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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Brennkraftmaschine, umfassend einen Motorblock, welcher wenigstens
einen zweiseitigen Kolben aufweist, welcher sich in einem
Zylinder hin- und herbewegt, wobei zwei koaxiale Kammern in
dem Zylinder an entgegengesetzten Seiten des zweiseitigen
Kolbens ausgebildet sind, wobei beide Kammern wenigstens ein
Einlaßventil und wenigstens ein Auslaßventil aufweisen,
wobei der zweiseitige Kolben ein zentrales Lager aufweist,
welches durch eine Öffnung im Mittelpunkt zwischen den zwei
Seiten des zweiseitigen Kolbens definiert ist, durch welche
ein Kurbelzapfen einer Kurbelwelle hindurchtritt, und wobei
exzentrische Achszapfen der Kurbelwelle wiederum in einem
exzentrischen Lager einer Antriebs- und/oder Arbeitswelle
angeordnet sind, wobei die Exzentrizität des Lagers relativ
zu der Achse der Antriebs- und/oder Arbeitswelle gleich der
Exzentrizität der exzentrischen Achszapfen der Kurbelwelle
ist.
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Technologiegebiete, auf welche sich die Erfindung bezieht,
sind:
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- Kraftfahrzeug-/Automobilindustrie;
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- Luftfahrt;
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- Schiffsbau;
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- stationäre Antriebe für Generatoren, Kompressoren oder
dgl.;
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- Kompressoren.
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Die meisten bestehenden Brennkraftmaschinen werden als
einfachwirkende Motoren betrieben, wobei dies bedeutet, daß die
Arbeitssubstanz oder der Kraftstoff dem Zylinder lediglich
von einer Seite zugeführt wird, während die kinetische
Energie von dem Kolben weiter über die Kolbenstange auf die
Kurbelwelle auch nur von einer Seite übertragen wird. Derartige
bekannte Brexinkraftmaschinen umfassen daher eine Vielzahl
von Teilen, von welchen ein großer Prozentsatz bewegbar ist,
sodaß ein großer Verschleiß bei diesen verschiedenen
Komponenten besteht.
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Brennkraftmaschinen gemäß der eingangs genannten Art, worin
wenigstens ein zweiseitiger Kolben sich in zwei koaxialen
Kammern eines Zylinders hin- und herbewegt, sind
beispielsweise aus der FR-A 971 415, welche den am nächsten kommenden
Stand der Technik darstellt, oder aus der NL-A 9 000 464
bekannt geworden. Bei diesen bekannten Konstruktionen können
jedoch Probleme bestehen, wenn der Motor gestartet wird.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Art
der Übertragung der translatorischen Bewegung des
zweiseitigen Kolbens in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle einer
Brennkraftmaschine zu vereinfachen und zu garantieren, daß
eine gegebenenfalls bestehende Totpunktslage der Kurbelwelle
den Start der Maschine nicht verhindert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Brennkraftmaschine zur
Verfügung gestellt, umfassend einen Motorblock, welcher
wenigstens einen zweiseitigen Kolben aufweist, welcher sich
in einem Zylinder hin- und herbewegt, wobei zwei koaxiale
Kammern in dem Zylinder an entgegengesetzten Seiten des
zweiseitigen Kolbens ausgebildet sind, wobei beide Kammern
wenigstens ein Einlaßventil und wenigstens ein Auslaßventil
aufweisen, wobei der zweiseitige Kolben ein zentrales Lager
aufweist, welches durch eine Öffnung im Mittelpunkt zwischen
den zwei Seiten des zweiseitigen Kolbens definiert ist,
durch welche ein Kurbelzapfen einer Kurbelwelle
hindurchtritt, und wobei exzentrische Achszapfen der Kurbelwelle
wiederum in einem exzentrischen Lager einer Antriebs- und/
- oder Arbeitswelle angeordnet sind, wobei die Exzentrizität
des Lagers relativ zu der Achse der Antriebs- und/oder
Arbeitswelle gleich der Exzentrizität der exzentrischen
Achszapfen der Kurbelwelle ist, welche dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Kurbelwelle mit einem Zahn oder Vorsprung
ausgebildet ist, welcher im Betrieb mit einer entsprechenden
Ausnehmung im Motorblock zusainmenwirkt, wenn die Achse des
Kurbelzapfens mit der Achse der Antriebs- und/oder
Arbeitswelle
ausgerichtet ist, um sicherzustellen, daß eine
mögliche Totpunktslage der Kurbelwelle den Start des Motors
nicht verhindert. Beim Start des Motors, welche wenigstens
einen zweiseitigen Kolben umfaßt, welcher mit einer
Kurbelwelle zusammenwirkt, kann die Kurbelwelle eine Position
erreichen, in welcher der Kolben an seinem Ort verbleibt und
der Motor blockiert wird und nicht gestartet werden kann. Um
eine derartige Totpunktslage zu vermeiden, ist die
Kurbelwelle mit einem Zahn oder Vorsprung ausgebildet, welcher mit
einer entsprechenden Ausnehmung im Motorblock gemäß der
vorliegenden Erfindung zusammenwirkt. Der an der Kurbelwelle
vorgesehene Zahn oder Vorsprung und auch die entsprechende
Ausnehmung im Motorblock, deren Gleichung eine
Ellipsengleichung ist, werden die Kurbelwelle vom Mittelpunkt des Motors
in der Längsrichtung des Zylinders und damit auch den Kolben
bewegen und verhindert dadurch, daß die Kurbelwelle und der
Kolben die Totpunktslage einnehmen, welche den Motor
blockiert. Der Zahn und die Ausnehmung des Motorblocks
greifen ähnlich den Zähnen zweier Zahnräder oder Ritzel
ineinander ein.
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Im Gegensatz zu den meisten bestehenden Brennkraftmaschinen
wirkt die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung auf eine doppelt wirkende Weise, da Kraftstoff von
beiden Seiten des zweiseitigen Zylinders zugeführt wird,
welcher in seiner Mitte ein Lager aufweist, durch welches die
Kurbelwelle hindurchtritt. Die Kurbelwelle ist in der
Antriebs- und Arbeitswelle gelagert, welche dieselbe
Exzentrizität wie die Kurbelwelle aufweisen. Bei der Bewegung
beaufschlagt der zweiseitige Kolben die Kurbelwelle, welche um
ihre Achse in dem Kolbenlager rotiert, wobei sie mit ihren
exzentrischen Lagern die Antriebswelle und die Arbeitswelle
beaufschlagt (dreht), welche die Leistung mit Hilfe eines
Schwungrades dem Verbraucher zu Verfügung stellt.
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Die Zylinder der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung können auch eine Zündkerze neben den
entsprechenden
Ventilen aufweisen, falls sie als ein Benzinmotor
konstruiert ist, oder sie kann nur mit einem Einspritzsystem
im Fall eines Dieselmotors ausgebildet sein. Naturgemäß kann
auch mehr als ein Einlaß- und/oder Auslaßventil vorgesehen
sein, wie dies aus früheren Konstruktionen bekannt ist,
wobei auch ein zusätzliches Einspritzsystem selbst für
Benzinmotoren vorgesehen sein kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird eine Brennkraftmaschine geschaffen, bei
welcher ein Verbindungsteil, welches die zwei Kolbenköpfe des
zweiseitigen Kolbens miteinander verbindet, eine Öffnung
aufweist, welche den Kurbelzapfen der Kurbelwelle aufnimmt,
und wobei der Zylinder mit zwei konzentrischen Öffnungen
versehen ist, welche als Lager für die Arbeits- und/oder
Antriebswelle dienen. Das Wesen der Erfindung liegt in der
Tatsache, daß ein doppelt wirkender Kolben zur Verfügung
gestellt wird, durch welchen eine Kurbelwelle hindurchtritt,
welche eine lineare Bewegung des Kolbens in eine
Drehbewegung der Antriebswelle und der Arbeitswelle überträgt.
Vorzugsweise ist der zweiseitige Kolben einstückig ausgebildet
und wobei die entsprechenden Teile der Kurbelwelle in beide
Seiten der Öffnung des Verbindungsteils des zweiseitigen
Kolbens eingepaßt sind.
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Die Antriebswelle kann dazu dienen, um Hilfsaggregate der
Maschine (Nockenwelle, Ölpumpe, Wasserpumpe oder dgl.)
anzutreiben, während die Arbeitswelle Leistung über ein
Schwungrad an einen Verbraucher transportiert, wie dies einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung entspricht.
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Ein derartiges Design ermöglicht geringere Gesamtabmessungen
(Reduktionen von bis zu 40 %) des Motors für dasselbe
Arbeitsvolumen, ein geringeres Gewicht (Reduktionen bis zu 50
%) des Motors und eine geringere Anzahl von Einzelteilen.
Die erfindungsgemäße Konstruktion des Kolbens garantiert
eine längere Lebensdauer des Kolbens und des Zylinders
aufgrund einer größeren Kontaktoberfläche des Kolbens, welcher
die normale Leistung auf den Zylinder überträgt. Weitere
Vorteile sind, daß für die Herstellung von Motoren der
existierende, technologische Standard verwendet werden kann und
daß sie keine speziellen Maschinen oder Werkzeugen
erfordert.
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Die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann
auf drei Arten ausgebildet sein:
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- Viertaktmotor;
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- Zweitaktmotor unter Verwendung eines Kompressors,
unter Verwendung einer Kammer als eine Arbeitskammer und
der anderen als ein Kompressor;
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- Kompressor: ein- oder mehrstufiger Kompressor mit gewissen
Abänderungen im Design.
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Daher sind bei einem Viertaktmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung beide Kammern des Zylinders des zweiseitigen
Kolbens mit wenigstens einem Einlaßventil und wenigstens einem
Auslaßventil versehen. Gemäß einer alternativen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Ausbildung eines
Zweitaktmotors mit einem Kompressor arbeitet eine der Kammern
als eine Verbrennungskammer eines Motors, während die andere
Kammer als eine Druckkammer eines Kompressors arbeitet.
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Es muß darauf hingewiesen werden, daß der Kolbenhub viermal
größer ist, als die Exzentrizität der Kurbelwelle und der
Arbeitswelle.
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Weitere Vorteile sind, daß die bestehende Technologie für
die Herstellung dieses Motors verwendet werden kann und daß
sie nicht spezielle Maschinen oder Werkzeuge erfordert. Für
eine Konstruktion mit geringem Gewicht können gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Motorblock und die
Zylinder und der Kolben als Aluminium hergestellt werden.
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Das Vorsehen einer geringeren Anzahl von Einzelteilen liegt
in der Tatsache begründet, daß keinerlei Kolbenstange,
Kolbenbolzen oder Rohrschloß erforderlich ist und daß eine
geringere Anzahl von Lagern notwendig ist. Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfaßt weniger bewegte Massen und es
sind daher die Vibrationen des Motors reduziert.
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Diese Einsparungen sind bei Motoren mit mehr Zylindern
größer. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Brennkraftmaschine sind wenigstens zwei zweiseitige Kolben
nebeneinander angeordnet, wobei die Kolben mit einer gemeinsamen
Kurbelwelle gekoppelt sind. Gemäß einer einfachen und
leichten Konstruktion ist eine einteilige Kurbelwelle vorgesehen.
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Diese und andere charakteristische Merkmale werden aus der
nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht
einschränkenden Beispielen von Ausführungsformen der
Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ersichtlich werden,
welche in der beigeschlossenen Zeichnung gezeigt sind,
worin:
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Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der
Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2 schematische Darstellungen von weiteren
Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer Mehrzahl von Zylindern zeigt, worin in Fig.
2a eine einteilige Kurbelwelle vorgesehen ist, während in
Fig. 2b eine unterteilte Kurbelwelle vorgesehen ist; und
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Fig. 3 eine kinematische Analyse der unterschiedlichen
Stufen der Bewegung eines zweiseitigen Kolbens der
Breunkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer
Brennkraftmaschine mit sämtlichen wesentlichen Einzelteilen:
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1 - Motorblock
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2 - zweiseitiger Kolben
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3 - Kurbelwelle
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4 - Antriebswelle
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5 - Arbeitswelle
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6 - Schwungrad
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7 - Einlaßventil
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8 - Auslaßventil
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9 - Zündkerze
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I und II - Kammern des Zylinders
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Z - Zahn auf der Kurbelwelle
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Schwarze Felder bezeichnen Lager.
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Fig. 1 zeigt einen Einzylinder-Motor mit einem
doppelseitigen Kolben 2 und zwei Kammern I und II des Zylinders. In der
Zeichnung ist eine Verbindung 10 des zweiseitigen Kolbens 2
mit einem Lager ersichtlich, welches durch eine Öffnung 11
in der Mitte definiert wird, durch welche eine Kurbelwelle 3
hindurchtritt, welche selbst in der Arbeits- und
Antriebswelle 4, 5 mit derselben Exzentrizität e wie die Kurbelwelle
3 in dem Lager 11 des Vebindungsteils 10 des zweiseitigen
Kolbens 2 gelagert ist. Die Arbeits- und Antriebswelle 4, 5
sind in konzentrischen Öffnungen 15 des Zylinders gelagert.
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Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 keine bildliche
Darstellung der dem Zahn Z entsprechenden Ausnehmung
dargestellt, während diese Ausnehmung jedoch in Fig. 3f gezeigt
ist.
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Die Antriebswelle 4 überträgt die Kraft auf die
Hilfseinrichtungen des Motors (Ölpumpe, Wechselstromgenerator,
Nockenwelle oder dgl.), während die Arbeitswelle 5 die Kraft
weiter an den Verbraucher (Fahrzeug, Kompressor,
Energieerzeugungseinrichtung oder dgl.) überträgt. Diese
Einrichtungen, welche für sich gesehen bekannt sind, sind in den
Zeichnungen nicht dargestellt.
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In Abhängigkeit vom Design kann ein zweiseitiger Kolben 2
aus einem Stück unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die
kurbelwelle 3 aus zwei Teilen ausgebildet ist, hergestellt
werden, wie dies durch die punktierte Linie in Fig. 1
schematisch dargestellt ist. Alternativ kann der zweiseitige
Kolben 2 aus zwei Teilen hergestellt werden, während die
Kurbelwelle 3 einstückig ausgebildet ist, wie dies
schematisch in Fig. 2a gezeigt ist. Es ist auch möglich, den
Motorblock 1 in einem oder zwei Teilen auszubilden.
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Eine Möglichkeit zur Herstellung von Mehrzylindermotoren ist
im Prinzip in Fig. 2 gezeigt.
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Fig. 2a zeigt einen Motor mit zwei Zylindern, zwei
zweiseitigen Kolben 2 und daher vier Verbrennungskammern I und
II für jeden Zylinder sowie eine Verbindung der Kolben 2
durch eine einteilige Kurbelwelle 3 mit der Antriebs- und
Arbeitswelle 4 und 5. Diese Form der Kurbelwelle 3 ist für
einen Zweizylindermotor geeignet.
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Fig. 2b zeigt eine Möglichkeit zur Herstellung von 2-, 3-,
4-, ... Zylindermotoren und das Prinzip einer mehrseitigen
Verbindung von Kolben 2, einer unterteilten Kurbelwelle 3a,
3b, Antriebs- und Arbeitswelle 4 und 5. Dieses Design ist
insbesondere für Mehrzylindermotoren interessant, da die
zweiseitigen Zylinder 2, welche in entgegengesetzten
Richtungen arbeiten, die Vibrationen des Motors minimieren und
eine Kompensation der Energie der bewegten Massen, d.h. der
sich bewegenden, zweiseitigen Kolben 2, ermöglichen. Wie
dies schematisch durch ein weiteres Teil 3c der Kurbelwelle
gezeigt ist, ist es mit einem derartigen Design möglich, die
gewünschte Anzahl von Zylindern zu kombinieren.
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Fig. 3 zeigt die kinematische Analyse von unterschiedlichen
Stufen der Bewegung des Mechanismus einer Ausführungsform
der Brennkraftmaschine.
Punkte:
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A - Zentrum des zweiseitigen Kolbens 2, Verbindung des
Kolbens 2 mit der Kurbelwelle 3;
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B - exzentrische Verbindung der Kurbelwelle 3 mit der
Arbeitswelle 5;
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C - Zentrum des Motors 1 und der Arbeitswelle 5.
Elemente:
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3 - Kurbelwelle
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5 - Arbeitswelle
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6 - Schwungrad
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Fig. 3 zeigt ein kinematisches Schema des Mechanismus als
eine Abwicklung des Mechanismus und der Wege einiger
Elemente und Punkte des Mechanismus für den Hub des
zweiseitigen Kolbens 2 im Ausmaß von 4e (e = Exzentrizität) und eine
Drehung der Arbeitswelle und/oder der Antriebswelle 4, 5 um
180º. Wenn der Motor gestartet wird und der zweiseitige
Kolben 2 in die in Fig. 3c gezeigte Position gelangt, ist
ersichtlich, daß sich der Punkt B um seine Achse gemeinsam mit
den Teilen 3 und 5, d.h. mit der Kurbelwelle 3 und der
Arbeitswelle 5, gedreht hat, während der Kolben 2 an seiner
Positionverblieb. Um diesen Blockierungszustand des
zweiseitigen Kolbens 2 beim Start des Motors zu vermeiden, ist
ein Zahn oder Vorsprung Z an der Kurbelwelle 3 (siehe Fig. 1
und 3f) und auch eine entsprechende Ausnehmung 14 im
Motorblock 1 vorgesehen, wobei die Gleichung der Bewegung des
Zahnes Z der Kurbelwelle 3 eine Ellipsengleichung (Fig. 3f)
ist, welche die Exzentrizität e der Verbindung zwischen der
Öffnung 11 des Verbindungsteils des zweiseitigen Kolbens 2
mit der Kurbelwelle 3 und die exzentrische Verbindung
zwischen der Kurbelwelle 3 und der Arbeits- und Antriebswelle
4, 5 berücksichtigt. Die Kombination des Zahnes oder
Vorsprunges Z der Kurbelwelle 3 und der entsprechenden
Ausnehmung 14 im Motorblock 1, welche ähnlich den Zähnen eines
Zahnrades oder Ritzels kämmen, wird die Kurbelwelle 3 in der
Längsrichtung der Bewegung des zweiseitigen Kolbens 2 aus
dem Mittelpunkt des Motors hinausdrücken und gemeinsam damit
den Kolben 2. Die Ausnehmung 14 (Fig. 3f) kann unmittelbar
im Motorblock oder als spezielle, am Boden zu befestigende
Segmente ausgebildet sein.
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Wenn der Motor läuft, kann dieses Problem eines Blockierens
der Bewegung des zweiseitigen Kolbens 2 nicht auftreten, da
der Kolben 2 den Mechanismus in Bewegung hält.
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Die Konstruktion der Brennkraftmaschine kann auf drei Arten
ausgebildet sein:
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- Viertaktmotor;
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- Zweitaktmotor unter Verwendung eines Kompressors,
unter Verwendung einer Kammer als eine Arbeitskammer und
der anderen als einen Kompressor;
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- Kompressor: ein- oder mehrstufiger Kompressor mit gewissen
Abänderungen im Design.
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In Fig. 2a ist ein Viertaktmotor gezeigt, wobei nur ein
Einlaßventil 7 und ein Auslaßventil 8 in den Kammern I der
Zylinder vorgesehen sind, während die Kammern II jeweils mit
einem Einlaßventil 12 und einem Auslaßventil 13 versehen
sind. Dieser Motor ist als Dieselmotor konstruiert, wobei
die Einlaßventile mit Einspritzsystemen verbunden sein
können, welche in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
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Die in Fig. 2a gezeigte Konstruktion kann auch als ein Motor
unter Verwendung eines Kompressors ausgebildet sein, wobei
die Kammern II des Zylinders der Kompressorteil sind und die
Ventile 12 und 13 die Einlaß- und Auslaßventile des
Kompressors sind. Analog kann die Struktur gemäß Fig. 2a als ein
mehrstufiger Kompressor mit einer entsprechenden Anordnung
der Ventile ausgebildet sein.
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Die Vorteile der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung liegen in der Tatsache, daß die Konstruktion sehr
platzsparend (für dasselbe Arbeitsvolumen) ist; sie weist
eine geringere Anzahl von Einzelteilen auf (keine
Kolbenstange, keine Kolbenbolzen, keine Rohrschlösser, eine
geringere Anzahl von Lagern); die bewegten Massen sind stark
reduziert; sie arbeitet als eine doppelt wirkende Maschine,
und die Herstellung ist einfacher.
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Es muß darauf hingewiesen werden, daß der Kolbenhub viermal
größer ist als die bei der Kurbelwelle 3 und der
Arbeits- und Antriebswelle 4 und 5 auftretende Exzentrizität e.
Weitere Vorteile sind, daß bestehende Technologien für die
Herstellung dieses Motors verwendet werden können und daß sie
keine speziellen Maschinen oder Werkzeuge erfordert.
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Die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
weist weiters eine unterschiedliche Kinematik im Betrieb im
Gegensatz zu den bestehenden Brennkraftmaschinen auf, um
sicherzustellen, daß eine gegebenenfalls mögliche
Totpunktslage der Kurbelwelle den Start des Motors nicht verhindert.
Insbesondere besteht die Verbindung der wesentlichen
Elemente 2 - 5, welche eine Translationsbewegung eines
zweiseitigen Kolbens 2 in eine Drehbewegung der arbeitenden
Kurbelwelle 3 übertragen, im folgenden.
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Der zweiseitige Kolben 2 weist in seiner Mitte ein Lager 11
auf, durch welches die Kurbelwelle 3 hindurchtritt, welche
die Antriebs- und Arbeitswellen 4 und 5 trägt, welche
dieselbe Exzentrizität e wie die Kurbelwelle 3 aufweisen. Wenn
sich der Kolben 2 bewegt, bewegt er die Kurbelwelle 3 um
ihre Achse in dem Kolbenlager 11, während er die
Antriebsund die Arbeitswelle 4 und 5 mit seiner Exzentrizität e
(Fig. 1) bewegt (dreht), welche die Leistung an den
Verbraucher weiterleiten. Um zu verhindern, daß der zweiseitige
Kolben 2 in der Mitte des Motors stoppt, ist es notwendig,
einen Zahn oder Vorsprung Z an der Kurbelwelle 3
auszubilden,
welcher gemeinsam mit den entsprechenden Ausnehmungen
14 im Motorblock 1 den Kolben 2 aus der Mitte des Motors
drückt (Fig. 3f). Durch Verbindung von mehreren Einzylinder-
Einheiten läßt sich ein Mehrzylindermotor (Fig. 2a und 2b)
erhalten.
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Die Brennkraftmaschine weist eine derartige kinematische
Arbeitsweise (Fig. 3) auf, daß der zweiseitige Kolben 2
durch das Lager 11 in der Mitte des zweiseitigen Kolbens 2
die Kurbelwelle 3 beaufschlagt, welche die Arbeitswelle 5
und die Antriebswelle 4 antreibt.