DE3811760C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Schwenkkolben-Brennkraft­ maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verbrennungsmotore sind seit über hundert Jahren bekannt und in unzähligen Varianten vorgeschlagen und gebaut worden, so daß sich eine nähere Beschreibung des Prinzips erübrigt. Am bekanntesten, fast ausschließlich in der Praxis benutzt, ist der Hubkolbenmotor, der jedoch gravierende Nachteile hat, die bis heute nicht zu­ friedenstellend behoben werden konnten. Insbesondere erzeugen die erforderlichen Pleuelstangen Seitenkräfte, die schädliche Reibungen an den Zylinderwänden bewirken. Die Hubkolbenmotore arbeiten meist im Viertakt und be­ nötigten Ventile, da die Zylinder während des Arbeits­ taktes für die Zufuhr des Brennstoffes verschlossen und für den Abzug der verbrannten Reste 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 Nach­ teile und Schwierigkeiten überwinden zu können, doch hat die Praxis gezeigt, daß auch dieser Motor Nachteile hat, die eine Verdrängung des Hubkolbenmotors nicht zu­ ließen.

Schließlich gibt es noch die sogenannten Schwenk­ kolbenmotore, bei denen in einem Hohlzylinder zwischen zwei radialen Trennwänden zwei ebenfalls radiale Schwenk­ kolben hin und her pendeln und dabei das Ansaugen und Verdichten des Brennkraftstoffes bewirken. Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind beispielsweise in der DE-OS 33 30 125, DE-OS 23 51 781 und DE-OS 34 47 004 beschrieben.

Während es sich bei dem Motor der DE-OS 23 51 781 um einen sehr komplizierten Aufbau handelt, scheint bei dem Motor der DE-OS 33 30 125 und dem der DE-OS 34 47 004 die Wirkungsweise und damit die Funk­ tionsfähigkeit problematisch, wenn nicht fraglich zu sein. Jedenfalls sind offenbar keine auf diesen Lehren beruhende Verbrennungsmotore bekanntgeworden.

Der vorliegende Verbrennungsmotor beruht auf dem Prinzip des Schwenkkolbenmotors und ist insbesondere als stationärer Kleinmotor oder als Fahrzeugmotor einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwenkkolben-Brennkraft­ maschine zu schaffen, die einfach gebaut ist und sehr effektiv arbeitet.

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

Durch die Verwendung nur eines Schwenkkolbens hat man einmal den Vorteil, einen wesentlich größeren Schwenkwinkel des Kolbens zu erreichen, was im Ver­ gleich zu den bekannten Motoren dieser Art mit zwei oder mehr Schwenkkolben eine wesentlich bessere Hub­ raumausnutzung bei vergleichbaren Außenabmessungen, sowie günstigere Hebelverhältnisse bei der Kraftüber­ tragung ermöglichen. Die geringere Zahl der korres­ pondierenden Flächen erlaubt zum andern einen ent­ sprechend geringeren Bedarf an Flächendichtungen. Als wesentlichen Vorteil gewinnt man aber, daß der Überströmkanal vollständig in die Drehschwingnabe einbezogen ist, obwohl diese zudem wesentlich kleiner ausgebildet ist, als bei den bekannten Schwenkkolben- Brennkraftmaschinen.

Der vorliegende Verbrennungsmotor arbeitet nur mit einem Schwenkkolben, was durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung der Schwenk­ bewegung in eine Rotationsbewegung mittels des Hebels, der Pleuelstange und der Kurbelwelle erreicht wird, wobei der Hebel als Gegengewicht dient und somit das Problem des Massenausgleichs gelöst ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des neuen Motors ergibt sich, wenn die mathematische Beziehung

befolgt wird, wobei R der Abstand der beiden Drehpunkte des Hebels, S der Schwenkweg des Hebels und α der Schwenkwinkel ist.

Eine andere Ausführung des vorliegenden Verbrennungsmotors macht es möglich, den Querschnitt des Auslaßkanals und das Verdichtungsverhältnis während des Betriebes in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zu verändern. Dadurch wird erreicht, daß die Leistungscharakte­ ristik über den gesamten Drehzahlbereich günstig gestaltet werden kann und der spezifische Verbrauch, sowie die Abgaswerte optimiert werden.

Die herkömmlichen Zweitakt-Motoren sind nur inner­ halb eines engen Drehzahlbereiches mit optimalem Gaswechsel zu betreiben. In den niedrigen Drehzahl­ regionen hingegen mangelt es an Leistung und bei hohen Drehzahlen steigt der spezifische Verbrauch stark an. Die Ursache ist, daß die Querschnitts­ fläche des Auslaßkanals nur innerhalb eines vor­ bestimmten Resonanzbereiches das rasche Ausströmen der verbrannten Gase und im Zusammenwirken mit der Abgasanlage das Füllen des Brennraumes mit überge­ strömtem Frischgas ermöglicht.

Bei modernen Zweitakt-Hubkolbenmotoren wird deshalb mittels eines Walzenschiebers die Querschnittsfläche des Auslaßkanals der Abgasmenge angepaßt. Das be­ deutet, daß, ausgehend von einem kleinen Querschnitt bei niedrigen Drehzahlen, die Querschnittsfläche ana­ log zur steigenden Drehzahl kontinuierlich angepaßt werden kann.

Der vorliegende Verbrennungsmotor erzielt denselben Effekt durch Drehen des Zylinders. Der Zylinder wird dabei durch Elektro­ motor, Unterdruck oder Fliehkraft innerhalb zweier Extremstellungen drehzahlabhängig gedreht. Dadurch kann auch die Größe des Verdichtungsraumes dem Füllungs­ grad angeglichen werden, was die Einhaltung niedriger Abgas- und Verbrauchswerte in sämtlichen Betriebs­ zuständen ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Aus­ führungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch den Verbrennungs­ motor und zwar durch den Brennraumteil,

Fig. 2 eine Rückansicht durch das geschnittene Kurbelgehäuse.

Fig. 3 eine Draufsicht des Verbrennungsmotors im Vollschnitt,

Fig. 4 die Funktionsabläufe des Verbrennungsmotors,

Fig. 5 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors mit veränder­ lichen Steuerzeiten, geschnitten im Berreich des Brennraumes,

Fig. 6 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors Fig. 5 mit ge­ drehtem Zylinder,

Fig. 7 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors Fig. 5 mit geschwenktem Kolben,

Fig. 8 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors Fig. 6 mit geschwenktem Kolben,

Fig. 9 eine Draufsicht des Verbrennungsmotors Fig. 5 bis 8,

Fig. 10 eine Prinzipskizze des Verbrennungsmotors Fig. 5 bis 9.

Fig. 1 zeigt den Verbrennungsmotor von vorne mit geschnittenem Motorgehäuse 1, das als Hohlzylinder ausgebildet ist. In der Zylinderachse 2 ist die Welle 3 angeordnet, die in der vorderen und hinteren Zylinderabdeckung 4 bzw. 5 (Fig. 3) in geeigneter Weise gelagert ist. Auf der Welle 3 ist fest und mit ihr drehbar der segmentartige Schwenk­ kolben 6 angeordnet. In dem zylindrischen Motorgehäuse 1 ist ferner ein ortsfestes Trennsegment 7 vorgesehen. Durch diese Ausbildung des Motorgehäuses 1 entstehen zwei von­ einander abgeschlossene Hohlräume, nämlich der Brenn­ raum 8 und der Vorverdichtungsraum 9, deren Bedeutung noch erläutert wird. Das Trennsegment 7 ist mittels der Schrauben 10 und 11 mit der Wandung des Motorgehäuses verbunden, wobei die Innenseite des Trennsegmentes 7 dicht an der Welle 3 anliegt. Die Dichtungselemente sind mit 12 und 13 bezeichnet. Der Schwenkkolben 6 ist mittels der Dichtungselemente 14 und 15 gegen die Innenwandung des zylindrischen Motorgehäuses 1 abgedichtet. In den Brennraum 8 ragt die Zündkerze 16 hinein. Die Welle 3 hat eine kanalförmige Ausnehmung, nämlich den Überström­ kanal 17. In der Wandung des Motorgehäuses 1 ist ferner der Einlaßkanal 18 für das Kraftstoffgemisch und der Aus­ laßkanal 19 für die Abgase vorgesehen.

Die Fig. 1 zeigt alle Motorteile in richtigem Verhält­ nis. In dem dargestellten und bevorzugten Ausführungs­ beispiel beträgt die Bogenlänge des segmentförmigen Schwenkkolbens etwa 100°. Bedingt durch die weitere, noch zu beschreibende Ausbildung des neuen Motors be­ trägt der Schwenkbereich des Schwenkkolbens 6 ebenfalls etwa 100° Bogengrade, das heißt, die Vorderkante 20 des Schwenkkolbens 6 gelangt etwa bis zu der gedachten Linie 21. Aus Gewichtsgründen ist der Schwenkkolben 6 hohl, wie mit dem Bezugszeichen 22 angegeben ist.

Die Übertragung der oszillierenden Bewegungen des Schwenkkolbens 6 auf die Abtriebswelle erfolgt mittels einer Pleuelstange und einer Kurbelwelle, deren Geometrie wesentlich für die Funktionsfähigkeit des Motors ist. Dies wird anhand der Fig. 2 erläutert.

Das Motorgehäuse 1 ist in der Fig. 2 nicht dargestellt. Es liegt bezüglich der Welle 3 vor dem Kurbelgetriebe, wie man aus Fig. 1 erkennen kann. Auf der Welle 3 ist der im gleichen Rhythmus wie der Schwenkkolben 6 verschwenk­ bare Hebel 23 fest angeordnet. Die oszillierende Be­ wegung des Hebels 23 ist mit dem Doppelpfeil 24 ange­ deutet. An dem der Welle 3 abgekehrten Ende des Hebels 23 ist die eine Seite der Pleuelstange 25 gelenkig be­ festigt, während die andere Seite der Pleuelstange 25 drehbar auf der Kurbelwelle sitzt. Auf der Abtriebs­ welle 27 sind in bekannter Weise zwei Schwungkörper 26 angeordnet. Die Abtriebswelle und damit die Schwung­ körper rotieren in Richtung des Pfeiles 28. Der Hebel 23, der im dargestelten Beispiel zwischen den Punkten 29 und 30 auf einem Kreisbogen der Länge S, wobei der Schwenkwinkel mit α bezeichnet ist, hin und her schwenkt, überträgt diese Schwenkbewegung über die Pleuelstange 25 auf die Abtriebswelle 27. Der gemeinsame Achspunkt 31 wird dabei auf dem Kreis 32 im Uhrzeigersinn bewegt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besteht nun zwischen den Größen S, α und R, wobei der Abstand zwischen den beiden Achspunkten 33 und 34 des Hebels 23 ist, die mathematische Beziehung

um optimale Betriebsverhältnisse zu schaffen.

Fig. 3 zeigt zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung einen waagerechten Schnitt durch den Verbrennungsmotor. Die Zündeinrichtung kann auf der Abtriebswelle 27 vorge­ sehen werden. Da diese Technik allgemein bekannt ist, braucht sie hier nicht näher erläutert zu werden.

Die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors wird nunmehr anhand der Fig. 4 erläutert. Hierbei ist nur das Motorgehäuse 1 mit dem Schwenkkolben 6 dargestellt. Die Erläuterung beginnt mit der Fig. 4a und setzt sich im Uhrzeigersinn über die Fig. 4b bis Fig. 4d fort, wie durch die Pfeile 35 bis 38 angedeutet ist.

In der Stellung des Schwenkkolbens 6 gemäß Fig. 4a wird das komprimierte Kraftstoffgemisch in dem Brennraum 8 gezündet. Da hierbei der Einlaßkanal 18 geöffnet ist, kann frisches Kraftstoffgemisch in den Vorverdichtungs­ raum 9 einströmen, wie durch die Pfeile 39 angedeutet ist. Durch die Zündung wird der Schwenkkolben 6 ent­ gegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt und verschließt hierbei den Einlaßkanal 18, wie man aus der Fig. 4b ersehen kann, während der Auslaßkanal nach und nach geöffnet wird. Bei der Schwenkbewegung des Schwenk­ kolbens 6 wird der Überströmkanal 17 in dem Bereich des Brennraumes 8 verschwenkt, so daß das vorver­ dichtete Kraftstoffgemisch von dem Vorverdichtungs­ raum 9 in den Brennraum 6 einströmen kann. Dabei sind die Abmessungen des Schwenkkolbens 6 und des Ausströmkanals 19 so gewählt, daß die Abgase bereits anfangen auszuströmen, bevor das vorverdichtete Ge­ misch in den Brennraum 8 einströmen kann. Hierdurch erzielt man ein besseres Austreiben der Abgase und erreicht, daß möglichst wenig Frischgemisch mit aus­ strömt. Diese Verhältnisse kann man noch dadurch günstiger machen, daß der in der linken Endstellung des Schwenkkolbens 6 (Linie 21 in der Fig. 1) ver­ bleibende Restraum 40 noch relativ groß ist, so daß der dort herrschende Überdruck hinreichend aber nicht so groß ist, daß ein beträchtlicher Anteil des vorver­ dichteten Kraftstoffgemisches durch den Auslaßkanal 19 entweichen könnte.

Fig. 4c zeigt die linke Endstellung des Schwenkkolbens 6. Hierbei ist der Einlaßkanal 18 vollständig geschlos­ sen und der Auslaßkanal 19 maximal geöffnet. Der Über­ strömkanal hat ebenfalls seine größte Durchflußöffnung von dem Restraum 40 in den Brennraum 8. Der Schwenk­ kolben 6 beginnt nun wieder zurückzuschwingen und be­ wirkt in der Stellung gemäß Fig. 4d eine vollständige Schließung des Einströmkanals 18 sowie des Ausström­ kanals 19 und des Überströmkanals 17. Hierbei wird das Kraftstoffgemisch in dem Brenraum 8 verdichtet, bis es in der Situation gemäß Fig. 4a gezündet wird. Von da an wiederholen sich die beschriebenen Vorgänge.

Fig. 5 zeigt eine Variante des Verbrennungsmotors, die es er­ möglicht, die Auslaßquerschnittsfläche und die Größe des Verdichtungsraumes während des Betriebes zu verändern, in der Vorderansicht mit geschnittenem Zylinder 1. Der Zylinder 1 ist über eine Hohlwelle 44 (Fig. 9, 10), in der die Welle 3 gelagert ist, dreh­ bar mit dem Kurbelgehäuse 42 verbunden. Der Dreh­ winkel der Hohlwelle 44 und somit des Zylinders 1 wird durch geeignete Anschläge auf ca. 5° begrenzt. Das Drehen des Zylinders 1 erfolgt durch einen nicht näher dargestellten Antrieb, für den sich besonders ein Elektromotor, aber auch ein Antrieb durch Flieh­ kraft des Schwungrades oder Unterdruck des Ansaug­ krümmers eignet.

Der Schwenkkolben 6, der sich in der oberen Totpunktstel­ lung befindet, weist ein Übermaß 46 auf, das nicht kleiner als der Drehwinkel des Zylinders 1 sein darf, da ein dichtes Verschließen des Auslaßkanals 19 sonst nach der Drehung des Zylinders 1 nicht mehr gewähr­ leistet wäre.

Die Querschnittsfläche des Einlaßkanals 18 darf durch die Zylinderbewegung nicht beeinträchtigt werden, wes­ halb Einlaßkanal 18 und Auslaßkanal 19 räumlich von­ einander getrennt werden müssen. Eine Membrane 41 wie sie auch in Zweitakt-Hubkolbenmotoren Verwendung findet, ermöglicht die Verlegung des Einlaßkanals 18 in das als Zylinderkopf ausgelegte Trennsegment 7. Der weitere Aufbau entspricht dem in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Verbrennungsmotor.

Fig. 6 zeigt den Motor mit gleicher Position des Schwenkkolbens 6 wie in Fig. 5, allerdings wurde der Zylinder um 5° nach rechts gedreht, erkennbar an den beiden Kanten des Schwenkkolbens 6. Der Verdichtungsraum 8 wurde dadurch verkleinert, was bei niedrigen Drehzahlen und damit verbundenem geringem Füllungsgrad durch den gesteigerten Kompressionsdruck eine effektive Verbrennung erlaubt.

Fig. 7 zeigt den Verbrennungsmotor mit in Grundstellung befind­ lichem Zylinder 1 und Schwenkkolben 6 in unterer Totpunkt­ stellung. Auslaßkanal 19 und Überströmkanal 17 sind maximal geöffnet. Im oberen Drehzahlbereich wird da­ durch ein optimaler Gaswechsel ermöglicht.

Fig. 8 zeigt den Verbrennungsmotor mit gedrehtem Zylinder 1 und Schwenkkolben 6 in unterer Totpunktstellung. Der Auslaß­ kanal 19 wird durch die Zylinderdrehung im Durchmesser verkleinert, in stärkerem Maße als der Überström­ kanal 17. Im niedrigen Drehzahlbereich wird somit bei guter Frischgasfüllung das Resonanzverhalten des Aus­ laßkanals 19 positiv beeinflußt. Das heißt, daß über­ geströmtes Frischgas durch die Reflektion im Aus­ pufftrakt in den Zylinder 1 zurückgelangt und einen Aufladungseffekt bewirkt.

Daraus ergibt sich die Verbesserung des Verbrauchs- und Abgasverhaltens, sowie der Leistungscharakteristik.

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht des Verbrennungsmotors.

Fig. 10 zeigt den schematischen Aufbau des Verbrennungsmotors, ins­ besondere die drehbare Verbindung von Zylinder 1 und Kurbelgehäuse 42. Der Zylinder 1 ist mit der Hohlwelle 44, die ihrerseits in dem Kurbelgehäise 42 drehbar ge­ lagert ist, fest verbunden.

In der Hohlwelle 44 ist die Welle 3, die den Schwenkkolben 6 mit dem Hebel 23 verbindet, gelagert. Um die Be­ wegungsmöglichkeit der Pleuelstange 25 auch bei unter­ schiedlicher Position des Zylinders 1 zu gewährleisten, muß in der Hohlwelle 44 eine ausreichend große Aus­ sparung 45 vorhanden sein.

Die Abtriebswelle 27, die über die Pleuelstange 25 mit dem Hebel 23 verbunden ist, hat ihren Lagersitz in der Gehäusebohrung 46.

Claims (5)

1. Zweitakt-Schwenkkolben-Brennkraftmaschine mit einem zylindrischen, an beiden Seiten abgeschlossenen Motorgehäuse 1, in dessen Mittelachse eine Welle 3 mit kanalartiger Ausnehmung (Überströmkanal 17) zur Anlenkung des Schwenkkolbens 6 vorgesehen ist, mit einer segmentartigen Trennwand 7, mit einer Zünd­ einrichtung 43 und einer Vorrichtung zur Zuführung des Kraftstoffgemisches 18 und zur Abführung der Abgase 19, welche Vorrichtungen durch den Schwenk­ kolben verschließbar und öffenbar sind, mit einem an der Welle befestigten Hebel 23, dessen freies Ende mit der Pleuelstange 25 drehbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines optimalen Leistungsgewichtes nur ein Kolben mit kleiner Drehschwingnabe eine Schwenkbewegung größer 90° ausführt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinder 1 zur Erzielung ver­ änderlicher Steuerzeiten und eines variablen Ver­ dichtungsverhältnisses relativ zu dem Kurbelge­ häuse 42, in Abhängigkeit von Last und Drehzahl, nach links und rechts gedreht werden kann.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Zylinders mittels Elektromotor, Unterdruck oder Fliehkraft erfolgt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkkolben ein Kanten­ winkelmaß entsprechend der Beziehung Kantenwinkelmaß + Drehwinkel = Schwenkwinkel des Kolbens + Drehwinkel des Zylinders aufweist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal 18 mit einer Membrane 41 versehen ist.