind exzentrisch im Brennpunkt ihrer Ellipsen gelagert und mit der Mittelachse je eines Läufers starr verbunden. Auch sie sind um 180° gegeneinander verdreht. Dabei kämmen die Ovalzahnräder 25 und 27 sowie 26 und 28. In der Phase I sind die Achsen x und x der Ovalzahnräder 25 und 26 parallel.

In der Phase II haben beide Läufer 20, 21 dieselbe Momentan geschwindigkeit. Danach wird der Läufer 20 verzögert, der Läufer 21 beschleunigt. Die Räume a und c sind maximal verdichtet, während die Räume b und d völlig entspannt sind. Die Achsen w und x der Ovalzahnräder 25 und 26 sind um die Hälfte des Hubwinkels gegeneinander verdreht.

In der Phase III hat der Läufer 20 seine minimale Geschwindigkeit erreicht und wird danach beschleunigt, der Läufer 21 hat dagegen seine maximale Geschwindigkeit und wird nun verzögert. Die Räume a und c sind jetzt Expansions-, die Räume b und d Kompressionsräume. Die Achsen w und x der Ovalzahnräder 25 und 26 sind parallel.

In der Phase IV haben beide Läufer 20, 21 dieselbe Geschwindigkeit. Während danach Läufer 20 beschleunigt wird, erfährt Läufer 21 nun eine Verzögerung. Die Räume a und c sind völlig entspannt, dagegen sind die Räume b und d maximal verdichtet. Die Achsen w und x der Ovalzahnräder 25 und 26 sind um den halben Hubwinkel gegeneinander verdreht.

In der Anordnung gemäß Fig. 1a sind die starr mit einer Achse verbundenen Ovalzahnräder 27 und 28 um 180° gegeneinander verdreht. Es können jedoch auch beliebige andere Winkelstellungen δ zwischen 0° und 180° verwendet werden, wodurch sich ein geringerer Hubwinkel α ergibt. Für δ = 180° ergibt sich der maximale, durch die Exzentrizität der Ovalzahnräder vorgegebene Hubwinkel α. Wird also eines der Ovalzahnräder 27, 28 so ausgebildet, daß dieser Winkel δ stufenlos einstellbar ist, so kann damit der Hub der Maschine stufenlos eingestellt werden.

In ähnlicher Weise kann die Winkellage eines der Ovalzahnräder 25, 26 oder beider Ovalzahnräder gegenüber den Läufern verstellt werden und damit die Totpunkte der Kolben in den Zylindern festgelegt werden. Bei Kombination beider Einstellmöglichkeiten ist also eine stufenlose Verstellung von Hub und Totpunkt der Maschine möglich. Durch drehzahlabhängige, temperaturabhängige oder andersabhängige Regelung der Ovalzahnräder kann somit z. B. bei Dieselmotoren die Kompression temperaturabhängig automatisch geregelt werden, so daß immer die jeweils günstigste Verdichtung eintritt. Die Verdrehung des Ovalzahnrades eines Läufers könnte hierbei beispielsweise über einen Spiralkeilnutentrieb bewirkt werden.

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Vierzylindermaschine, bei der alle Kolben auf dem einen Läufer 23 und alle Zylinder auf dem anderen Läufer 24 vorgesehen sind. Auch diese beiden Läufer sind einstückig symmetrisch zur Mittelachse ausgebildet und daher völlig ausgewuchtet. Von den sich ergänzenden Lagerstellen für die mittelachsige Lagerung der Läufer ist nur die mit dem Läufer 24 fest verbundene Lagerung 22 in der Zeichnung sichtbar. Das Funktionsprinzip und der Bewegungsablauf dieser Maschine sind identisch mit dem der oben beschriebenen Maschine gemäß den Fig. 1 und 1a. Auch diese Maschine kann mit vier, sechs, acht usw. Zylindern und Kolben ausgeführt werden.

Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Maschine als Vierzylinder- Lader oder -Kompressor ohne Ventile ist in Fig. 3 dargestellt. Die Läufer sind - bis auf die sich ergänzenden Lagerstellen - gleich aufgebaut. Hierbei werden abwechselnd zwei Räume als Verdrängerräume und zwei als Ansaugräume genutzt. Die ringförmig gebogenen Kolben mit kreisförmigem Querschnitt schwenken nie ganz aus den Zylindern aus. Alle Kolben und Zylinder beider Läufer sind gleich aufgebaut. Der Kolben 30 a weist einen Einlaßkanal 33 a auf, der von der Stirnfläche des Kolbens schräg nach außen verläuft. Ferner führt ein Verbindungskanal 34 a von der Kolbenaußenwand nahe der Stirnfläche des Kolbens über die ganze Kolbenlänge in Richtung des nachfolgenden Zylinders 31 a desselben Läufers und mündet in eine radial verlaufende Bohrung, den Abströmkanal 35 a, der zum an der Mittelachse angeschlossenen Verbraucher führt. An der Zylindermantelfläche des Zylinders 31 b sitzt in Bodennähe ein als Freistich ausgebildeter Aus laßkanal 32 b, der bei völlig eingeschwenktem Kolben 30 a den Verdichtungsraum mit dem Verbindungskanal 34 a des eingeschwenkten Kolbens 30 a verbindet. Sobald die Kolben 30 a, c völlig in die Zylinder 31 b, d eingeschwenkt sind, also die maximale Verdichtung ereicht ist, wird die Verbindung von den Auslaßkanälen 32 b, d zu den Verbindungskanälen 34 a, c freigegeben, und das verdichtete Gas strömt über die Abströmkanäle 35 a, c zum mittelachsig angeschlossenen Verbraucher. In dieser Stellung strömt gleichzeitig über die Einlaßkanäle 33 b, d erneut Gas in die aus den Zylindern 31 a, c und den Kolben 30 d, b gebildeten Ansaugräume. Die Verbindungskanäle 34 b, d sind wegen der nicht völlig ausgeschwenkten Kolben geschlossen, so daß das verdichtete Gas nicht über die Abströmkanäle 35 d, b entweichen kann. Bei weiterer Drehung werden die Einlaßkanäle 33 d, b und die Verbindungskanäle 34 a, c wieder geschlossen. Die vorherigen Verdichtungsräume und Ansaugräume wechseln ihre Funktion.

Wird die Maschine als Lader genutzt, erfolgt die Abdichtung über den Spalt zwischen Kolben und Zylinder ohne zusätzliche Dichtelemente. Bei der Nutzung als Kompressor werden zur Abdichtung Kolben- oder Zylinderringe verwendet.

In beiden Fällen ist die Maschine sehr einfach aufgebaut, da sie aus wenigen Teilen besteht und keinerlei Ventile benötigt, besitzt einen besseren Wirkungsgrad und läuft nahezu schwingungsfrei.

Noch höhere Drücke und eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des beschriebenen Laders oder Kompressors lassen sich erzielen, wenn die Ansaugräume über Schnüffelventile gefüllt werden und die verdichteten Gase über Rückschlagventile abgeführt werden, wie in Fig. 3a gezeigt. Diese Ausführung entspricht dem oben beschriebenen Lader oder Kompressor gemäß Fig. 3 mit dem Unterschied, daß die Füllung der Ansaugräume nicht über Einlaßkanäle geschieht, die erst bei voll ausgeschwenktem Kolben öffnen, sondern über Schnüffelventile 38, die an der Außenseite jedes Zylinderbodens angebracht sind und die öffnen, sobald ein Unterdruck entsteht. Zur Abfuhr des verdichteten Gases zum mittelachsig angeschlossenen Verbraucher sind zwei Rück schlagventile 40 vorgesehen, die an einem der beiden Läufer mittelachsig symmetrisch zwischen Zylinder 37 b, d und Kolben 36 b, d angeordnet sind. Sie stehen über eine Einlaßöffnung 39 mit dem Zylinderraum in Verbindung, über einen Verbindungskanal 42 mit der Stirnfläche des Kolbens sowie über einen Abströmkanal 43 mit dem mittelachsig angeschlossenen Verbraucher. In der in Fig. 3a gezeigten Stellung sind die Räume zwischen den Kolben 36 a, c und den Zylindern 37 b, d momentan Verdichtungsräume. Die Rückschlagventile öffnen, sobald der Kompressiondruck den Druck des Verbrauchers übersteigt und das komprimierte Gas strömt aus den Kompressionsräumen über die Einlaßöffnungen 39 durch die Rückschlagventile 40 über die Abströmkanäle 43 zum Verbraucher. Die Verbindungskanäle 42 sind geschlossen, so daß aus diesen kein Gas austreten kann. Sind dagegen die Räume zwischen den Kolben 36 b, d und den Zylindern 37 c, a Verdichtungsräume, so strömt das komprimierte Gas über die Verbindungskanäle 42 in die Rückschlagventile und von dort über die Abströmkanäle 43 zur Mittelachse.

Bei dieser Ausführung des Laders bzw. Kompressors können die Kolben entweder ganz - wie in Fig. 3a gezeigt - oder nur teilweise - wie in Fig. 3 gezeigt - aus den Zylindern ausfahren. Bei der Nutzung als Lader erfolgt die Abdichtung über den Spalt zwischen Kolben und Zylinder ohne zusätzliche Dichtelemente. Bei der Nutzung als Kompressor werden zur Abdichtung Kolben- und Zylinderringe verwendet.

Die Vorteile dieses Laders bzw. Kompressors liegen in seinem hohen Wirkungsgrad in Verbindung mit hohem Enddruck und in dem gleichmäßigen Lauf der Maschine. Der Aufbau ist sehr einfach, da lediglich zwei Rückschlag- und vier Schnüffelventile, jedoch keine bewegten Tellerventile wie bei herkömmlichen Kolbenkompressoren, erforderlich sind.

Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Maschine als einfacher Vierzylinder-Zweitakt-Dieselmotor ohne Ventile ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei werden die Räume zwischen den Kolben 50 a, c und den Zylindern 51 b, d ständig als Laderäume benutzt und die Räume zwischen den Kolben 50 b, d und den Zylindern 51 c, a ständig als Verbrennungsräume. In der Mitte zwischen Zylinder 51 a, c und Kolben 50 a, c eines Läufers sind mittelachsig symmetrisch zwei Einspritzventile 55 vorgesehen, an die die Einspritzkanäle 54 angeschlossen sind, die in den mittelachsigen Anschluß der Einspritzpumpe münden. Die Einspritzventile 55 enthalten eine Vorkammer 57, über die der eingespritzte Kraftstoff in die Verbrennungsräume zwischen den Zylindern 51 a, c und den Kolben 50 d, b gelangt. Die Einspritzventile 55 enthalten ferner eine Überströmbohrung 56, die auf der einen Seite in die Verbrennungs räume mündet, auf der anderen Seite in einen Verbindungskanal 53 der zur Kolbenaußenwand nahe der Stirnfläche des Kolbens führt. An der Zylinderwand der zur Aufladung genutzten Zylinder 51 b, d sitzt am Zylindermantel in der Nähe des Zylinderbodens ein als Freistich ausgebildeter Auslaßkanal 52.

In der gezeichneten Stellung strömt die verdichtete Luft über diese Auslaßkanäle 52 in die Verbindungskanäle 53 und von dort durch die Überströmbohrungen der Einspritzventile 56 in die Verbrennungsräume, wodurch diese mit Frischluft gespült und gefüllt werden. Im nächsten Takt wird die Luft in den Verbrennungsräumen verdichtet, während in den Laderäumen durch Ausschwenken der Kolben 50 a, c die Verbindungskanäle geschlossen werden und somit ein Unterdruck entsteht. Gegen Ende dieses Taktes wird der Kraftstoff durch die Einspritzkanäle 54 in die Vorkammern 57 der Einspritz ventile 55 eingespritzt, wo er sich mit der Luft vermischt und entzündet. Bei der maximalen Kompression sind die Kolben 50 a, c völlig aus den Laderäumen ausgefahren, so daß diese mit Frischluft gefüllt werden. Die expandierenden Verbrennungsgase treiben den Motor an und verdichten gleichzeitig wieder die Frischluft in den Laderäumen.

Dieser Motor kann gleichermaßen als Ottomotor verwendet werden. Dazu wird der Kraftstoff entweder über einen Vergaser oder eine Einspritzpumpe zugeführt und anschließend ge zündet.

In den Fig. 5 und 5a ist eine Ausführung der Erfindung als Vierzylinder-Zweitakt-Dieselmotor mit Einlaßventil vom Laderaum zum Verbrennerraum einschließlich des Gehäuses und des Ovalzahnradgetriebes dargestellt. Der Aufbau des Motors gleicht weitgehend dem Aufbau des zuvor beschriebenen Motors gemäß Fig. 4. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß die beim Motor gemäß Fig. 4 notwendigen Auslaßkanäle 52 sowie die Überströmbohrungen 56 entfallen und durch ein Einlaßventil 77 vom Laderaum zum Verbrennungsraum ersetzt sind, wodurch tote Räume weitgehend reduziert werden und so der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Weiterhin ist in Abwandlung von der zuvor anhand Fig. 4 beschriebenen Art der Motor gemäß Fig. 5 so aufgebaut, daß ein völliges Ausschwenken der Kolben aus den Zylindern vermieden ist. Dies kann sich als vorteilhaft erweisen, sofern zur Abdichtung Kolben- oder Zylinderringe verwendet werden. Die notwendige Belüftung der Lade- und Verbrennungsräume erfolgt über Überströmöffnungen 79, von denen je eine am äußeren kopfseitigen Ende eines Zylinders angebracht ist. In der ausgeschwenkten Position der Kolben wird so das Ausströmen der Verbrennungsgase aus den Verbrennungsräumen und das Einströmen von Frischluft in die Laderäume ermöglicht. Die zwei Einspritzventile 76 sind in der zuvor anhand Fig. 4 beschriebenen Weise mittelachsig symmetrisch zwischen Zylinder und Kolben auf jeder Seite eines Läufers angebracht. Die Überströmbohrung 56 eines jeden Einspritzventiles wurde durch ein Einlaßventil 77 ersetzt. Von jedem Einspritzventil 76 führt ein Verbindungskanal 74 zur Mitte der Kolbenstirnfläche des Laderaumes. Der eingespritzte Kraftstoff gelangt über ein Einspritzkanal 67 von der Mittelachse des Motors über das Einspritzventil 76 in die Vorkammer. Jeder der beiden Verbrennungsräume ist über das Einlaßventil 77 mit dem Verbindungskanal 74 verbunden, der zur Mitte der Kolbenstirnfläche des Laderaumes führt.

Ist die Expansionsphase im Verbrennungsraum beendet, so wird die Überströmöffnung 79 vom Kolben freigegeben. Dadurch fällt der Druck im Verbrennungsraum unter den im Laderaum herrschenden Druck ab, wodurch das Einlaßventil 77 öffnet und die komprimierte Luft vom Laderaum durch den Verbindungskanal über das Einlaßventil 77 in die Vorkammer 75 und von dort in den Verbrennungsraum gelangt, diesen spült und mit Frischluft füllt.

Aus Fig. 5 und 5a sind weiterhin eine Reihe von Konstruktionsdetails des Motors zu ersehen. In das Gehäuse integriert sind der Ansaugkanal 73 für die Luftzufuhr sowie der Auspuff 80 für die Abfuhr der Verbrennungsgase. Eine Kühlung des Motors wird über Kühlrippen 78 erreicht, die an den Außenwänden der Zylinder angebracht sind. Der Läufer 60 ist mit der Läuferlagerwelle 68 zentrisch und starr verbunden. Die Läuferlagerwelle 68 ist auf der einen Seite im Gehäuse 66, auf der anderen Seite im Gehäusedeckel 71 gelagert. Das Antriebsovalzahnrad 64 ist exzentrisch im Brennpunkt seiner Ellipse mit der Läuferlagerwelle 68 starr verbunden, damit also auch mit dem Läufer 60. Der Läufer 61 ist auf der Läuferlagerwelle 68 zentrisch gelagert und über den Lagerflansch 69 starr mit dem Antriebsovalzahnrad 62 verbunden. Das Antriebsovalzahnrad 62 ist exzentrisch im Brennpunkt seiner Ellipse befestigt und gegenüber dem Antriebsovalzahnrad 64 um 180° verdreht. Die Abtriebswelle 72 ist zwischen Gehäuse 66 und Gehäusedeckel 71 zentrisch gelagert. Die Abtriebsovalzahnräder 63 und 65 sind auf der Abtriebswelle 72 exzentrisch im Brennpunkt ihrer Ellipse starr befestigt. Sie sind gegeneinander um 180° verdreht und kämmen mit den Antriebsovalzahnrädern 62 und 64. Die Einspritzpumpe ist am Einspritzflansch 81 angeschlossen, der mit dem Gehäuse 66 am läuferseitigen Ende der Läuferlagerwelle 68 verschraubt ist. Der Einspritzflansch 81 ist mit einem Dorn 70 einstückig und starr verbunden, der in die Läuferlagerwelle 68 hineinragt. Der Dorn 70 ist am Ende von einer radialen Bohrung 83 durchsetzt, deren Enden in die Einspritzkanäle des Läufers 60 münden. Da der Kraftstoff nur in die Einspritzkanäle 67 gelangt, wenn die Bohrung 83 mit den Einspritzkanälen 67 fluchtet, ergibt sich eine einfache Einstellmöglichkeit des Einspritzzeitpunktes durch Verdrehen des Einspritzflansches 81.

Die Maschine hat folgende Arbeitsweise:

Während des ersten Taktes wird in den beiden Laderäumen über die Überströmöffnungen 79 Luft angesaugt, während in den beiden Verbrennungsräumen die Luft verdichtet wird. Gegen Ende dieses Taktes wird der Kraftstoff eingespritzt.

Während des zweiten Taktes wird die zuvor angesaugte Luft in den Laderäumen komprimiert. In den Verbrennungsräumen expandiert das Gemisch nach der Einspritzung und Selbstzündung und treibt die Maschine an. Am Ende dieses Taktes entweicht das verbrannte Gemisch über die Überströmöffnung 79, wenn diese durch Ausfahren des Kolbens freigegeben wird. Der Verbrennungsraum wird mit Hilfe der im Laderaum verdichteten Frischluft durch das Einlaßventil 77 gespült und gefüllt, das öffnet, sobald der Druck im Verbrennungsraum unter den Druck vom Laderaum abfällt. Wenn ein Druckausgleich vom Laderaum zum Verbrennungsraum erreicht ist, schließt das Einlaßventil wieder.

Der Motor kann gleichfalls als Ottomotor betrieben werden. Dann wird der Kraftstoff entweder über einen Vergaser oder ebenfalls über eine Einspritzpumpe zugeführt und nach der Verdichtung gezündet.

Der beschriebene Motor zeichnet sich nicht nur durch einen gleichmäßigen, ausgewuchteten Lauf aus, sondern er ist auch denkbar einfach aufgebaut.

In Fig. 6 ist eine Ausführung der Erfindung als Vierzylinder- Viertakt-Dieselmotor mit vier Einlaß- und vier Auslaßventilen dargestellt. Die Läufer sind bis auf die sich ergänzenden Lagerstellen symmetrisch ausgebildet. An jedem Zylinderboden sind ein Einlaßventil 91 und ein Auslaßventil 90 angebrochen, die als Tellerventile ausgebildet sind. Das am äußeren Ende des Zylinderbodens angebrachte Auslaßventil 90 steht mit einem Auslaßkanal 94 in Verbindung, der an der äußeren Oberfläche des Läufers mündet. Neben dem Auslaßventil 90 ist das Einlaßventil 91 in der Mitte jedes Zylinderbodens angeordnet, das mit dem Ansaugkanal 95 in Verbindung steht, der zur Mittelachse führt. Die Ein- und Auslaßventile sind über Ventilschäfte geführt, stehen unter Federdruck und sind an dem dem Ventilteller abgewandten Ende durch Ventildichtringe 92, 93 gegenüber den Ventilschaftbohrungen 97, 98 abgedichtet. Die Ventilführungen von Ein- und Auslaßventilen verlaufen von den Ventiltellern am Zylinderboden in Richtung zur Kolbenstirnfläche. Während sich die Ventilschaftbohrung 98 des Auslaßventiles 90 bis zur Kolben stirnfläche erstreckt, handelt es sich bei der Ventilschaftbohrung des Einlaßventiles 91 um ein Sackloch. Jede Kolbenstirnfläche einer Läuferseite steht über einen Steuerkanal 96 mit der durch die Ventildichtringe 92 abgedichteten Ventilschaftbohrung 97 des Einlaßventiles 91 auf der anderen Läuferseite in Verbindung.

Das Funktionsprinzip des Motors ist aus Fig. 6a zu erkennen, in der die vier Takte I bis IV dargestellt und nachstehend erläutert sind.

Zu Beginn des Taktes I ist die Luft in Kammer a maximal komprimiert. Über ein in Fig. 6 und 6a nicht dargestelltes Einspritzventil wird der Kraftstoff von der mittelachsig angeschlossenen Einspritzpumpe eingespritzt. Der Kraftstoff entzündet sich und die expandierenden Verbrennungsgase treiben den Motor an. Durch den Überdruck in Kammer a wird das Auslaßventil 90 von Kammer d geöffnet und die Verbrennungsgase werden ausgestoßen. Die Ventildichtringe 93 des Auslaßventiles 90 verhindern einen Druckabbau in Kammer a über das Auslaßventil 90. Der Überdruck in Kammer a öffnet gleichzeitig über den Steuerkanal 96 das Einlaßventil 91 von Kammer c, so daß Luft über den Ansaugkanal 95 angesaugt wird. Auch hier verhindern die Ventildichtringe 92 des Einlaß ventiles 91 einen Druckabfall in Kammer a. Beim Ende des Taktes I haben sich die Läufer um 180° gedreht.

Zu Beginn des Taktes II wird der Kraftstoff in Kammer b eingespritzt. Er erzündet sich und treibt den Motor durch die expandierenden Verbrennungsgase an. Im Takt II entsprechen die Funktionen der Kammern denen des Taktes I mit Verschiebung um eine Kammer, d. h.:

Kammer b des Taktes II entspricht Kammer a des Taktes I.
Kammer c des Taktes II entspricht Kammer b des Taktes I.
Kammer d des Taktes II entspricht Kammer c des Taktes I.
Kammer a des Taktes II entspricht Kammer d des Taktes I.

Die Läufer des Motors haben sich nach Ende des zweiten Taktes um 360° gedreht. Die Takte III bis IV ergeben sich analog. In den Kammern a bis d laufen während der vier Takte die folgenden Vorgänge ab:

Die federbelasteten Ventile öffnen nur, sofern der Expansionsdruck den Kompressionsdruck überschreitet; bei Kompressionsdruck bleiben sie geschlossen.

Der Motor kann gleichfalls als Ottomotor ausgeführt werden. Dann wird der Kraftstoff entweder über einen Vergaser angesaugt oder ebenfalls eingespritzt und nach der Verdichtung gezündet.

Bei dieser Ausführung als Viertaktmotor werden die Vorteile der Erfindung, wie besonders gleichmäßiger, schwingungsarmer Lauf durch die besondere Ventilsteuerung ergänzt, wodurch eine Nockenwelle überflüssig wird.

Figurenlegende

20 Läufer
21 Läufer
22 Läuferlager
23 Läufer
24 Läufer
25 Ovalzahnrad
26 Ovalzahnrad
27 Ovalzahnrad
28 Ovalzahnrad
30 a, b, c, d Kolben
31 a, b, c, d Zylinder
32 a, b, c, d Auslaßkanal
33 a, b, c, d Einlaßkanal
34 a, b, c, d Verbindungskanal
35 a, b, c, d Abströmkanal
36 a, b, c, d Kolben
37 a, b, c, d Zylinder
38 Schnüffelventil
39 Einlaßöffnung
40 Rückschlagventil
42 Verbindungskanal
43 Abströmkanal
50 a, b, c, d Kolben
51 a, b, c, d Zylinder
52 Auslaßkanal
53 Verbindungskanal
54 Einspritzkanal
55 Einspritzventil
56 Überströmbohrung
57 Vorkammer
60 Läufer
61 Läufer
62 Antriebsovalzahnrad
63 Abtriebsovalzahnrad
64 Antriebsovalzahnrad
65 Abtriebsovalzahnrad
66 Gehäuse
67 Einspritzkanal
68 Läuferlagerwelle
69 Lagerflansch
70 Dorn
71 Gehäusedeckel
72 Abtriebswelle
73 Ansaugkanal
74 Verbindungskanal
75 Vorkammer
76 Einspritzventil
77 Einlaßventil
78 Kühlrippe
79 Überströmöffnung
80 Auspuff
81 Einspritzflansch
82 Einspritzbohrung
83 Bohrung
90 Auslaßventil
91 Einlaßventil
92 Ventildichtringe
93 Ventildichtringe
94 Auslaßkanal
95 Ansaugkanal
96 Steuerkanal
97 Ventilschaftbohrung
98 Ventilschaftbohrung
99 Kolben
100 Zylinder
101 Zylinderboden

Claims

1. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine mit mit zwei mittelachsig gelagerten Läufern, an denen ringförmige Kolben vorgesehen sind, die in ringförmige Zylinder mit kreisrundem Querschnitt eintauchen, wobei die Läufer zur Erzielung eines periodisch wechselnden Verhältnisses ihrer Winkelgeschwindigkeiten mit einem Getriebe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Läufer entweder je n+1 (n = 1, 2, . . . ) Zylinder und n+1 Kolben oder an dem ersten Läufer 2n+2 Zylinder und an dem zweiten Läufer 2n+2 Kolben vorgesehen sind, daß die Läufer symmetrisch zur Mittelachse und ausgewuchtet sind, und daß das Getriebe als Ovalzahnradgetriebe in der Art ausgebildet ist, daß zwei Ovalzahnräder exzentrisch im Brennpunkt ihrer Ellipsen mit einer gemeinsamen Achse starr verbunden sind und dabei um einen zwischen 0° und 180° liegenden Winkel δ gegeneinander verdreht sind, wobei jedes dieser Ovalzahnräder mit je einem anderen Ovalzahnrad kämmt, das exzentrisch im Brennpunkt seiner Ellipse mit einem der beiden Läufer an dessen Mittelachse starr verbunden ist.

2. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kreisrunde Kolben- oder Zylinderringe vorgesehen sind.

3. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderräume über den Luftspalt zwischen Kolben und Zylinder abgedichtet sind und daß der Luftspalt zwischen Zylinder und Kolben zwischen 2 µm und 10 µm liegt.

4. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ovalzahnräder auf ihrem exzentrischen Sitz ausgewuchtet sind.

5. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei rotierenden Läufern eines der nicht mit den Läufern verbundenen Ovalzahnräder über eine Winkelverstellvorrichtung gegenüber dem anderen nicht mit den Läufern verbundenen Ovalzahnrad verdrehbar ist.

6. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei rotierenden Läufern eines der mit den Läufern verbundenen Ovalzahnräder über eine Winkelverstellvorrichtung gegenüber dem Läufer verdrehbar ist.

7. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Läufer je n + 1 (n = 1, 2, . . .) Zylinder und n + 1 Kolben vorgesehen sind.

8. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben nicht ganz aus den Zylindern ausschwenkbar sind, daß im maximal ausgeschwenkten Zustand die Zylinderräume über je einen von der Stirnfläche des Kolbens schräg nach außen verlaufenden Einlaßkanal (33 a, b, c, d) entlüftbar sind, daß jeder Zylinderraum im eingeschwenkten Zustand über einen an der Zylindermantelfläche jedes Zylinders als Freistich ausgebildeten Auslaßkanal (32 a, b, c, d) mit einem von der Kolbenaußenwand nahe der Stirnfläche des Kolbens über die ganze Kolbenlänge in Richtung des nachfolgenden Zylinders desselben Läufers ausgebildeten Verbindungskanal (34 a, b, c, d) des in den Zylinder eingeschwenkten Kolbens in Verbindung steht, wobei der Verbindungskanal (34 a, b, c, d) in einen radial verlaufenden Abströmkanal (35 a, b, c, d) mündet, der zur Mittelachse der Maschine führt (Fig. 3).

9. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderräume über Schnüffelventile (38), die an der Außenseite jedes Zylinderbodens angebracht sind, entlüftbar sind, daß an einem Läufer n + 1 Rückschlagventile (40) mittelachsig symmetrisch zwischen jedem Zylinder und benachbarten Kolben so vorgesehen sind, daß sie jeweils über eine Einlaßöffnung (39) mit dem Zylinderraum in Verbindung stehen, daß sie über einen Abströmkanal (43) mit der Mittelachse der Maschine in Verbindung stehen, und daß sie über einen Verbindungskanal (42) mit der Stirnfläche des Kolbens in Verbindung stehen, wobei die Verbindung entweder vom Zylinderraum über die Einlaßöffnung (39) über das Rück schlagventil (40) zum Abströmkanal (43) oder vom benachbarten Zylinderraum über den Verbindungskanal (42) über das Rückschlagventil (40) zum Abströmkanal (43) vom Rück schlagventil (40) nur dann geöffnet ist, wenn der zylinderseitige Druck den Druck im Abströmkanal (43) übersteigt (Fig. 3a).

10. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben ganz aus den Zylindern ausschwenkbar sind, daß an einem Läufer n + 1 Einspritzventile (55) mittelachsig symmetrisch zwischen jedem Zylinder und benachbartem Kolben so vorgesehen sind, daß sie mit je einem zur Mittelachse der Maschine führenden Einspritzkanal (54) verbunden sind, daß die Öffnung jedes Einspritzventils (55) mit dem benachbarten Zylinderraum in Verbindung steht, und daß weiterhin jeder Zylinderraum im eingeschwenkten Zustand über einen an der Zylindermantelfläche jedes Zylinders als Freistich ausgebildeten Auslaßkanal (52) mit einem von der Kolbenaußenwand nahe der Stirnfläche des Kolbens über die ganze Kolbenlänge in Richtung des nachfolgenden Zylinders desselben Läufers ausgebildeten Verbindungskanal (53) des in den Zylinder eingeschwenkten Kolbens in Verbindung steht, wobei der Verbindungskanal (53) über einen durch das Einspritzventil (55) führenden Überströmkanal (56) mit dem benachbarten Zylinderraum verbunden ist (Fig. 4).

11. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung jedes Einspritzventils (55) in eine Vorkammer (57) mündet, die mit dem benachbarten Zylinderraum verbunden ist.

12. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kolbenböden neben den Einspritzventilen (55) Zündkerzen vorgese hen sind.

13. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben nicht ganz aus den Zylindern ausschwenkbar sind, daß jeder Zylinderraum im maximal ausgeschwenkten Zustand des Kolbens über eine am äußeren kopfseitigen Ende des Zylinders vorgesehene Überströmöffnung (79) entlüftbar ist, daß an einem Läufer n + 1 Einspritzventile (76) mittelachsig symmetrisch zwischen jedem Zylinder und benachbartem Kolben so vorgesehen sind, daß sie mit je einem zur Mittelachse der Maschine führenden Einspritzkanal (67) verbunden sind, daß die Öffnung jedes Einspritzventils (76) mit dem benachbarten Zylinderraum in Verbindung steht, daß der Zylinderraum ferner über ein Einlaßventil (77) mit einem Verbindungskanal (74) verbunden ist, der in der Mitte der Kolbenstirnfläche mündet, wobei das Einlaßventil nur dann geöffnet ist, wenn der Druck im Verbindungskanal (74) den Druck im Zylinderraum übersteigt (Fig. 5).

14. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung jedes Einspritzventils (76) in eine Vorkammer (75) mündet, die mit dem benachbarten Zylinderraum in Verbindung steht.

15. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kolbenböden neben den Einspritzventilen (75) Zündkerzen vorgesehen sind.

16. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Läufer (60, 61) auf einer Läuferlagerwelle (68) zueinander verdrehbar gelagert sind, die ihrerseits im Gehäuse (66) und dem Gehäusedeckel (71) gelagert ist (Fig. 5a).

17. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 13-16, dadurch gekennzeichnet, daß am läuferseitigen Ende des Gehäuses (66) ein Einspritzflansch (81) zum Anschluß einer Einspritzpumpe mittelachsig zur Läuferlagerwelle (68) angebracht ist, der mit einem Dorn (70) einstückig und starr verbunden ist, der in die Läuferlagerwelle (68) hineinragt, wobei sich eine axiale Einspritzbohrung (82) vom Einspritzflansch (81) bis in den Dorn (70) erstreckt und in eine radiale Bohrung (83) mündet, die bei entsprechender Winkellage der Läuferlagerwelle (68) mit den Einspritzkanälen (67) des Läufers fluchtet (Fig. 5a).

18. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Läufer 4 Zylinder (100) und 4 Kolben (99) vorgesehen sind, daß an jedem Zylinderboden (101) je ein tellerförmiges Auslaßventil (90), das mit einem Auslaßkanal (94) in Verbindung steht, der an der äußeren Oberfläche des Läufers mündet, und je ein tellerförmiges Einlaßventil (91) angebracht ist, das mit einem zur Mittelachse der Maschine führenden Ansaugkanal (95) in Verbindung steht (Fig. 6).

19. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kolben und Zylinder gleich aufgebaut sind, daß die Auslaß- und Einlaßventile (90, 91) über Ventilschäfte geführt sind, unter Federdruck stehen und an ihrem dem Ventilteller abgewandten Ende durch Ventildichtringe (92, 93) gegenüber den Ventilschaftbohrungen (97, 98) abgedichtet sind, daß sich die Ventilführungen von Auslaß- und Einlaßventilen von den Ventiltellern am Zylinderboden (101) in Richtung zur Kolbenstirnfläche erstrecken, daß sich die Ventilschaftbohrungen (98) der Auslaßventile (90) bis zur Kolbenstirnfläche erstrecken, während die Ventilschaftbohrungen (97) der Einlaßventile in Sacklöchern enden, von denen jedes über einen Steuerkanal (96) mit der Kolbenstirnfläche auf der anderen Seite des Läufers verbunden ist (Fig. 6).

20. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 18, oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Kolbenboden Einspritzventile zur Kraftstoffeinspritzung vorgesehen sind.

21. Mittelachsige drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschine nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Kolbenboden Zündkerzen vorgesehen sind.