DE4105020A1 - Hubkurven und rotationskolben betriebene brennkraftmaschine, in zylinderzahl und anordnung wahlweise - mit separatem kuehlsystem - modular montierbar - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine einachsige motorische Einheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Umsetzen von linearen-achsialen Bewegungen in radiale Abläufe mittels Hubkurve und Hub­ kurvenelementen wie, z. B. DE 30 28 201 beschreibt und in konstruktiven Beispielen darstellt, ist im Prinzip nicht neu und entspricht dem Stand der Technik, wie es gattungsgemäß nicht neu ist, wenn mittels eines Mediums vertikal getriebene Kolbenelemente zirkular um ein Kolbenelement mit Hubkurve gelagert Vertikalbewegung in radiale umsetzt, entsprechend einer Anmeldung G 8 40 588. 9 beschrieben. Die Kraft und Bewegung umsetzen­ den Elemente werden mit Kulissen und Kulissen­ bahn bezeichnet.

Die Anmeldung DE 38 11 404 A1 mit dem Anspruch der schräggestellten Zylinder- und Kolben­ ebenen und mittels Medium getrieben erzeugten Rotations- und Translationsbewegung entspricht im Prinzip der Anmeldung 02 40 467 Bild 2 etc. Das Umsetzen dieser mechanisch guten Ideen für Vergaser- und Verbrennungsmotoren - auch beim Einsatz hochwertiger Materialien, wie Kohlefaser- und Keramik, wird die von der Ent­ wicklung des Wankelmotors bekannten Phänomene nicht eliminieren.

Erfindungsgemäß und der Anmeldung 00 69 039 entsprechend werden medial getriebene Kolben­ elemente mittels Hubkurvenelemente in Rotation versetzt. Die Nachteile dieses Konzeptes sind, daß nur ein Kraft und Bewegung umsetzendes Element am Umfang die getriebene und treibende Kolben­ achse exentrisch belastet und die Durchführung der Kolbenachse im Verbrennungsraum außerordent­ licher medialer (chemischer) Belastung und hohen Temperaturen ausgesetzt ist, was auch für die fein­ mechanischen Komponenten der medialen Steuerung und Regelung gültig ist.

Letztlich ist der Anspruch der Neuerung nicht wahrgenommen, wenn der kurbelwellenfreie Antrieb die achsial direkt in Rotation umgesetzte Bewegung wiederum mittels Winkeltrieb senkrecht zu den treibenden Kolbeneinheiten umgesetzt wird. Fig. 6.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß in auffal­ lender Anzahl in der Gattung der Bewegungsumsetz­ enden Ansprüche bei medial treibenden und getrie­ benen Komponenten, wie Pumpen und Kompressoren, prinzipiell - ohne separate Darstellung und Beschreibung - nicht gattungsgemäße Ansprüche für Verbrennungs- und Vergasermotoren gestellt werden.

Bei Verbrennung- und Vergasung sind die Faktoren Chemie und Temperaturen entwicklungs- wie funktions­ bestimmend und die Mechanik von sekundärer Bedeu­ tung.

Der lange Entwicklungsweg des Wankel-Motors bestätigt diese Auffassung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein in der konstruktiven Ausgestaltung anwendungstechnisch effektives aber fertigungstechnisch unkompliziertes motorisches Konzept zu entwickeln, daß den genannten Kriterien entsprechend den Anspruch der Neuerung rechtfertigt.

Die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 und den genannten Ausführungsformen der Unter­ und Nebenansprüche.

Erzielbare Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sind der erfindungsgemäße modulare Aufbau in Montage- und Funktions­ einheiten mit dem Fortfall des Motoren­ und Zylinderblocks konventioneller Bauart und der technischen Vorrausset­ zung, die Motorenmodule komplett beim Zu­ lieferer fertigen zu lassen - z. B. vom Kolbenhersteller - was dem zeitgemäßen Trend der Änderung der Fertigungstiefe entspricht.

Der Aufgabenstellung entspricht auch die Auffassung bedeutender Automobilherstel­ ler, daß der Fertigungsprozeß kaum noch effektivisiert werden kann und das Ratio­ nalisieren beim Konstruieren beginnen muß.

Eine einachsige motorische Einheit gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, bestehend aus dem Zylinderteil 2 und dem Kolben 3, der Kolbenstange 4 mit den Ele­ menten 7 bis 17 ist mechanisch-zentrisch ausgerichtet durch die tragenden Rahmenteile 1, 5 und 20 mit den zentrierenden Bohrungen 1a; 5a und 20a. Die Kolbenstange 4 ist achsiale Aufnahme des Kolbenelementes 3 mit dem Spann­ stift 11 und achsial-vertikal kraftschlüssig gekuppelt mit dem Hubkurvenelement 13 mittels klauenartiger Ausarbeitung 7 und der Klaue des Hubkurvenelementes.

Kolben 3, Kolbenstange 4 und Hubkurvenelement 13 werden durch das mit dem Rahmenteil 5 mechanisch zentrisch verbundene Lager 6, den Nutenführungen 20; 21, vertikal stabilisiert und formschlüssig gleitend geführt.

Zur Umsetzung der linearen-vertikalen Bewegung des Hubkurvenelementes 13 mit der Hubkurve 17 in Radialbewegung ist zentrisch und achssymmetrisch zum Hubkurvenelement das Radialelement 18 mit dem Stiftelement 15 und den Teilen 8; 9; 10; 14 wie den Rollen 16 als mechanisch transferierendes und achsial treibendes Element in der Bodenplatte 22 formschlüssig gelagert.

Eine einachsige motorische Einheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 2 bestehend aus dem Kolben 43, dem Zylinderteil 42, der Kolbenstange 44 und dem achsial-radial verbindenden wie zen­ trierenden Rastring 47 des Kolbens und der Rast­ nase 46 der Kolbenstange.

Zur direkten achsialen Kraft- und Bewegungsum­ setzung sind im gezeigten Konstruktionsbeispiel die Hubkurven 66 und 67 materieller Bestandteil der Kolbenstange, wie die Vielkeilführungen 55 (Splices) linear-achsial formschlüssig gleitend in der Vielkeilführung 58 der Antriebswelle 59 gelagert und zentrisch stabilisiert sind.

Die Antriebswelle ist zur mechanischen Kupplung mit dem Getriebe und zur achsialen Lagerung durch das Achsial-Radiallager 64 mit der Führung 63 und dem Vielkeilanschlußzapfen 62 versehen. Das Achsial-Radiallager ist zentrisch kraft- und formschlüssig in der Bohrung 68 der Bodenplatte 60 stabilisiert und durch den Deckel 61 abge­ deckt.

Mit der Bodenplatte durch Verschraubung ver­ bunden ist der tragende Zylinderteil 51, der auch Lager der Bewegung umsetzenden Rollen 57 mit den Lagern 56, den Montageträgern 54, den Rollenlagern 53 mit den Sicherungsringen 52 ist.

Der Lagerring 49 mit den ringartigen Führungen 50 und 48 hat den Zweck die zylindrischen Teile 42 und 51 Achsialkraft und formschlüssig aus­ zurichten und abzudichten.

Die entsprechend Anspruch 2 (Fig. 2 und 3) genannten Turbokolben können für den erfor­ derlichen Anwendungsfall gemäß Anspruch 4 (Fig. 13) ebenfalls mit zahnprofilierten Hubkurven und Bewegung umsetzenden Hubkurven­ rollen ausgeführt und betrieben werden.

Die in Kolben- und Zylinderebene sinus­ förmig verlaufenden Hubkurven, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, bewegen sich im radialen Ablauf zu den Hubkurvenrollen nicht parallel zueinander und sind entsprechend zu modifizieren, was im konstruktivem CAD- Prozeß kein Problem ist.

Den Ansprüchen 1 und 7 gemäß ist das Kühlsystem aus anwendungs- und fertigungstechnischen Gründen, wie in Fig. 5 dargestellt, zu einzelnen Alu-Rohrrahmen ovalen Profils geformt und aus zweckmäßigen Gründen in mehreren Lagen, zueinander gewendet montiert, innerhalb dieser Lagen Zu- und Abfluß sich begegnen und ein aus­ gewogener Kühleffekt vor sich geht.

Das Kostruktionsbeispiel der Fig. 7 zeigt ein 4 Zylinder-Motorenaggregat in Reihenbau­ weise mittels Trägerplatten (40; 60) und Spann­ schrauben, Fig. 12 (25-27) als Block montiert. Auch diese Ausführung, einschließlich Getriebe, wird im betriebsbereiten Zustand in den Einbau­ dimensionen und Gewicht von geringerer Größe als beispielsweise ein Otto-Motor herkömmlicher Art sein.

Die freiliegenden Zylinder ermöglichen Luft­ kühlung in größerem Potential als bisher und der Zylinderblock bisheriger Ausführung als lohn- und materialintensiver Gußhohlkörper mit der kritischen, Zylinderkopfdichtung herkömm­ licher Art entfällt.

Die für das Konstruktionsbeispiel gemäß Fig. 7 erläuterten Merkmale sind auch für das dargestellte Antriebsaggregat entsprechend Fig. 8 gültig. Position 85 zeigt das Beispiel eines Nockenwellenantriebs indem die tragende Achse der Hubkurvenrollen (81) drehbar gelagert, als zweite Funktion Antrieb der Nockenwelle ist. Der tragende Rahmen (81) (Gußteil) ist einmal mit Flanschen (84) für die Befestigung mit dem Getriebe und (80) zur Verschraubung mit dem Ventil- und Zylinder­ kopf versehen.

Die versetzte Offset-Zylinderanordnung mit 2 Nockenwellenantrieben mindert Vibration, mechanische Resonanz und Umgebungstemperatur.

Das in Fig. 4 gemäß Anspruch 9 dargestellte Konzept eines Boxer- oder Tandem-Motors mit modularen einachsigen Motoreinheiten ent­ sprechend Fig. 2 mittels tragender und verbindender Elemente, Fig. 7 alternativ Fig. 8 zeigt die Möglichkeit eines extrem flachen 2- und mehrzylindrischem Motoraggre­ gats, was dem Trend der modernen Flachbauweise entspricht und vorzugsweise für Unterflur- Bauweise geeignet ist.

Die in den Ansprüchen 5 und 6 beschriebenen Merkmale der Kolben- und Kolbenbefestigungen gemäß der Fig. 2, 3 und 6 sind konstruk­ tive Beispiele, die zeigen, daß der kurbel­ wellenfreie Antrieb mit dem Fortfall des Pleuellagers neue technische Voraussetzungen für die Entwicklung von anwendung- wie form­ technisch ausgewogenen Kolbenelementen mit gleichmäßigeren Wandstärken, besserer Form- Stabilität (im Herstellungs- wie im Anwen­ dungsfall) und kürzeren Öffnungs- und Schließ­ zeiten, bei reduziertem Werkzeugaufwand, gegeben sind.

Der Kolben ist das chemikalisch, mechanisch und temperaturmäßig meist belastete Element der Vergaser- und Verbrennungsmotoren.

Dem Anspruch des fertigungstechnisch und fortschrittlichen Systems entsprechen die im Anspruch 10 beschriebenen Sicherungs­ elemente 14, 15 und 16 die vorzugsweise als montagefreundlicher "Ein-Weg" Verbin­ dungen für austauschbare Komponenten und Module gedacht sind.

Im folgenden wird die Erfindung näher dargestellt:

Fig. 1 Motorenmodulausführung gemäß Anspruch 1 in vertikaler Funktionsstellung halb­ seitig geschnitten.

Fig. 2 Motorenmodulausführung gemäß Anspruch 2 "Turbokolben" in vertikaler Funktions­ stellung als teilweises Schnittbild.

Fig. 3 Motorenmodulausführung gemäß Anspruch 2 "Turbokolben" in vertikaler Funktions­ stellung als Schnittbild (Kolben halb­ seitig ausgenommen).

Fig. 4 2 Motorenmodule gemäß Anspruch 2 in einer gemeinsamen Achse im Prinzip des Boxermotors als Schnittbild.

Fig. 5 Eine Ausführung des in sich geschlos­ senen Rohrkühlsystems in Funktionsstel­ lung in Draufsicht und Seitenansicht.

Fig. 6 Kolben gemäß Anspruch 6 in vertikaler Funktionsstellung mit Schnittbild und Profil.

Fig. 7 4 Zylinder-Motoreneinheit entsprechend Anspruch 3 (Trägerplatten und Spannschrb.) in Front-und Seitenansicht.

Fig. 8 4 Zylinder-Motoreneinheit entsprechend Anspruch 3 mittels Trägerrahmen montiert in 3 Ansichten.

Fig. 9 Achsial absicherndes Ring-Federelement gemäß Anspruch 10.

Fig. 10 Eine Ausführung des Rohrkühlsystems, Funktionsstellung quer zur Fahrtrichtung, in Draufsicht und Seitenansicht.

Fig. 11 Perspektivische Darstellung einer Turbokolbeneinheit in alternativer Ausführung zu Fig. 3 mit Hubrollen im achsial-radial beweglichem Teil.

Fig. 12 Spannschrauben und 6kt. Mutterstäbe zum Montieren eines modularen Zylinder­ Blocks mittels Trägerplatten, z. B. Fig. 13.

Fig. 13 Einachsiges Motorenmodul mit zahn­ profilierter Hubkurve und Hubkurven­ rollen gemäß Anspruch 4.

Fig. 14, 15 und 16 Achsial absichernde Ring-Federelemente gemäß Anspruch 10.

Claims (10)

1. Einachsige motorische Einheit, die durch Verbrennung, und Vergasung die Energie eines Mediums mittels Kolben und Hubkurven­ element linear-achsiale Bewegung in radial treibende Kraft umsetzt und modular zu einer mehrzylindrischen, motorischen Einheit mit unterschiedlicher Zylinderanzahl, Zylinderan­ ordnung und dem motorischem Ablauf ent­ sprechenden Arbeitstakten montiert, gesteuert und geregelt werden kann, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein medial getriebener Kolben (3) linear-achsial geführt (20, 21) mit der Kolbenstange (4) kraftschlüssig verbunden, Antriebsmittel des Bewegung umsetzenden und achsial-radial treibenden Hubkurvenelementes (13) mit der Hubkurve (17) ist. Fig. 1. Fig. 13.

2. Einachsige motorische Einheit, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer äquivalenten Ausführung zu Anspruch 1 Kolben (43) Kolbenstange (44) und Hubelement (65) achsial kraftschlüssig verbunden (46, 47) achsiale-radiale Hubbewegung mittels Hubkurven (66, 67), den krafttransferierenden Zwischenelementen (52, 53, 56, 57) und der Viel­ keilwelle (59) mit den gleitende Führungen, (55, 58) die Energie eines Mediums im Ablauf einem Turbinen-Kolben, Fig. 2, Teil 65, ent­ sprechend, in anhaltend rotierende Antriebs­ kraft umsetzt.

3. Einachsige motorische Einheit nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die modu­ laren Motoreinheiten zu mehrzylindrischen, mehrachsigen motorischen Antriebsaggregaten mittels Rahmen-Trägerteilen und Schraubver­ bindungen horizontal und vertikal funktionsgerecht ausgerichtet und stabilisiert zu Zylinderblöcken montiert werden können und der kurbelwellenfreie Antrieb Zylinderan­ ordnungen zuläßt, z. B. linear-versetzt (Offset) Fig. 8 die über den Stand der Technik hinaus neue Verbrennungs- und Vergasermotorenkonzepte ermöglicht, zuzüglich wahlweises mechanisches Kuppeln im Verbund von einachsigen Einheiten, unterschiedliche Arbeitstakte mit vari­ abler elektrischer, elektronischer Steu­ rung wie 3/6 oder 4/8 realisierbar sind. Fig. 7 und 8.

4. Einachsige motorische Einheit nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausführung der Bewegung und kraftumset­ zenden Rollen- und Hubkurvenelemente Fig. 13 zur kraftschlüssigeren Bewegungsumsetzung in der Ablaufebene im Querschnitt zahnprofil­ artig ausgearbeitet und so zentrisch als möglich zur treibenden und getriebenen Achse ausgerichtet in den mehr radialen Kurvenbe­ reichen im Profil und im Ablauf der Kurven, Fig. 2 (66; 67) zueinander modifiziert sind.

5. Einachsige motorische Einheit nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (43) zur form- und kraftschlüs­ sigen Verbindung an den mit der Kolben­ stange (44) verbindenden Flächen mit Rast­ nocken (45) bzw. Rastnuten und in Kolben­ ebene nasenförmig (47) ausgebildet ist, die mit den federnden Rastarmen (46) und Rast­ nasen der Kolbenstange mechanisch verklam­ mert beide Elemente achsial wie radial funktionssicher-ohne Zwischenelement, wie Stift, Sicherungsring-verbinden. Fig. 2.

6. Einachsige motorische Einheit nach vorher­ gehendem Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben, Fig. 6 (73) und die Kolben­ stange (74) mittels klauenartiger Ausformung (70/71) radial und achsial kraftschlüssig - ohne Zwischenelement - miteinander funktions­ sicher mechanisch verbunden mittels Zylinder­ führung (71) zentrisch stabilisiert und die horizontalenanlageflächen (75) kugelförmig geformt sind.

7. Einachsige motorische Einheit nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die modular zu einem Zylinderblock Fig. 7 und 8 montierten einachsigen Einheiten wahl­ weise mit einem in sich geschlossenem Rohr­ kühlsystem, Fig. 5 mit wirbelfreiem Durch­ fluß ausgerüstet werden können und an den Anlageflächen zum Ventilkopf, Fig. 2 (41) mit einer Zylinderkopfdichtung mit hohem spezifischem Anpreßdruck ausgerüstet sind, die allein die Funktion der Gasdichtigkeit ausüben.

8. Einachsige motorische Einheit nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die medial und elektrisch versorgenden und regulierenden Komponenten, wie Generator, Starter, Pumpen, Kompressor, und Ventil­ Steuerungen (Fig. 7) achsial-parallel zu den Zylinder- Modulen gelagert sind und riementriebfrei mittels keil- oder zahnprofilierten Rädern metallischer und nichtmetallischer Art treibende wie getriebene Funktion aus­ üben. Fig. 7 und 8.

9. Einachsige motorische Einheit nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Tandem- oder Boxerprinzip - in einer Achse ausgerichtete und gelagerte Hubkurven-Kolben­ Einheiten, im dargestellten Fall Konstruktions­ beispiele der Fig. 2 (40-68), mittels Vielkeil­ welle und gemeinsamen Antrieb, Fig. 4, achsial­ radiale Hubbewegung in anilaltend rotierende Antriebskraft umsetzen.

10. Einachsige motorische, Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeich­ net, daß die dem Zweck der achsial absichernden Funktion (Fig. 9; 14 u. 15) gedachten Sicherungs­ ringe in sich geschlossen aber im Durchmesser federnd durch Expansion (Fig. 15) oder Defor­ mation (Fig. 16) in einfachster Handhabung (roboterfreundlich) montiert werden können und Montage wie Demontage keine speziellen Werk­ zeuge erfordern.