DE4000384A1

DE4000384A1 - Kreisbogen-gleichlaufdoppelkolben-kurbeltriebmaschine

Info

Publication number: DE4000384A1
Application number: DE4000384A
Authority: DE
Inventors: Hermann Meckes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-01-09
Filing date: 1990-01-09
Publication date: 1991-07-11

Description

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

Bekannte Viertakt-Maschinen erreichen auf Grund ihrer Ventilsteuerung einen relativ guten Gaswechsel. Zweitakt-Maschinen können auf Kosten eines schlechten Gaswechsels auf diese Ventilsteuerung verzichten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäße Maschine so zu verbessern, daß die jeweiligen Vorteile des Viertakters und des Zweitakters vereinigt werden, daß also gegenüber dem Viertakter auf eine Ventilsteuerung verzichtet werden kann und gegenüber dem Zweitakter ein vollständiger Gas ausstoß stattfindet.

Außerdem können Kompressions- und Expansionsvolumina voneinander unabhängig gestaltet und auf Grund der Bauform Dichtprobleme erheblich reduziert werden.

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

Die erfindungsgemäße Maschine besteht im Wesentlichen aus einem ring förmigen Zylinder und zwei auf einer Achse gelagerten ringförmigen Kolben. Der Mitteldurchmesser des Zylinders und der Kolben sind identisch und haben ihren Mittelpunkt in der Lagerachse der Kolben. Die beiden Kolben sind mit einem gemeinsamen Kurbeltrieb über je ein Pleuel verbunden.

Die Verdichtungs- und Expansionsräume entstehen durch die unterschiedliche Anbringung der Pleuelstangen an den beiden Kolben und an ihrem Kurbeltrieb. Die dadurch entstehenden unterschiedlichen Hubwinkel der Kolben führen zu dem gewünschten Effekt. Die Winkelunterschiede können ebenso frei gewählt werden wie die Hubwinkel eines jeden Kolbens.

Um eine bessere Raumausnutzung und eine bessere Auswuchtung des Systems zu erreichen, kann die Anordnung punktsymmetrisch zur Lagerachse der Kolben vorgesehen werden.

Da beide Kolben einen gemeinsamen Drehpunkt besitzen, ihren Kreismittelpunkt, sind die Durchmesser und Radien der Kolben so ausgelegt, daß sich Kolben mantelfläche und Zylinder nie berühren.

Die Dichtung zwischen Kolben und Zylinder erfolgt entweder durch Dichtringe oder Labyrinthdichtung.

Auch bei der Ausführung mit Dichtelementen sind Reibung und damit auch Schmierung geringer als bei herkömmlichen Hubkolbenmaschinen, da die Kolben- oder Zylinderringe die einzigen Teile sind, die mit der Zylinder bzw. Kolbenfläche in Berührung kommen und außerdem die durch bei herkömmlichen Kolbenmaschinen drehpunktgemäße Einhängung des Kolbens am Pleuel verursach ten Kippmomente nicht entstehen.

Für den Fall, daß die Umkehrpunkte der beiden Kolben gleichzeitig erreicht werden und zu diesem Zeitpunkt auch die größte Kompression stattfindet, gelten folgende Beziehungen für die Komponenten des Systems:
Darstellung in Fig. 2.

Punkt A: gemeinsame Lagerachse der Kolben
Punkt B: Pleuelaufhängung am Kurzhubkolben
Punkt C: Lagerachse des Kurbeltriebs
Punkt D: Pleuelaufhängung des Kurzhubkolbens am Kurbeltrieb
Punkt E: Pleuelaufhängung des Langhubkolbens am Kurbeltrieb
Punkt F: Pleuelaufhängung am Langhubkolben

Strecke a: Abstand Strecke b: Abstand Strecke d: Abstand Strecke e: Abstand (Wirklänge des Pleuels am Kurzhubkolben)Strecke f: Abstand (Wirklänge des Pleuels am Langhubkolben)Strecke r: Abstand = (Wirkradius des Kurbeltriebs)

Winkel α: Hubwinkel des Kurzhubkolbens
Winkel β: Hubwinkel des LanghubkolbensWinkel γ: Winkelversatz von und

Eine Verringerung des Winkels γ bewirkt, daß Kompressions- und Expansionsräume nicht mehr identisch sind.

Bei Drehung des Kurbeltriebs in Uhrzeigersinn wird der Expan sionsraum größer als der Kompressionsraum, bei Drehung des Kurbel triebs in Gegenuhrzeigersinn wird der Kompressionsraum größer als der Expansionsraum.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung einer Einzylindermaschine mit gleichzeitigem Erreichen der Kolbenumkehrpunkte in den Bewegungsphasen 1. bis 4.

Fig. 2 geometrische Verhältnisse der Maschine zur Berechnung der Komponenten im System.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Einzylindermaschine im Querschnitt.

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einzylindermaschine mit Ein- bzw. Ausströmöffnung im Querschnitt.

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Zweizylindermaschine im Querschnitt, bei der die einzelnen Komponenten punktsymmetrisch zur Lagerachse der Kolben ausgebildet sind.

Fig. 6 schematische Darstellung einer Einzylindermaschine mit zeitunterschiedlichem Erreichen der Kolbenumkehrpunkte in den Bewegungsphasen 1. bis 6.

Im einfachsten Fall ist die Maschine als Einzylindermaschine ausgeführt mit einem Kurzhubkolben 20 einem Langhubkolben 21 und einem gemeinsamen Kurbel trieb 25, wie in Fig. 1 dargestellt.

Die Lagerstelle 26 der beiden Kolben ist identisch, sie sind über je ein Pleuel 23, 24 mit dem Kurbeltrieb verbunden.

Die Ansaug-, Verdichtungs-, Expansions- und Ausstoßräume a, b, c, d werden durch die unterschiedliche Anbringung der Pleuel an den Kolben und die dadurch erzeugten Geschwindigkeitsunterschiede der Kolben zueinander erzeugt. So kann die Maschine als Lader, Kompressor, Zweitakt-Diesel, Ottomotor, Pumpe, Vakuumpumpe, Dampfmaschine, Luftmotor, Heißluftmotor oder Rückstoßmaschine verwendet werden.

In Phase 1 haben die Kolben 20 und 21 ihre Umkehrpunkte überschritten und bewegen sich im Gegenuhrzeigersinn. Durch die unterschiedliche Aufhängung der Pleuel an den Kolben ist Kolben 21 schneller als Kolben 20, im Raum a wird angesaugt. In Phase 2 hat der Kolben 21 den ringförmigen Zylinder 22 erreicht und ist in ihn eingetaucht. Die Ansaugphase ist somit abgeschlossen, es be ginnt die Kompressionsphase, bei der Raum 6 verdichtet wird.

Die Fläche des Kurzhubkolbens übernimmt die Funktion des Zylinderkopfes. In Phase 3 haben beide Kolben ihre Umkehrpunkte überschritten und bewegen sich nun wieder im Uhrzeigersinn.

Der kompimierte Raum c wird nun zum Expansionsraum.

In Phase 4 hat der Langhubkolben 21 den Zylinder verlassen, so daß das Gas vom Kurzhubkolben 20 bis zu dessen Umkehrpunkt vollständig ausgestoßen werden kann (d).

Fig. 2 zeigt die geometrischen Verhältnisse der Maschine zur Berechnung der Komponenten im System. Die Berechnung kann wie zuvor ausgeführt vorge nommen werden. Ein Verändern des Versatzwinkels γ führt wesentlich zur Ver änderung von Kompressions- und Expansionsvolumen.

Die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Maschine in Fig. 3 zeigt eine Einzylindermaschine mit den wesentlichen Bauteilen.

Den Kurzhubkolben 20, den Langhubkolben 21 und den Zylinder 22, die alle einen kreisförmigen Querschnitt haben und die ringförmig gestaltet sind.

Der Mittelpunkt der jeweiligen Ringsegmente ist identisch und liegt in der Lagerachse 26. Zur Erzeugung der unterschiedlichen Hubwinkel wird ein gemein samer Kurbeltrieb 25 verwendet, der in der Kurbeltrieblagerachse 29 gelagert ist. Die unterschiedlichen Hubwinkel werden durch die unterschiedliche Anbrin gung der Pleuel 23 und 24 an den Kolben 20 und 21 in den Lagerstellen 30 und 31 erreicht. Eine Veränderung der Lagerstellen 27 und 28 der Pleuel am Kurbel trieb bewirkt, daß Kompressions- und Expansionsvolumina variabel gestaltet werden können.

Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung der Maschine mit einem zusätzlichen Ein- bzw. Ausströmkanal 32, der in der Zylinderwand des Zylinders 22 sitzt. Der Kurzhubkolben 20 öffnet und verschließt diesen Kanal während eines Arbeits spiels je einmal.

Die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zweizylindermaschine zeigt Fig. 5. Kurzhubkolben 20, Langhubkolben 21, Zylinder 22, das Pleuel des Kurzhubkolbens 23, das Pleuel des Langhubkolbens 24 und den Kurbeltrieb 25 sowie deren Lagerstellen sind punktsymmetrisch zur Lagerachse der beiden Kolben 26 ausgebildet.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Einzylindermaschine bei der Expansions- und Kompressionsvolumina verschieden sind.

In Phase 1 hat der Kurzhubkolben 20 seinen Umkehrpunkt a erreicht und das zuvor expandierte Gas vollständig ausgestoßen. Der Kurbeltrieb bewegt sich ständig in Gegenuhrzeigersinn. Der Langhubkolben 21 hat zu diesem Zeitpunkt seinen Umkehrpunkt überschritten und bewegt sich im Gegenuhrzeigersinn auf den Zylinder 22 zu.

In Phase 2. ist der Langhubkolben 21 gerade in den Zylinder 22 eingetaucht und beginnt den Raum b zu verdichten. Der inzwischen sich ebenfalls im Gegenuhrzeigersinn bewegende Kolben 20 übernimmt die Funktion des Zylinder kopfes.

In Phase 3. hat nun der Langhubkolben 21 seinen Umkehrpunkt erreicht, wodurch die größte Verdichtung c erreicht wurde. Der Kurzhubzylinder 20 bewegt sich nach wie vor in Gegenuhrzeigerrichtung.

Phase 4. stellt den Beginn der Expansion dar,bei dem sich Raum d auszudehnen beginnt. Langhubkolben 21 hat seinen Umkehrpunkt überschritten und bewegt sich im Uhrzeigersinn,während sich Kurzhubkolben 20 immer noch im Gegenuhr zeigersinn bewegt.

In Phase 5. hat nun auch der Kurzhubkolben 20 seinen Umkehrpunkt erreicht. Da sich Langhubkolben 22 weiterhin im Uhrzeigersinn bewegt,vergrößert sich Raum e kontinuierlich, bis er seine maximale Ausdehnung f in Phase 6. erreicht hat. Beide Kolben 20 und 21 bewegen sich nun im Uhrzeigersinn.

Die deutlichen Unterschiede von Kompressionsvolumen b und Expansionsvolumen f bieten speziell bei Verbrennungsmotoren die Möglichkeit zur wirtschaftlicheren Nutzung.

In Phase 7. hat der Langhubkolben 21 seinen Umkehrpunkt erreicht, während der Kurzhubkolben 20 das expandierte Gas g aus dem Zylinder 22 stößt.

Phase 8. zeigt den restlichen Ausstoß des Gases, da der Kurzhubkolben 20 sich immer noch im Uhrzeigersinn bewegt, während Langhubkolben 21 wieder im Gegenuhrzeigersinn auf dem Weg zum Zylinder 22 ist.

Einfacher Vergleich zum herkömmlichen Otto- und Dieselmotor

Figurenlegende

20 Kurzhubkolben
21 Langhubkolben
22 Zylinder
23 Pleuel des Kurzhubkolbens
24 Pleuel des Langhubkolbens
25 Kurbeltrieb
26 Gemeinsame Lagerstelle der Kolben
27 Pleuelaufhängung des Kurzhubkolbenpleuels am Kurbeltrieb
28 Pleuelaufhängung des Langhubkolbenpleuels am Kurbeltrieb
29 Lagerachse des Kurbeltriebs
30 Pleuelaufhängung am Kurzhubkolben
31 Pleuelaufhängung am Langhubkolben
32 Ein- bzw. Ausströmöffnung

Claims

1. Hubkolbenmaschine mit ringförmigem Kreisbogenzylinder, in dem zwei ringförmige Kreisbogenkolben laufen.
Der Mitteldurchmesser des Zylinders und der Kolben sind identisch und haben ihren Mittelpunkt in der Lagerachse der Kolben. Die beiden Kolben sind mit einem gemeinsamen Kurbeltrieb über je ein Pleuel verbunden.
Die Verdichtungs- und Expansionsräume entstehen durch die unter schiedliche Anbringung der Pleuel an den beiden Kolben und am Kurbeltrieb.
Durch die frei wählbare Anbringung der Pleuel an den Kolben und am Kurbeltrieb sind sowohl Hub als auch Winkelgeschwindigkeit der Kolben zueinander frei wählbar.
Durch die frei wählbare Pleuelaufhängung am Kurbeltrieb ergeben sich unterschiedliche Umkehrzeitpunkte der Kolben. Dies bedeutet, daß Kompressions- und Expansionsvolumina verschieden groß gestaltet werden können.

2. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Kolben- oder Zylinderringe zur Abdichtung vorgesehen sind.

3. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Labyrinthdichtung vorgesehen ist.

4. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Labyrinthdichtung mit Gegendruck vorgesehen ist.

5. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ausströmöffnung im Bereich der Komressionszone hat.

6. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einströmöffnung im Bereich der Kompressionszone hat.

7. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ein- und Ausströmöffnung im Bereich der Kompressions zone hat.

8. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, 5, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß elastische Kunststoffdichtungen vorgesehen sind.

9. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, dadurch ge kennzeichnet, daß sie als Mehrzylindermaschine punktsymmetrisch zur Kolbenlagerachse aufgebaut ist.

10. Kreisbogenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, dadurch ge kennzeichnet, daß sie als Mehrzylindermaschine aufgebaut ist.