DE3831451A1

DE3831451A1 - Verbrennungsmotor mit rotationsfreilaufenden kolben

Info

Publication number: DE3831451A1
Application number: DE19883831451
Authority: DE
Inventors: Cralea Dipl Ing Mircea
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-09-16
Filing date: 1988-09-16
Publication date: 1990-04-12

Description

Prinzip 1. Einfach wirkend

Die Besonderheit des Prinzips für die Motorfunktionalität besteht darin, daß die Umformung der Bewegung, nicht mehr durch das System Pleuelstange-Kurbelwelle statt finden wird, sondern durch das fol gende Umwandlungsprinzip:

Der Kolben, von einer ähnlichen Konstruktionsform des Klassischen, verschiebt sich im Innenraum des Arbeitszylinders in eine zusammen gesetzte Bewegung, und zwar von zwei Bewegungen, eine hin- und her gehende Translationsalternativbewegung und eine ständige kontinuier liche in dieselbe Richtung Rotationsbewegung. Die resultierende zu sammengesetzte Bewegung stellt eine schraubenförmige Bewegung dar, verbindet mit einer hin- und hergehenden Translationsalternativbe wegung in eine gegenseitige Interdependenz (wechselseitige Abhän gigkeit). Praktisch eine kontinuierliche einbahnrichtungsalterna tivschraubenden Bewegung.

Die Translationsalternativbewegung, bzw. von hin- und hergehende Bewegung, führt zu der Verwirklichung der Funktionalität des Mo torzyklusses, bzw. deren 4 Bewegungstaktzeiten: Ansaugen, Verdich ten, Ausdehnen und Ausschieben.

Die Rotationsbewegung ist die notwendige resultierende Bewegung für die Übertragung des Motormoments (Drehmoments).

In diesem Sinn, für die Verwirklichung dieser zusammengesetzten Be wegung wird in die innere Wand des Arbeitszylinders ein elykoidaler (schraubförmiger) Kanal von einer ähnlichen Form einer "geschlos senen Sinusoide") praktiziert.

Der Kolben wird auf einer Bewegungsbahn der (o. g.) Kurve gesteu ert durch die Vermittlung von zwei Führungsbolzen oder -kugel. Das ergibt, daß der Kolben so eine Bewegung durchführt, die die elykoi dale Bahn des Kanals verfolgt und die zusammengesetzte Bewegung des Kolbens darstellt.

Im Innenraum, der Kolben wird sich wieder auf einer Umwandlungs achse gesteuert, die longitudinal 2 auf 180° gegengesetzte Kanäle praktiziert worden sind.

Die Steuerung (Führung) kann man durch die Vermittlung der Bolzen, Rollen oder Kugeln (Fig. 2, 3, 4, 5) verwirklich werden.

Die resultante Bewegung der Umwandlungsachse 3 ist einer mit dem Kolben 1 zusammengesetzten Umdrehungsbewegung.

Die von dem Kolben 1 übertragene Bewegung durch die Vermittlung der Umwandlungsachse 3 wird der Motorwelle 7, bzw. der Nockenscheibe 11, durch die Zahnräder 24 überträgt. Zugleich wird die Abhängigrela tion und die Korelation mit den anderen Arbeitszylinder behalten.

Das Übersetzungsverhältnis wird von dem im Zylinder praktizierten Kanaltyp ergeben. In Fig. 1 i = 1 : 1 (das Übersetzungsverhältnis).

Der Bewegungsprozeß eines Motors mit dem Funktionalitätszyklus in 4 Taktzeiten verläuft auf folgende Weise:

Taktzeit 1. Explosion = Ausdehnen (Arbeitszeit)

Die Druckkraft der Gase, die in der Ausdehnungszeit infolge der Ver brennung erzeugt wird, ergibt, daß der Kolben 1 sich im Innenraum des Zylinders 6 vom oberen Totpunkt OT Fig. 5-2a zu unterem Totpunkt UT Fig. 5-2b verschieben.

Wegen dem elykoidalen Kanal 2, der im Zylinder 6 praktiziert wird, wird der Kolben 1 in der Zeit dieser Hub an die Durchführung um die eigene Achse an eine Umdrehungsbewegung gezwungen, entsprechend dem Kanaltyp bzw. ¹/₂, ¹/₄ Umdrehung oder verschieden, aber entsprechend einer Motorzeit (Taktzeit). Diese Bewegung dank der Führung der 2 Führungsbolzen oder -kugel 5 des Kolbens 1 im elykoidalen Kanal 2 des Zylinders 6.

Die zwei Bolzen oder Kugel 5 des Kolbens 1 wird zugleich auch in den Innenraum auf der Umwandlungsachse 3 geführt, die durch ihre longi tudinal ausrutschende und umdrehende Bewegung in die auf 180° gegen gesetzte Kanäle der Achse, dieser an eine mit dem Kolben 1 zusammen gesetzte Bewegung zwingt.

Auf der Umwandlungsachse 3 wird ein Zahnrad 24, auf der Achse befe stigt, veranlaßt, die in der Lage ist, die Umdrehungsbewegung der Mo torzentralwelle 7 und der Zentralnockenwelle (wenn das Übersetzungs verhältnis i ≠ 1) zu übertragen und zugleich die gegenseitige Bewe gungsrelation mit den anderen Zylindern und die Bewegungszeiten des Zyklus zu behalten.

Taktzeit 2. Ausschieben

Von diesem Moment an, für die anderen 3 Taktzeiten des Zyklus, bzw. 2-Ausschieben, 3-Ansaugen und 4-Verdichten verläuft der Bewegungs prozeß in die umgekehrte Richtung, und zwar, von der Umwandlungs achse 3, die Bewegung, die von der Motorwelle 7 durch das Zahnrad 24 übertragen wird, zu dem Kolben 1 und Zylinder 6.

In derselben Zeit hat der nächste Zylinder 6 die Explosionsphase (Aus dehnen). Das macht, daß die Umdrehungsbewegung der Motorwelle 7 zu dem Zahnrad 24 der Umwandlungsachse 3 übertragen wird.

Dessen Umdrehungsbewegung zwingt den Kolben 1 auf einer zusammen gesetzten Umdrehungsbewegung dank der Führungsbolzen oder -kugel 5, die sich auf den Kanälen 2 des Zylinders 6 und der Umwandlungsachse 3 steuern.

Taktzeit 3. Ansaugen - Taktzeit 4. Verdichtung

Diese 2 Zeiten verfolgen entsprechend dem selben Bewegungsprinzip mit dem Unterschied, daß für die Taktzeit 3-Ansaugen, der Kolben 1 sich in seine "Schrauben" Bewegung auf dem Hub OT-UT und für die Taktzeit 4-Verdichtung auf dem Hub UT-OT verschiebt.

So wird ein Viertaktmotorzyklus beendet, nachdem ein anderer Zyklus von Anfang beginnen wird.

Anordnung, Stellung, Beschreibung

Die Zylinder 6 werden mit der Achse parallel an der Motorwelle 7 und radial gleich auf dem Umfang zugeteilt.

Der Kolben 1 arbeitet dephasiert einer gegenüber dem anderen und 2 mit 2 in Phase positioniert, ähnlich der Kurbelzapfen an der Kurbel welle des klassischen Motor. Zum Beispiel 1 mit 3 an OT und 2 mit 4 an UT. Die Steuerung des Einlaßventils 9 und Auslaßventils 10 wird gemein sam für alle Zylinder 6 von einer axial-zentral positionierten Stirn nockenscheibe 11 betätigt.

Die Stirnseite der Nockenscheibe 11 hat 2 aktive an 2 verschiedene Durchmesser Steuerungsoberfläche 11 a und 11 b. An dem äußeren Durch messer 11 b die Nockenhervorhebung, die die Auslaßventile 10 betätigt, und an den inneren Durchmesser 11 a die Nockenhervorhebung, die die Anlaßventile 9, in konsekutiver Einordnung des Zylinders: 1, 2, 3, 4 betätigt.

Je nachdem der Konstruktionsvariante, bzw. direkter Antrieb auf die Ventile oder durch Kipphebel, der Nocken (Nockenscheibe) kann die ak tive Oberfläche 11 a und 11 b auch an 2 verschiedener Höhe haben.

Die Ventile oder die Kipphebel haben an der Kontaktoberfläche mit dem aktiven Teil des Nockens Rolle oder Kugel. Die Spielregelung kann man klassisch-mechanisch oder hydraulisch durch Öldruck durch geführt werden.

Der Nockenbau kann die Verzahnung 16 = 11 c mit 38 haben, die die Auf gabe hat, die Turbine für die Hochdruckaufladung des Comprex-Systems (unabhängig der Trägheit der Gase von dem Turbo-System) anzutreiben.

Für Zylinder mit mehr als 2 Ventile kann man auch andere Ventilbetä tigungsvariante angenommen werden, bzw. Normaltypen von Nockenwelle für jeden Zylinder, oder eine Nockenscheibe mit mehreren an verschie dene Durchmesser Nockenhervorhebungen, und zwar für jeden Ventiltyp einen Durchmesser.

In Fig. 1 das Übersetzungsverhältnis i von der Umwandlungsachse 3 zu der Motorwelle 7 ist i = 1 : 1.

Dieser Motor kann mit einen oder mehreren Zylindern, axial zuge teilt, mit einfacher oder doppelter Wirkung (Prinzip 2) funktionie ren.

Die Gleitlager können durch Wälzlager ersetzt werden.

Aufladungssystem: normal durch Vergaser oder Einspritzung.

Hochdruckaufladungssystem: Comprex oder Turbo.

Der Zylinder: Bauform, Funktion

Kann verschiedene Bauformen haben, von denen ich je nach den funk tionalen oder konstruktiven Charakteristiken des Kanals folgenden Typs genannt habe.

Der Zylindertyp 1/4 oder normal

Auf der Oberfläche, die von dem inneren Umfang des Zylinders 6 um faßt wird, wird ein geschlossener Elykoidal(schraubförmiger)kanal von einer ähnlichen Form einer Synusoidkurve praktiziert.

Fig. 8 stellt die Entfaltung (Entwicklung) der Bahn der inneren Ober fläche des Zylinders 6 dar.

Min. = OT (oberer Totpunkt)
Max. = UT (unterer Totpunkt)

Der Kanal 2 wird keine Übereinandersetzung der Kurve leiden und hat 2 Maximumpunkte an den UT und 2 Minimumpunkte an den OT situiert.

Die Nachfolge wird: OT-UT-OT-UT an eine Umdrehung des Kolbens = 2 PI.

Die Kreuzung deren 2 Gerade, bzw. UT-UT und OT-OT bildet ein 90° Winkel. Das bedeutet, daß für 1 Motorzyklus bzw. 4 Taktzeiten oder 4 Hub der Kolben 1 bzw. die Umwandlungsachse 3 eine komplette Um drehung durchführt. 1 Taktzeit bedeutet ¹/₄ Umdrehung.

Die Bewegung hat Kontinuität und Gleichmäßigkeit. Die Zeiten sind gleichmäßig zueinander.

Der Zylindertyp 1/2

Auf der inneren Oberfläche des Zylinders 6 werden 2 geschlossene Elykoidalkanäle 2 praktiziert.

Fig. 9 stellt die Entwicklung der Bahn der inneren Oberfläche des Zy lindertyps 1/2 dar.

Die Kanäle 2 werden 2 Übereinandersetzung der Kurven leiden. Es kom men ebenfalls 2 Maximumpunkte und 2 Minimumpunkte vor, aber die sind auf dieselben Gerade und Generatoren zu zweit situiert. In diesem Fall, die Punkte UT-OT haben eine auf 180° symmetrische Abwechselung.

Die Nachfolge wird: OT-UT-OT-UT an 2 Umdrehung des Kolbens = 2 PI.

Für 1 Motorzyklus in 4 Taktzeiten, der Kolben 1 bzw. die Umwandlungs achse 3 wird 2 komplette Umdrehungen durchführen. Die Zeiten sind gleichmäßig zueinander.

Jeder Führungsbolzen oder -kugel leidet in der Zeit eines Motorzyklusses eine Ungleichmäßigkeit der Bewegung in 4 Kreuzpunkte.

Um der Ungleichmäßigkeit der Bewegung auszuweichen, soll eine spe zielle Konstruktionslösung des Kolbens 1 angenommen werden, die die Bewegung in den Kreuzpunkten der Kurve gleichförmig zu machen. Tat sache durch eine zusätzliche Führung verwirklicht Fig. 12 und 14.

Der Zylindertyp 1/1

Der Kanal 2, der von 2 Kurven zusammengesetzt wird, leidet 6 Über einandersetzungen der Bahn.

Fig. 10 stellt die Entwicklung der Bahn der inneren Oberfläche dar.

An der Durchführung eines Zyklus einen Führungsbolzen oder -kugel wird Ungleichmäßigkeiten an 12 Kreuzungen leiden.

Ein Zyklus entspricht 4 komplette Umdrehungen des Kolbens. Man kann einen speziellen Kolbentyp vom Typ Fig. 12 verwenden.

Der Spezialzylinder

Der Kanal 2 kann von einem ähnlichen der vorgehend genannten Typ sein, was die Bahn betrifft, mit dem Unterschied, daß die Zeiten nicht mehr gleichmäßig sind. Nämlich erscheint ein unterschiedlicher Umdrehungsgrad, des Kolbens bzw. der Umwandlungsachse, einer Takt zeit zu dem anderen z. B. das Ansaugen und Ausdehnen haben einen größe ren Umdrehungsgrad bzw. die Dauer größer als das Verdichten und Aus schieben Fig. 11.

Bezweckt z. B. für die Verbesserung der Ladung.

Spezialkolben mit zusätzlicher Führung durch Satellitkugeln

Die Satellitkugeln sichern eine Gleichmäßigkeit bzw. Kontinuität der Bewegung in den Kreuzpunkten des Bahnkanals und beseitigt die Gefahr der Umkehrung der Bewegung oder die Unaufbewahrung der Bewegungskor rektbahn.

Die Führung wird von den Satellitkugeln übernommen, in dem Moment in dem die Kugel oder der Führungsbolzen kein Kontakt mit dem Kanal hat.

Die notwendige Bedienung ist die, daß der Winkel der Neigung (Auf stieg oder Ausstieg) maxim ist und mit einer konstanten Neigung auf der Strecke (Gerade) der 3 Führungspunkte (-kugel).

Die erklärende Liste der Abbildung

Fig. 1-14 stellt das Prinzipschema dar.

Fig. 1 Durchschnitt durch den Verbrennungsmotor mit rotations freilaufenden Kolben mit im 4 Taktzeiten Funktionszyklus und Zylindertyp 1/4.

Fig. 2 Durchschnitt durch den Zusammenhang: Zylindertyp 1/4 - freier Kolben - Umwandlungsachse. Führung durch Bolzen.

Fig. 3 Durchschnitt A-A zu Fig. 2 Variante 1: Führung durch Bolzen.

Fig. 4 Durchschnitt A-A zu Fig. 2 Variante 2: Führung durch Bol zen und Rollen.

Fig. 5 Durchschnitt A-A zu Fig. 2 Variante 3: Führung durch Ku geln.

Fig. 6 Draufsicht für die Motorvariante mit Stirnnockenscheibe mit aktiven Oberfläche an 2 verschiedene Höhen und mit Betätigung auf die Ventile durch Kipphebel.

Fig. 7 Draufsicht für die Motorvariante mit Stirnnockenscheibe - Schwungscheibe mit direkten Betätigung auf die Ventile und mit dem Antrieb des Comprex-Systems für die Hochdruck aufladung.

Fig. 8, 9, 10, 11 die Wegediagramme. Die Entwicklung der inneren Oberfläche (die Bahn) des Zylinders 1/4, 1/2, 1/1 und speziell mit dephasierte und von verschiedenen Intensitäts zeiten.

Fig. 12 die Entwicklung der äußeren Oberfläche des Spezialkol bens mit zusätzlicher Führung durch Satellitkugeln.

Fig. 13 Durchschnitt durch den Zylinder 1/4 mit geraden Kanal für Führung durch Bolzen.

Fig. 14 Verfolgungsschema der Spezialführung des Spezialkolbens in die Kanäle des Zylinders 1/2 in den Kreuzpunkten (Un gleichförmigung).

Bezeichnungsliste der Elemente

1 freier Kolben mit der Führung durch Kugeln, Bolzen oder Rollen
2 in Zylinder praktizierter Kanal
2 a Kanalteil zu oberem Totpunkt (OT)
2 b Kanalteil zu unterem Totpunkt (UT)
3 Umwandlungsachse (der zusammengesetzten Bewegung des Kolbens zur Umdrehungsbewegung)
4 Zwischenbuchse
5 Führungselement Kugel oder Bolzen (siehe Variante)
6 Arbeitszylinder
7 Motorwelle (Nockenwelle)
8 Zylinderkopf
9 Anlaßventil
10 Auslaßventil
11 Stirnnockenscheibe (Aufgabe: Nocken, Schwungscheibe, Zahnrad für der Antrieb des Comprex-Systems für die Hochdruckaufladung)
11 a die aktive Seite zur Betätigung der Anlaßventile
11 b die aktive Seite zur Betätigung der Auslaßventile
11 c Verzahnung für den Antrieb des Comprex-Systems
12 Ventilfeder
13 Kontakt- und Betätigungselement der Ventile, Kugel (Rolle)
14 verstellbares Verbindungszwischenelement zur Betätigung der Ventile (schematisch)
15 die Scheibe der Ventilfeder
16 Abstandscheibe
17, 23, 25, 26 Buchse, Gleitlager oder Wälzlager
18 Ventilführung
19 Zylinderkopfdeckel
20 Befestigungsmuttern des Nockens
21 Buchse, Lager
22 Ventilator (schematisch)
24 Zahnrad
27 Zylinderblockdeckel
28 Zylinderblock
29 Kolbenringe
30 Auslaßkanal
31 Anlaßkanal
32 Unterlegeblock der Auslaßkipphebel
33 Unterlegeblock der Anlaßkipphebel
34 Kipphebel zur Betätigung der Anlaßventile
35 Kipphebel zur Betätigung der Auslaßventile
36 Anlaß-Auslaßblock
37 Turbinenachse
38 Zahnrad der Achse 37

Claims

1. Verbrennungsmotor mit rotationsfreilaufenden Kolben von Fig. 1 mit in 4 Taktzeitenfunktion und Arbeitszylinder (6) von Typ 1/4 Fig. 13, die radial-axial um die Zentralmotorwelle (7) ange ordnet werden mit Stirnnockenscheibe (11) mit Nocken-Schwung scheibe-Funktion (und Antrieb des Comprex-Systems für die Hochdruckaufladung durch die Turbinenachse 37), daß die Kolben (1) sich in eine hin- und hergehende-zusammengesetzte Bewegung in das innere Raum des Arbeitszylinders (6) und auf der Umwand lungsachse (3) durch Führungskugeln (-bolzen) verschiebt und die diese Bewegung in Rotationsbewegung umformt, daß die Bewegung zu der Motorwelle (7) in Übersetzungsverhältnis i = 1 : 1 (i ab hängig von Zylindertyp) durch Zahnräder (24) übertragen wird.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitszylinder (6) von Typ: 1/4, 1/2, 1/1 und spezial sein kann mit entsprechenden Art von Kanäle (Bahn) und in Fig. 8, 9, 10, 11 und 13 prinzipiell dargestellt.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Arbeits- und Umwandlungszusammenbau der Bewe gung: Zylinder (6) - Kolben (1) - Umwandlungsachse (3) mit Führung durch Führungselemente in verschiedene Variante Fig. 2, 3, 4 und 5 bittet, daß der Kanal (2) auf der inneren Wand des Zylin ders (6) praktiziert wird, und daß der Kolben (1) sich auf die 2 auf 180° gerade-longitudinale Kanäle der Umwandlungsachse (3) verschiebt, und daß die zusammengesetzte Bewegung dadurch in Rotationsbewegung der Umwandlungsachse (3) umformt wird.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor von Fig. 1 auch die Motorvariante von Fig. 6 mit Stirn nockenscheibe (11) mit Betätigung der Ventile (9) und (10) durch Kipp hebel (34) und (35) sein kann.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor von Fig. 1 auch die Motorvariante mit Stirnnockenschei be - Schwungscheibe (11) mit direkten Betätigung der Ventile (9) und (10) und Antrieb der Turbinenachse (37) für die Hochdruckaufladung sein kann.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß der Motor auch Spezialkolben mit zusätzlichen Füh rung durch Satellitkugeln Fig. 12 haben kann und in Verfolgungs schema der Führung der Satellitkugeln in der Ungleichförmi gungspunkte der Kanalbahn ohne die Erklärung der Aktion der Kräfte schematisch in Fig. 14 dargestellt.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß der Kolben sich in eine zusammengesetzte Bewegung auf eine doppelte Führung auf dem Zylinder in geschlossener "Sinusoidal" Kanal und auf der Umwandlungsachse auf 2 auf 180° gegengesetzte Kanäle verschiebt mit Führung durch Bolzen, Ku geln oder Rollen und die Rotationsbewegung der Umwandlungsachse (3) zu der Motorwelle (7) durch Zahnräder übertragen wird.