DE4204319A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Eine Brennkraftmaschine nach dem Fremdzünder-Prinzip emittiert im wesent­ lichen Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Kohlenwasserstoffe. Während es sich beim Kohlenmonoxid und den Stickoxiden um chemisch eindeutig definierte Verbindungen handelt, ist unter dem Oberbegriff "Kohlen­ wasserstoffe" eine große Anzahl von Verbindungen zu verstehen, die von Methan bis hin zu kompliziert aufgebauten Verbindungen reichen, von denen viele als krebserregend verdächtig sind. Eine vollständige Abgasentgiftung, auch mit einem Dreiwegekatalysator, ist bis heute nicht möglich, es werden nur Ent­ giftungsgrade bis maximal 90% erreicht. Hierzu wird auf die Veröffentlichung von Edgar Koberstein: Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, in: "Chemie in unserer Zeit", 18. Jahrgang, 1984, Nr. 2, Seite 37-45 verwiesen.
Die Problematik der Brennkraftmaschinen nach dem Selbstzünder-Prinzip (Diesel) ist anders als die der Ottomotoren. Zwar gelten Dieselfahrzeuge gegen­ über Ottomotoren ohne Katalysator als umweltfreundlicher, doch sind sie im Vergleich zu Fahrzeugen mit geregeltem Katalysator weniger umweltfreundlich.
Trotz der Abgasreinigung emittieren alle Brennkraftmaschinen Kohlendioxid, welches nach wissenschaftlich gesicherten Erkenntnissen zum Treibhauseffekt auf der Erde beiträgt. Jede Verbesserung einer Brennkraftmaschine muß deshalb u. a. auch darauf gerichtet sein, den Kraftstoffverbrauch zu senken, was u. a. da­ durch geschehen kann, daß die Reibungsverluste des Kolben-Zylindersystems sowie die der Kraftabgabe auf die Kurbelwelle verkleinert werden.
Verschiedenste Motoren wurden zu diesem Zweck erfunden. Der Stenzel-Motor mit fliegenden Kolben stellt beispielsweise einen Versuch dar, die Reibungsver­ luste zu minimieren, wobei der Motor den entscheidenden Nachteil besitzt, daß er zum Anlassen eine technisch aufwendige Zwangsführung der Kolben benötigt. Die DE 26 50 910 A1 beinhaltet eine Brennkraftmaschine mit einem torusför­ migen, zylindrischen Verbrennungsraum; die DE 32 40 877 A1 beinhaltet einen Rotations-Verbrennungsmotor, der einen rotatorischen Aufbau und einen Ket­ tenantrieb zur Kraftabnahme ohne die herkömmliche Kurbelwelle besitzt.
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad mit kleinster Bauweise und Gewicht vereinigen und einen erheblich geringeren Verbrauch aufweisen soll.
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Brennkraftma­ schine sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die das verwendete Prinzip der Umwandlung einer translatorischen Bewegung in eine rotatorische Bewegung aufweist, ist in Anspruch 10 gekenn­ zeichnet.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß dieselbe nur noch minimale Reibungsverluste gegenüber sämtlichen bekannten Brennkraftmaschinen besitzt, so daß die Brennkraftmaschine einen hohen Wirkungsgrad mit kleinster Bauweise und kleinstem Gewicht bei einem erheblich geringeren Verbrauch vereinigt. Das Prinzip zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung in eine rotatorische Bewegung bei der erfindungs­ gemäßen Brennkraftmaschine besteht darin, daß zwischen einer zweigeteilten zentralen Welle, auf deren Enden zentrisch Scheiben montiert sind, ein geführter Käfig angeordnet ist, der einen zur Richtung der translatorischen Bewegung senkrecht gerichteten Längsschlitz aufweist, durch den eine Achse geführt ist, die beidendig exzentrisch zu der Welle innerhalb der Scheiben gehaltert ist. Die Scheiben können auch durch einen Arm ersetzt sein. Die Schubstangen zusam­ men mit dem Käfig bilden ein starres System.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besitzt den Vorteil, daß nur noch das Gewicht des Kolbens innerhalb des Kolben-Zylindersystems Reibung verur­ sacht, die durch Schmierung weitestgehend ausgeglichen werden kann. Die Brennkraftmaschine besitzt keine Kippmomente wie die herkömmlichen Kol­ benstangensysteme und dadurch bedingt nur einen minimalen Verschleiß. Dadurch besitzt die Brennkraftmaschine den weiteren Vorteil, daß diese mit einem ganz mageren Gemisch, beispielsweise 1:100, betrieben werden kann. Des weiteren befindet sich die Lagerung der Kolben in vorteilhafter Weise weit aus­ einander. Ebenso besitzt die Brennkraftmaschine ein vorteilhaftes Wärmever­ halten, weil die Wärme am Entstehungsort abgeführt wird und das Gehäuse sowie die innen liegenden Teile nur geringfügig erwärmt werden. Des weiteren besitzt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine den Vorteil, daß die Kraftver­ teilung absolut symmetrisch ist.
Die innerhalb des Käfigs angeordnete Stange wirkt in vorteilhafter Weise als Vibrationsdämpfer und hat dazu die Wirkung einer Ölumlaufpumpe.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nach dem Fremd­ zünder- oder dem Selbstzünder-Prinzip arbeiten; sie kann als Zweitakter oder als Viertakter ausgelegt sein.
Die Erfindung stellt eine Brennkraftmaschine zur Verfügung, bei der gegenüber dem Stand der Technik weitaus größere Freiheitsgrade hinsichtlich der motor­ technischen Kompromißnotwendigkeiten erreicht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine und
Fig. 2 eine um 90 Grad gedrehte Draufsicht auf Fig. 1, wobei die obere Gehäuseabdeckung weggelassen ist.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Brennkraftmaschine besteht aus wenigstens zwei Brennraumeinheiten 1, 1′, die diametral sich gegenüberliegend an je einem Halteteil 7, 7′ angeordnet sind, wobei diese Halteteile 7, 7′ an einem Gehäuse 6 befestigt sind, welches aus seitlichen Gehäusewandungen 16, 16′, 16′′, 16′′′, aus einer oberen Gehäuseabdeckung 22 mit einer Belüftungsöffnung 23 sowie aus einem unteren Ölsumpf zur Aufnahme von Schmieröl besteht. Die Halteteile 7, 7′ sind dabei seitlich an den Gehäusewandungen 16, 16′ angeordnet und übergreifen die Gehäusewandungen 16′′ und 16′′′.
Die Brennraumeinheiten 1, 1′ bestehen aus je einem Zylinder 2, 2′, innerhalb derselben je ein nach außen weisender Brennraum 4, 4′ ausgebildet und je ein Kolben 3, 3′ beweglich angeordnet ist. Die Halteteile 7, 7′, auf die die Zylinder 2, 2′ aufgesetzt sind, können je eine Vorverdichterkammer 10, 10′ umschließen - in diesem Fall kann die Brennkraftmaschine als Zweitakter ausgelegt sein -, wobei die Vorverdichterkammern 10, 10′ zum Gehäuse 6 hin durch die Gehäusewandungen 16′′ bzw. 16′′′ abgeschlossen sind. Von den Vorverdichter­ kammern 10, 10′ können in bekannter Weise Überströmkanäle 24, 24′ in die Brennräume 4, 4′ führen; ebenso weisen die Zylinder 2, 2′ in bekannter Weise Ein- bzw. Auslaßschlitze 25, 25′, 28, 28′ auf, durch die das Verbrennungsge­ misch und die Abgase ein- und/oder auszuströmen imstande ist. Durch die Be­ zugsziffern 5, 5′ sind in den Zylindern 2, 2′ sitzende Zündkerzen bei einem Otto- Motor oder Glühkerzen bei einem Diesel-Motor gekennzeichnet. Die Brennrau­ meinheiten 1, 1′ arbeiten somit entweder als Otto-Motor in Zweitakt- oder Vier­ takt-Weise oder ebenso als Dieselmotor.
Die Kolben 3, 3′ sind mittels einer starren Schubstange miteinander verbunden, die aus zwei Teilen 8, 8′ besteht und die jeweils die Gehäusewandungen 16′′ bzw. 16′′′, in denen je ein Öl-Abstreifring 9, 9′ angeordnet ist, durchbrechen und ins Innere des Gehäuses 6 ragen. Die Zylinder 2, 2′, die Kolben 3, 3′ und die Schubstangen 8, 8′ liegen somit auf einer Geraden, wobei die Zylinder 2, 2′ mit­ samt den Kolben 3, 3′ sich symmetrisch gegenüberliegen.
Die in das Gehäuse 6 nach innen ragenden Enden der Schubstangen 8, 8′ sind fest mit einem Käfig 11 verbunden, der im Innern des Gehäuses 6 beweglich angeordnet ist, und bilden mit dem Käfig 11 einen starren Verband. Im gezeig­ ten Beispiel in Fig. 1 hat der Käfig eine länglich-quaderförmige Gestalt mit oberen und unteren abgerundeten Kanten und ist hochkant innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Tiefe des Käfigs kann gemäß Fig. 2 nur geringfügig größer sein als der Durchmesser der Schubstange.
Der Käfig 11 besitzt einen Längsschlitz 12, der den Käfig 11 in der Tiefe beidseitig vollständig durchbricht und der senkrecht zu den Schubstangen 8, 8′ verläuft und sich somit in Richtung zur oberen Gehäuseabdeckung 22 und zum unteren Ölsumpf 21 erstreckt. Die gedachte Verlängerung der Schubstangen 8, 8′ durchsetzt den Längsschlitz 12 mittig. In Fortsetzung des Längsschlitzes 12 weist der Käfig 11 beidendig je eine Durchgangsbohrung 17, 17′ auf, wobei der Käfig 11 hierzu zur Materialgewinnung an seinem oberen und unteren Ende verbreitert sein kann, was aus Fig. 2 hervorgeht. Der Käfig 11, die Schubstan­ gen 8, 8′ sowie die Zylinder-Kolbensysteme 2, 3 bzw. 2′, 3′ sind zur Längsachse 27 des Käfigs 11 symmetrisch ausgeführt. Im Inneren des Gehäuses 6 kann der Käfig 11 von einer gemäß Fig. 1 linksseitigen Endstellung zu einer rechtsseiti­ gen Endstellung bewegt werden.
Innerhalb des Gehäuses 6 ist zentrisch zur Kraftaufnahme eine Abtriebswelle 15 angeordnet, die senkrecht zu den Schubstangen 8, 8′ gerichtet ist und die aus zwei getrennten Teilwellen 15, 15′ besteht, die die seitlichen Gehäusewandungen 16, 16′ durchbrechen und darin geeignet drehbar gelagert sind. Auf den nach innen weisenden Enden der Teilwellen 15′, 15′′ ist je eine Scheibe 14, 14′ fest aufgezogen, die voneinander beabstandet sind. Innerhalb des Zwischenraumes zwischen den Scheiben 14, 14′ sind der Käfig 11 sowie die Schubstangen 8, 8′ an­ geordnet, wie es insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen ist. Die beiden Schei­ ben 14, 14′ sind mittels einer Achse 13 miteinander verbunden, die durch den Längsschlitz 12 innerhalb des Käfigs 11 geführt ist. Die Teilwellen 15′, 15′′, die Scheiben 14, 14′ sowie die Achse 13 bilden zusammen die Abtriebwelle 15.
Vorzugsweise ist innerhalb des Längsschlitzes 12 eine Stange 18 angeordnet, die beidendig durch die Durchgangsbohrungen 17, 17′ innerhalb des Käfigs 11 nach oben und unten hindurchragt und die eine Querbohrung 19 besitzt, durch die die Scheiben 14, 14′ verbindende Achse 13 geführt ist. Die Stange 18 weist vorzugsweise eine durchgehende Längsbohrung auf, die die Querbohrung 19 senkrecht durchsetzt.
Die Wirkungsweise der Brennkraftmaschine ist folgende:
In der in Fig. 1 gezeigten Stellung befindet sich der Kolben 3 innerhalb des Zylinders 2 an seinem oberen, der Kolben 3′ innerhalb des Zylinders 2′ an sei­ nem unteren Totpunkt; der Käfig 11 befindet sich in seiner linksseitigen Endstellung innerhalb des Gehäuses 6. Nach Zündung des Kraftstoff-Luftgemi­ sches innerhalb des Brennraumes 4 bewegt sich der Kolben 3 nach rechts und schiebt dadurch den Käfig 11 ebenfalls nach rechts. Dabei werden die innerhalb des Käfigs 11 angeordnete Stange 18 und die die Stange durchquerende Achse 13 durch den Käfig 11 mitgenommen, was die Achse 13 auf eine Kreisbahn um die Teilwellen 15, 15′ zwingt und somit die Abtriebswelle 15 in Rotation ver­ setzt wird. Auf diese Weise wird die translatorische Hin- und Herbewegung der Kolben 3, 3′ sowie der Schubstange, gebildet aus den Teilen 8, 8′ und dem Käfig 11, in eine rotatorische Bewegung der Antriebswelle 15, gebildet aus den Wellenteilen 15′, 15′′, den Scheiben 14, 14′ und der Achse 13, umgewandelt.
Gleichzeitig wird die Stange 18 innerhalb des Längsschlitzes 12 und der Durch­ gangsbohrungen 17, 17′ auf eine Kreisbahn um die Teilwellen 15, 15′ gezwun­ gen, wobei sich die Stange 18 bezüglich des Käfigs 11 auf- und abbewegt. Da­ durch taucht die Stange 18 zyklisch bei jeder Abwärtsbewegung in den Ölsumpf 21 ein und durchfährt denselben, wodurch das Öl nach oben geschleudert wird. Dieses nach oben zur oberen Gehäuseabdeckung 22 geschleuderte Öl kann durch die Längsbohrung 20 innerhalb der Stange 18 auf die Achse 13 innerhalb der Querbohrung 19 der Stange 18 fließen und einen Schmierfilm ausbilden und somit die Reibung zwischen Achse und Stange sowie zwischen Stange und Käfig minimieren.
Auf das Gehäuse 6 kann in bekannter Weise eine Kupplung 26 aufgesetzt sein. Ebenso können eine Mehrzahl der beschriebenen Brennkraftmaschinen bzw. der Brennraumeinheiten 1, 1′ parallel zusammengeschaltet sein, indem die Brenn­ kraftmaschinen in axialer Richtung der zentralen Abtriebswelle aneinander ange­ ordnet sind und die Teilwellen miteinander verbunden sind, beispielsweise mit­ tels einer Verzahnung.
Es sei hervorgehoben, daß die beschriebene Brennkraftmaschine auch ohne die Stange 18 zu funktionieren imstande ist, wobei in diesem Fall die Achse 13 direkt innerhalb des Längsschlitzes 12 des Käfigs 11 geführt ist. Die Stange 18 besitzt allerdings den hervorstechenden Vorteil, daß sie aufgrund ihrer Auf- und Abbewegung als Vibrationsdämpfung und somit als Massenausgleich wirkt. Gleichzeitig hat sie in vorteilhafter Weise die Aufgabe einer Öl-Umlaufpumpe.
Die Richtungspfeile an einzelnen Teilen geben die möglichen Bewegungsrich­ tungen dieser Teile an.
Zur Umwandlung einer translatorisch hin- und hergehenden Bewegung in eine rotatorische Bewegung und umgekehrt ist somit zwischen einer zweigeteilten zentralen Abtriebs- oder Antriebswelle, auf deren einander zugekehrten Enden Scheiben montiert sind, ein in Richtung der hin- und hergehenden Bewegung längsgeführter Käfig angeordnet, der einen zur hin- und hergehenden Bewegung senkrecht gerichteten Längsschlitz aufweist, durch den eine Achse geführt ist, die beidendig exzentrisch innerhalb der Scheiben gehaltert ist. Die Scheiben können auch durch je einen Arm ersetzt sein, an dessen äußeren Ende jeweils die Achse angreift.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Vorrichtung zur Umwandlung einer translatorischen hin- und hergehenden Bewegung in eine rotatorische Bewegung und umgekehrt ist insbesondere in einer Brennkraftmaschine vorteilhaft anwendbar, wodurch dieselbe einen hohen Wirkungsgrad mit kleinster Bauweise und Gewicht vereinigt sowie einen erheb­ lich geringeren Verbrauch gegenüber vergleichbaren Brennkraftmaschinen des Standes der Technik aufweist.
Liste der Bezugszeichen:
 1, 1′ Brennraumeinheiten
 2, 2′ Zylinder
 3, 3′ Kolben
 4, 4′ Brennräume
 5, 5′ Zündkerzen oder Glühkerzen
 6 Gehäuse
 7, 7′ Halteteile
 8, 8′ Schubstangen
 9, 9′ Abstreifringe
10, 10′ Vorverdichterkammern
11 Käfig
12 Längsschlitz
13 Achse
14, 14′ Scheiben
15 zentrale Abtriebswelle
15′, 15′′ Teilwellen der Abtriebswelle
16, 16′, 16′′, 16′′′ Gehäusewandungen
17, 17′ Durchgangsbohrungen
18 Stange
19 Querbohrung
20 Längsbohrung
21 Ölsumpf
22 obere Gehäuseabdeckung
23 Belüftungsöffnung
24, 24′ Überströmkanäle
25, 25′ Ein- bzw. Auslaßschlitze
26 Kupplung
27 Längsachse des Käfigs
28, 28′ Ein- bzw. Auslaßschlitze

Claims (11)

1. Brennkraftmaschine mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Brenn­ raumeinheit (1, 1′), die mindestens je einen Brennraum (4, 4′) umfassen, in wel­ chen je ein Kolben (3, 3′) verschieblich angeordnet ist, wobei die Brennräume (4, 4′) nach außen und die Kolben (3, 3′) nach innen weisen und die Brennraum­ einheiten (1, 1′) diametral sich gegenüberliegend an einem Gehäuse (6) angeord­ net sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (3, 3′) zweier sich diametral gegenüberliegender Brennraum­ einheiten (1, 1′) mittels einer Schubstange (8, 8′) translatorisch bewegbar mit­ einander verbunden sind, die an einem Käfig (11) innerhalb des Gehäuses (6) angreifen, der einen den Käfig (11) durchbrechenden Längsschlitz (12) aufweist, der senkrecht zu den Schubstangen (8, 8′) verläuft, in das Gehäuse (6) zwei sich diametral gegenüberliegende Teilwellen (15, 15′) einer zentralen Abtriebswelle (15) geführt sind, die Teilwellen (15, 15′) senkrecht zur Schubstange (8, 8′) ge­ richtet sind und auf deren Enden je eine Scheibe (14, 14′) zentrisch fest aufgezo­ gen ist, zwischen denen sich der Käfig (11) befindet, wobei durch den Längs­ schlitz (12) des Käfigs (11) eine Achse (13) geführt ist, die beidendig exzentrisch zu den Teilwellen (15, 15′) in den Scheiben (14, 14′) gehaltert ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (11) in Fortsetzung des Längsschlitzes (12) zentrisch je eine Durchgangsbohrung (17, 17′) aufweist, durch die sowie längs innerhalb des Längsschlitzes (12) eine Stange (18) mit einer Querbohrung (19) geführt ist, durch die die Achse (13) drehbar geführt ist, wobei die Stange (18) mit ihrem unteren Ende in einen Ölsumpf (21) des Gehäuses (6) eintaucht.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange eine durchgehende Längsbohrung (20) aufweist, die die Quer­ bohrung (19) senkrecht durchsetzt.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben durch je einen Arm ersetzt sind.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Form des Gehäuses (6) der Form des Käfigs (11) angepaßt ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennräume (4, 4′) der Brennkraftmaschine nach dem Fremdzünder- Prinzip arbeiten und mit entsprechenden Einlaß- und Auslaßschlitzen (25, 25′) versehen sind.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennräume der Brennkraftmaschine nach dem Selbstzünder-Prinzip ar­ beiten und mit entsprechenden Einlaß- und Auslaßschlitzen versehen sind.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere oder in Anspruch 1 oder 2 beschriebene Baugruppen nebeneinan­ derliegend mit gemeinsam verbundenen Abtriebswellen angeordnet sind.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe als Zwei- oder Viertakter arbeitet.
10. Vorrichtung zur Umwandlung einer translatorisch hin- und hergehenden Bewegung in eine rotatorische Bewegung und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer zweigeteilten zentralen Welle (15), auf deren Enden zentrisch Scheiben (14, 14′) montiert sind, ein geführter Käfig (11) angeordnet ist, der einen zur Richtung der hin- und hergehenden Bewegung senkrecht gerichteten Längsschlitz (12) aufweist, durch den eine Achse (13) geführt ist, die beidendig exzentrisch zu der Welle (15) innerhalb der Scheiben (14, 14′) gehaltert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben durch je einen Arm ersetzt sind, an dessen äußeren Ende die Achse angreift.
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