DE69806148T2 - Vorrichtung in einem zweitakt-verbrennungsmotor - Google Patents

Vorrichtung in einem zweitakt-verbrennungsmotor

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung in einem Zweitaktverbrennungsmotor mit einer Mehrzahl von Motorzylindern, die in einer Ringfolge um eine gemeinsame zentrale Antriebswelle angeordnet sind und die parallel zu der Antriebswelle verlaufende Zylinderachsen haben, wobei jeder Zylinder ein Paar von Kolben, die aufeinander zu und voneinander weg beweglich sind, und für jedes Kolbenpaar eine gemeinsame dazwischenliegende Arbeitskammer hat, während jeder Kolben mit seiner axial beweglichen Kolbenstange versehen ist, deren freies äußeres Ende über eine Auflagerolle eine Auflage gegen seine kurvenförmige, d. h. "sinus"-ähnlich kurvenförmige, Kurvenbahnführungsvorrichtung bildet, die an jedem der entgegengesetzten Enden des Zylinders angeordnet ist und die die Bewegungen der Kolben relativ zu dem zugeordneten Zylinder steuert.
  • Geometrische Betrachtungen des vorerwähnten Motorsystems Wenn die Antriebswelle des Motors auf einem Kreisweg bewegt wird, kann man die Oszillationsbewegungen der Motorkolben gemäß dem vorerwähnten Motorsystem entsprechend graphisch gegenüber der Zeit auf einem sinusförmigen Kurvenweg nach der
  • Formel 1: y = sin x
  • beobachten.
  • Aus der DE 43 35 515 sind Zweitaktmotoren der eingangs beschriebenen Art vorbekannt, die einen einzelnen, mit zwei entgegengesetzten Kolben versehenen Zylinder und konventionelle Kurbelwellen und Kurbelarme haben. Formel 1 bezieht sich auch auf jede Kurbelwelle eines solchen Motors. Um die Verbrennung in einem solchen Motor zu optimieren, werden gegenseitig verschobene Kolbenbewe gungsphasen für die beiden entgegengesetzten Kolben des Zylinders vorgeschlagen.
  • Durch die Verwendung einer sinuskurvenähnlichen Kurvenbahnführungsvorrichtung bzw. durch die Verwendung von konventionellen Kurbelwellen können in der Tat die Kolben Rückwärts- und Vorwärtsbewegungen der einzelnen Kolben des Zylinders so gesteuert werden, dass die Oszillationsbewegungen der Kolben synchron mit der Drehbewegung der Antriebswelle zusammenfallen. Über den Verlauf einer vollständigen Umdrehung der Antriebswelle werden die Kolben in einer zwangsläufig gesteuerten Weise in einem oder mehreren Arbeitstakten bewegt, die genau mit der Drehbewegung der Antriebswelle synchronisiert sind. Mit anderen Worten, die Drehbewegungen der Kurvenbahnführungsvorrichtung und der Antriebswelle sind direkt mit der Oszillationsbewegung der Kolben verbunden und umgekehrt.
  • Die Rückwärts- und Vorwärtsbewegungen der Kolben bilden dementsprechend ein Vielfaches der Drehbewegung der Antriebswelle mit jeweils einer 360º-Umdrehung der Antriebswelle. Mit anderen Worten bewegt sich jeder Kolben in dem dazugehörigen Zylinder bei jeder 360º-Umdrehung der Antriebswelle ein ganzzahliges Mal, das heißt zwischen eins bis beispielsweise viermal, vorwärts und rückwärts,
  • Aufgrund der Kurvenbahnführungsvorrichtung, die die Oszillationsbewegungen der Kolben in einem zugeordneten Zylinder steuert und die synchron mit der Antriebswelle des Motors gedreht wird, können die Oszillationsbewegungen der Kolben folglich dadurch gesteuert werden, dass die Kurvenbahnführungsvorrichtung mit einer sinusförmigen Kurvenkontur so ausgebildet werden, dass sich diese an die Drehbewegung der Antriebswelle anpassen.
    • "Sinus"-ähnliches Konzept
  • Wenn der Term "sinus"-ähnlich hierin in Verbindung mit Ausdrücken wie "sinus"- ähliches Konzept, "sinus"-ähnliche Kurve, "sinus"-ähnliche Fläche u. s. w. verwendet wird, wird damit eine Kurvenkontur bezeichnet, die nicht eine mathematische Si nuskontur gemäß der obigen Formel 1 bildet, sondern andererseits eine variierende Kuvenkontur bezeichnet, die nur allgemein dem Weg einer mathematischen Sinuskontur ähnelt. Durch den Term "sinus"-ähnliche Kontur soll hier allgemein eine Kontur bezeichnet werden, die ähnlich einer Sinuskontur ist, aber sich davon unterscheidet.
  • Die Erfindung zielt auf bestimmte konstruktionstechnische Zusammenhänge mit Bezug auf ein Ausbilden der Kurvenbahnführungsvorrichtung mit einer bestimmten Kurvenkontur ab, die in unterschiedlichen Weisen von einer mathematischen Sinuskontur abweicht.
  • Allgemein bedeutet dies weiter, dass erfindungsgemäß die Kolbenbewegungen durch Ausbilden der Kurvenbahnführungsvorrichtung mit einer speziell gestalteten "sinus"-ähnlichen Kontur, die von der üblicherweise bekannten Sinuskontur abweicht, in entsprechender Weise an relativ zu der Drehbewegung der Antriebswelle und relativ zu den zuvor vorgeschlagenen Lösungen zusätzliche Motorfunktionen angepasst werden können.
  • Erfindungsgemäß ist es allgemeines Ziel, die Kurvenbahnführungsvorrichtung so auszubilden, dass es eine Möglichkeit gibt, aufgrund einer einfachen und betriebszuverlässigen Arbeitsabfolge optimale Betriebsbedingungen für die Kolben des Motors zu erreichen.
  • Wenn man hier von einer "sinus"-ähnlichen Fläche oder Ebene spricht, ist damit der lokale Teil der Kurvenbahnführungsvorrichtung gemeint, der eine "sinus"-ähnliche Kurvenkontur hat. In der Praxis hat die einzelne Kurvenbahnführungsvorrichtung eine 360º-Bogen-Kontur, die einem Vielfachen solcher "sinus"-ähnlichen Flächen entspricht.
  • Verbrennungsmaschinen, bei denen die Axialbewegung der Kolben einzeln durch eine Kurvenbahnführungsvorrichtung über dazugehörige "sinus"-ähnliche Flächen gesteuert wird, funktionieren allgemein gemäß dem sogenannten "sinus"-ähnlichen Konzept, das über eine Anzahl von Jahren hinweg bekannt ist.
  • Ursprünglich hatte die "sinus"-ähnliche Fläche eine Kontur, die in hohem Maße der mathematischen Sinuskontur gleicht, das heißt zueinander symmetrische und einheitlich gekrümmte Kurvenabschnitte hat.
  • Gemäß der Patentliteratur sind nach und nach Kurvenkonturen vorgeschlagen worden, die auf unterschiedliche Wegen von der mathematischen Sinuskontur abweichen. Dies ist auch typisch für die Kurvenkontur der Kurvenbahnführungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß dem "sinus"-ähnlichen Konzept wird mechanische Energie von dem einzelnen Kolben zu der gemeinsamen Antriebswelle des Motorzylinders übertragen, d. h. über eine Auflagerolle einer zugehörigen Kolbenstange auf die "sinus"-ähnliche Fläche der Kurvenbahnführungsvorrichtung. Die "sinus"-ähnlichen Flächen, die die Oszillationsbewegungen der Kolben getrennt steuern, übertragen während der Oszillationsbewegungen der Kolben:
  • - teilweise kinetische Energie von dem Expansionstakt der Kolben über die "sinus"-ähnliche Fläche auf die Antriebswelle, um so die Antriebswelle einer Drehbewegung mit zugeordnetem Drehmoment zu unterwerfen, und
  • - teilweise Torsionsbewegungen von der Antriebswelle über die "sinus"-ähnliche Fläche zurück zu den Kolben, um so die Kolben der notwendigen kinetischen Energie während des Kompressionstaktes zu unterwerfen.
  • Bei den Verbrennungsmaschinen der eingangs angegebenen Art werden die Kolben axial rückwärts und vorwärts in zugeordneten Zylindern nahezu ausschließlich in geradlinigen Bewegungen axial entlang der Antriebswelle bewegt, während die Kolbenstangen und die zugeordneten Auflagerollen in entsprechenden geradlinigen Bewegungen bewegt werden und folglich Bewegungskräfte von den Auflagerollen zu der zugeordneten "sinus"-ähnlichen Fläche in einer axialen Richtung entlang der Antriebswelle übertragen werden.
  • Die Übertragung der Bewegungskräfte von den Kolben über die Auflagerollen zu der "sinus"-ähnlichen Fläche, die in Antriebsverbindung mit der Antriebswelle ausgebildet ist, und von Rückkräften, die in der entgegengesetzten Richtung von der Antriebswelle über die "sinus"-ähnliche Ebene zu den Kolben übertragen werden, tritt an Kurvenabschnitten auf, die sich schräg zu der Drehebene der Antriebswelle erstrecken. Mit anderen Worten werden Bewegungskräfte zwischen den Auflagerollen und der "sinus"-ähnlichen Ebene während einer Verlagerung der Auflagerollen axial entlang der Antriebswelle übertragen. In den Totpunkten zwischen dem rückwärts- und dem vorwärtslaufenden Kolbentakt tritt jedoch keine Übertragung von Bewegungskräften auf, obwohl in einem der Totpunkte, das heißt in der Nähe des Kompressionstaktes und nach der Zündung des eingespritzten Kraftstoffes, beträchtliche Antriebskräfte zwischen den sich aufeinander zu und voneinander weg bewegenden Kolben auftreten.
  • Das besondere Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den letztgenannten Zustand in Verbindung mit einer speziellen Ausbildung der Kurvenbahnführungsvorrichtung so auszunutzen, dass in besagtem Totpunkt eine bisher außer Acht gelassene Möglichkeit zum Steuern des Verbrennungsprozesses des Motors auf besonders günstige Weise erreicht werden kann
    • Vergeich von Vier-Takt- und Zwei-Takt-Motoren
  • Bei einem Vier-Takt-Verbrennungsmotor überträgt die Kolbenstange ihre Antriebskräfte über die "sinus"-ähnliche Fläche in den jeweiligen vier Takten, d. h. mit minimalen Kräften in dem Luftansaugtakt,
  • - mit wesentlich größeren Kräften in dem Kompressionstakt,
  • - mit den größten Kräften in dem Expansionstakt und
  • - mit minimalen Kräften in dem Abgasausstoßtakt.
  • Bei einem Zwei-Takt-Verbrennungsmotor übertragen die Kolbenstangen ihre Antriebskräfte über die "sinus"-ähnliche Fläche in den jeweiligen zwei Takten, das heißt
  • - mit relativ kleinen Kräften in einem kombinierten Lufteinblas- und Kompressionstakt und
  • - mit wesentlich größeren Kräften in einem kombinierten Expansions- und Abgasausstoßtakt.
  • Jedoch ist es auch üblich, die Luftansaugung/Lufteinblasung und den Abgasausstoß mehr oder weniger parallel am Ende des kombinierten Expansions- und Abgasausstoßtaktes und am Anfang des kombinierten Luftinjektions- und Kompressionstaktes auftreten zu lassen.
  • Vier-Takt-Motoren hatten bisher allgemein relativ zu Zwei-Takt-Motoren gesehen auf vielen unterschiedlichen Anwendungsfeldern (beispielsweise bei Benzinmotoren für Privatautos) einen dominierenden Einsatz auf dem Markt. Als Folge dessen, dass die Arbeitstakte des Vier-Takt-Motors über vier Kolbentakte verteilt sind, besteht eine größere Aussicht, die einzelnen Funktionen der einzelnen Takte in einer einfacheren Weise als in einem Zweitaktmotor anpassen zu können, wo alle laufenden Funktionen über zwei Takte hinweg angepasst werden müssen.
  • Die Funktionen des Zwei-Takt-Motors sind notwendigerweise kompakter und hierdurch auch komplizierter als bei Vier-Takt-Motoren. Vier-Takt-Motoren sind bisher auch einfacher als Zwei-Takt-Motoren an das "sinus"-ähnliche Konzept anpassbar gewesen. Andererseits haben Zwei-Takt-Motoren eben genau als Folge der geringeren Anzahl von Arbeitsprozesstakten verschiedene andere Vorteile gegenüber Vier-Takt-Motoren.
  • Die vorliegende Erfindung zielt unter anderem darauf ab, die Probleme zu lösen, die man bisher bei Zwei-Takt-Motoren im Zusammenhang mit der Anwendung des "sinus"-ähnlichen Konzepts hatte. Erfindungsgemäß ist es Ziel, die Kurvenbahnführungsvorrichtung in besonderer Weise so auszubilden, dass das "sinus"-ähnliche Konzept bei Zwei-Takt-Motoren unter entsprechend günstigen oder noch besseren Betriebsbedingungen als bei Vier-Takt-Motoren eingesetzt werden kann.
  • Historische Entwicklung des "sinus"-ähnlichen Konzeptes:
  • Eine Vier-Takt-Verbrennungsmaschine, die eine einzelne Kurvenbahnführungsvorrichtung hat, ist beispielsweise aus der US 1 352 985 (1918) bekannt. Die Kurvenbahnführungsvorrichtung basiert auf einer einzigen, gemeinsamen Kurvenbahnsteuerung für eine einzelne Ringserie von Kolben in deren jeweils zugeordneten getrennten Motorzylindern. Jeder und alle der Zylinder sind entsprechend in einer einzelnen Ringserie um die Antriebswelle des Motors angeordnet. Die Kolbenstangen sind getrennt über ihre jeweiligen Auflagerollen auf der gemeinsamen Kurvenbahnführungsvorrichtung abgestützt.
  • Aus der US 1 802 902 (1929) ist beispielsweise ein Vier-Takt-Verbrennungsmotor bekannt, der eine entsprechende einzelne Kurvenbahnführungsvorrichtung hat. In diesem Fall sind anstelle von nur einer Serie von Kolben zwei Serien von Kolben axial getrennt, aber miteinander direkt zusammengekoppelt eingesetzt. Die Kolben sind hintereinander in ihren jeweiligen axial entgegengesetzt gerichteten Zylindern angeordnet, das heißt die Zylinder und die Kolben sind paarweise, axial entgegengesetzt zueinander in Linie ausgerichtet angeordnet. Weiterhin sind die Kolben steif miteinander über eine gemeinsame Kolbenstange verbunden, und ihre jeweiligen Kolbenköpfe sind an axial entgegengesetzten Enden des Motors hin zu ihren jeweiligen Arbeitskammern in ihren entsprechenden zugeordneten Zylindern voneinander weg gerichtet. Die Kolben arbeiten in Paaren zusammen mit nur einer einzelnen gemeinsamen Kurvenbahnführungsvorrichtung. Die gemeinsame Kolbenstange jedes Kolbenpaares ist in einem mittleren Bereich zwischen den Kolbenmantelabschnitten mit einer gemeinsamen Auflagerolle vorgesehen, die gestützt und gesteuert wird durch eine gemeinsame, einzelne Kurvenbahnführungsvorrichtung für alle Kolben. Mehr im einzelnen ist eine zentral angeordnete Kurvenbahnführungsvorrichtung mit einer zweiseitigen Anordnung von zueinander entgegengesetzter in Reihe aufeinander folgender "sinus"-ähnlicher Flächen eingesetzt, die mit einer einzelnen Reihe von Auflagerollen zusammenarbeiten.
  • Die vorerwähnte Anordnung der Kurvenbahnführungsvorrichtung und der Auflagerollen zentral zwischen zwei Reihen von zueinander entgegengesetzten Kolben, wobei eine einzelne Reihe von Auflagerollen an einer gemeinsamen zweiseitigen Kurvenbahnführungsvorrichtung eingesetzt ist, gibt nur eine geringe Möglichkeit zum Abweichen der Konturen bei den beiden zusammenwirkenden Reihen von entgegengerichteten "sinus"-ähnlichen Flächen, da die Konturen der "sinus"- ähnlichen Flächen notwendigerweise an die entgegengesetzte Arbeitsphase der jeweiligen beiden entgegengerichteten Kolben des Kolbenpaares angepasst sind.
  • Zum Beispiel aus der US 5 031 581 (1989) ist ein Vier-Takt-Verbrennungsmotor bekannt, der zwei getrennte Kurvenbahnführungsvorrichtungen hat. Zusätzlich bezieht sich dieses Patent auf einen Zwei-Takt-Motor. Jede Kurvenbahnführungsvorrichtung, die mit ihrem jeweiligen Kolbensatz und mit ihrem jeweiligen zugordneten Auflagerollensatz zusammenarbeitet, ist individuell entsprechend der Konstruktion gemäß der US 1 352 985 ausgebildet.
  • Gemäß der US 5 031 581 sind die Zylinder in einer einzelnen Gruppe von Zylindern angeordnet, das heißt die Zylinder sind in einer ringförmigen einzelnen Reihe um die Antriebswelle angeordnet. Die Kolben, die paarweise in jeweils einem einzelnen der Zylinder aufgenommen sind, werden durch zwei getrennte Kurvenbahnführungsvorrichtungen bedient, das heißt der eine Kolben jedes Kolbenpaares wird durch eine erste Kurvenbahnführungsvorrichtung gesteuert, während der verbleibende Kolben durch eine zweite Kurvenbahnführungsvorrichtung gesteuert wird. Jeder Zylinder ist folglich mit getrennten Kolben ausgerüstet, die paarweise mit ihrer jeweiligen getrennten Kolbenstange aufeinander zu und voneinander weg beweglich sind, welche einzeln über eine zugeordnete Auflagerolle mit jeweils einer der beiden entgegengesetzten Kurvenbahnführungsvorrichtungen mit zugeordneten "sinus"-ähnlichen Flächen zusammenwirkt. Die Kurvenbahnführungsvorrichtung der beiden axial voneinander getrennten Kolbengruppen sind axial endseitig außerhalb jeweiliger Enden des Motors angeordnet. Die Kolbenköpfe der Kolbenpaare sind in einer gemeinsamen Arbeitskammer des zugehörigen Zylinders aufeinander zu gerichtet, das heißt hin zu einer gemeinsamen Arbeitskammer, die mittig zwischen dem Kolbenpaar angeordnet ist.
  • In der GB 2 019 487 ist ein Vier-Zylinder-Zwei-Takt-Motor gezeigt, wobei in jedem der vier Zylinder ein Kolbenpaar sich aufeinander zu und voneinander weg bewegt. Es ist eine Anordnung eingesetzt, bei der die Zündung gleichzeitig in zweien der vier Zylinder auftritt, das heißt in Paaren von alternierend aufeinander folgenden Zylindern. In der Patentbeschreibung ist angegeben, dass die Kontur der Kurvenbahn so ausgebildet sein kann, dass die Kolben in der günstigsten Weise in Verbindung mit der Expansion des Verbrennungsproduktes bewegt werden können. Es ist eine erwünschte ebene Fläche oder gleichbleibende Kontur zum Entleeren oder Ausspülen des Abgases, bevor neuer Kraftstoff in den Zylinder eingeführt wird, eingesetzt. In den Zeichnungen ist bei jeder der beiden zueinander entgegengesetzten Kurvenbahnnuten eine mehr oder weniger geradlinige lokale Kurvenbahnkontur an gegenseitigen Umkehrpunkten gezeigt, die jeweils direkt zueinander gegenüberliegen und "sinus"-ähnliche Kuvenabschnitte bilden. Mehr im einzelnen ist die geradlinige Kurvenbahnkontur bei nur einem der beiden aufeinanderfolgenden Umkehrpunkten der "sinus"-ähnlichen Kurve dargestellt, die "sinus"- ähnliche Kurvenabschnitte bildet, nämlich dort wo die jeweiligen Kolben einer nach dem anderen ihre jeweils entfernteste äußere Positionen bei maximal geöffneten Austritts- und Nachladungsöffnungen einnehmen.
    • Vorliegende Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung, die sich auf Zwei-Takt-Motoren bezieht, geht von einer Anordnung in einer Vier-Takt-Maschine mit einer Kolben- und Zylinderanordnung gemäß der vorerwähnten US 5 031 581 aus. Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, das "sinus"-ähnliche Konzept auf einen Zwei-Takt-Motor so anwenden zu können, dass wenigstens gleich günstige und vorzugsweise sogar günstigere Betriebsbedingungen erzielt werden können, als sie in einem Vier-Takt- oder (Zwei- Takt-)Motor gemäß der US 5 031 581 erreicht werden.
  • In einem Vier-Takt-Motor sind jeweils vier Takte (Lufteinblastakt, Kompressionstakt, Expansionstakt und Abgasausstoßtakt) nacheinander verwendet, so dass die unterschiedlichen Motorfunktionen bei jedem Takt angepasst werden können, wo hingegen bei einem Zwei-Takt-Motor der Abgasausstoß und die Lufteinblasung in der Übergangszone zwischen dem Expansionstakt und dem Kompressionstakt stattfindet, das heißt in direkter Verbindung mit den verbleibenden Motorfunktionen bei jeder Arbeitssequenz. Bei einem Zwei-Takt-Motor müssen folglich unterschiedliche Funktionen der beiden entgegengesetzt gerichteten Takte kombiniert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch Ziel, bei einem Zwei-Takt-Motor die verschiedenen Motorfunktionen in einer besonders günstigen Weise in einer besonderen Ausbildung der "sinus"-ähnlichen Fläche der Kolben zu kombinieren, so wie dies hiernach genauer beschrieben wird.
  • Unter anderem ist es Ziel, entsprechend wie bei einem Zwei-Takt-Motor nach der GB 2 019 487, eine mehr oder weniger geradlinige Kontur an den Umkehrpunkt bildenden "sinus"-ähnlichen Kurvenabschnitten zu verwenden, wo die Kolben ihre entfernteste äußere Position bei maximal geöffnetem Austritts- und Nachladungsöffnungen einnehmen.
  • Erfindungsgemäß ist die folgende Kombination eingesetzt:
  • - dass die "sinus"-ähnliche Fläche nicht eine Kurvenkontur hat, die so nah oder so weit wie möglich an einer "sinus"-ähnlichen Kontur und zuvor bekannten "sinus"-ähnlichen Konturen liegt, sondern im Gegenteil um ein beträchtliches Ausmaß davon abweichen kann, und
  • - dass die Kurvenbahnführungsvorrichtungen mit "sinus"-ähnlichen Flächen ausgebildet sein können, die sich um ein beträchtliches Ausmaß voneinander unterscheiden, während zusätzlich eine besonders günstige Motorlösung insgesamt erzielt werden kann.
  • Die Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben in jedem Zylinder zueinander unterschiedliche Kolbenphasen haben, die durch zueinander unterschiedliche Kurvenbahnführungsvorrichtungen gesteuert werden, wobei die Kurvenbahnführungsvorrichtungen mit entsprechenden zueinander unterschiedlichen "sinus"-ähnlichen Flächen ausgeführt sind, wobei die je weiligen Kurvenbahnführungsvorrichtungen der beiden Kolben in bestimmten Abschnitten der "sinus"-ähnlichen Flächen phasenverschoben zueinander sind und in den verbleibenden Abschnitten der "sinus"-ähnlichen Flächen in gemeinsamer Phase sind.
  • Erfindungsgemäß können eine besonders vorteilhafte Steuerung und hierdurch eine vorteilhafte Anpassung der unterschiedlichen Arbeitsfunktionen in einem Zwei-Takt-Motor erzielt werden.
  • Insbesondere ist es ermöglicht, die Arbeitsfunktionen an der Spitze und/oder an dem Boden der "sinus"-ähnlichen Kurve in zueinander unterschiedlichen Weisen anzupassen, wohingegen die jeweiligen dazwischen liegenden "sinus"-ähnlichen Kurvenabschnitte in gemeinsamer oder mehr oder weniger gemeinsamer Weise angeordnet sein können.
  • Hierdurch kann man erfindungsgemäß die Bewegung der Kolben der Kolbenpaare in einer zueinander unterschiedlichen Weise sicherstellen, aber dennoch günstige vereinte Arbeitszustände in einer gemeinsamen Arbeitskammer zwischen den Kolbenköpfen des Kolbenpaares erzielen.
    • Phasenverschiebung der Kurvenbahnführungsvorrichtungen
  • Eine praktische, besonders günstige Lösung gemäß der Erfindung wird dadurch erzielt, dass die jeweiligen Kurvenbahnführungsvorrichtungen der beiden Kolben in bestimmten Abschnitten der "sinus"-ähnlichen Fläche phasenverschoben zueinander sind.
  • Dies bedeutet zunächst, gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit, die Verbrennungsphase relativ zu der folgenden Kompressionsphase bzw. relativ zu der vorangegangenen Expansionsphase durch Phasenverschiebung der "sinus"-ähnlichen Kurvenspitzen zu verlängern.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine günstige, getrennte Steuerung der Nachladungsluftöffnungen über die Kurvenbahnführungsvorrichtung des einen Kolbens und eine entsprechend günstige, getrennte Steuerung der Austrittsöffnungen über die Kurvenbahnführungsvorrichtung des anderen Kolbens erhalten werden. Folglich können durch diese Phasenverschiebung ein Öffnen und Schließen der Nachladungsöffnung und der Ausrittsöffnungen an verschiedenen Zeitpunkten erzielt werden, und diese Zeitpunkte können durch äquivalentes Ausbilden der einzelnen Kurvenbahnführungsvorrichtung bestimmt werden.
  • Anders ausgedrückt können die beiden Kolben zugeordnete Öffnungen (Austrittsöffnungen/Nachladungsluftöffnungen) getrennt öffnen und schließen, während der jeweilige Kolben eine entsprechende axiale Position in dem zugeordneten Zylinder einnimmt, aber aufgrund der gegenseitigen Phasenverschiebung zwischen den Kolbenbewegungen können das Öffnen und Schließen der verschiedenen Öffnungen entsprechend phasenverschoben stattfinden.
    • Spezielle Ausbildung der "sinus"-ähnlichen Fläche
  • Durch geradliniges oder weitgehend geradliniges Ausbilden eines "sinus"- ähnlichen Flächenabschnitts in einer Fläche mit rechten Winkeln zu der Antriebsachse des Motors wird eine bisher außer Acht gelassene Möglichkeit zum Erzeugen besonders günstiger Arbeitsbedingungen während der Verbrennungsphase des Kraftstoffes erhalten. Gemäß der Erfindung ist es in der Tat möglich, durch eine besondere Ausbildung der "sinus"-ähnlichen Fläche eine besondere Verbrennungskammer in der Arbeitskammer zu definieren, die dem Arbeitskammerabschnitt entspricht. Diese Verbrennungskammer kann folglich ein über eine relativ große Bogenlänge der Längserstreckung der "sinus"-ähnlichen Fläche und des Rotationsbogens der Antriebswelle konstantes oder näherungsweise konstantes Volumen haben, so dass große Abschnitte des Verbrennungsprozesses, beispielsweise der gesamte Verbrennungsprozess oder weitgehend der gesamte- Verbrennungsprozess, in der besagten Verbrennungskammer stattfinden kann.
  • Wenn hier angegeben ist, dass die Verbrennungskammer ein konstantes oder weitgehend konstantes Volumen hat, so hat dies einen Bezug auf die detaillierte Ausbildung der "sinus"-ähnlichen Fläche an dem Totpunkt zwischen dem Kompressionstakt und dem Expansionstakt.
  • Mit anderen Worten können mit einem genau geradlinigen Abschnitt in der "sinus"- ähnlichen Fläche entsprechend konstante Volumen erzielt werden, während mit einem mehr oder weniger geradlinigem Abschnitt äquivalent weitgehend konstante Volumen erzielt werden können. Dies beinhaltet die Möglichkeit, die Kontur der "sinus"-ähnlichen Fläche an praktische Bedingungen in verschiedenen Anwendungsfällen anpassen zu können.
  • In der Praxis können teilweise geradlinige "sinus"-ähnliche Flächenabschnitte und teilweise vorausgehende und nachfolgende weitgehend geradlinige "sinus"- ähnlichen Flächenabschnitte eingesetzt werden.
  • Durch die vorerwähnte Lösung, die auf einer Verbrennungskammer mit einem konstanten oder weitgehend konstanten Volumen in einem Totabschnitt an dem Übergang von dem Kompressionstakt zu dem Expansionstakt beruht, hat man erstens eine Chance, die gesammelte Energie, welche bei dem Verbrennungsprozess erzeugt wird, zu verwenden und selbst zu Beginn der Expansionsphase volle Leistung zu haben. Folglich kann diese Energie mit voller Wirkung sofort verwendet werden, wenn der jeweilige Kolben sich selbst hinter seinen Totpunkt oder Totabschnitt bewegt hat. Diese Energieabgabe kann hierdurch mit voller Kraft schon in dem gekrümmten Übergangsabschnitt genutzt werden, wo der Kolben aus dem Stillstand auf die optimale Kolbenbewegung beschleunigt, und kann danach mit großer Kraft in der folgenden Expansionsphase fortgesetzt werden.
  • Zweitens hat man mit solch einer Verbrennungskammer mit konstantem Volumen die Möglichkeit, eine günstigere Verbrennung des Kraftstoffes zu erzielen, das heißt eine Verbrennung von größeren Anteilen des Kraftstoffes, sogar bevor die Expansionsphase beginnt. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass dafür gesorgt wird, dass beträchtliche Anteile des Kraftstoffes in der Verbrennungskammer in oder gerade an dem Totabschnitt verbraucht werden.
  • Zusätzlich wird eine bessere Nutzung der Energie des Kraftstoffes insgesamt gesehen dadurch erzielt, dass man sicherstellen kann, dass ein höherer prozentualer Anteil des Kraftstoffes in der Arbeitskammer verbraucht wird, bevor Abgase aus der Arbeitskammer in der Nähe des Expansionstaktes ausgestoßen werden.
  • Mit anderen Worten gibt es erfindungsgemäß die Möglichkeit, den Energieertrag relativ zu bekannten Lösungen um ein beträchtliches Ausmaß zu erhöhen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird folglich ein allgemein größerer Energieertrag erzielt. Zusätzlich wird ein Entweichen von CO-Gas, NOX-Gas oder dergleichen reduziert und hierdurch wird auch eine umweltfreundlichere Verbrennung erzielt.
  • Es muss auch erwähnt werden, dass eine Nachverbrennung von Kraftstoff, die in dem Expansionstakt an sich auftritt und die zu einem großen Ausmaß die Volumenvergrößerung in demjenigen Abschnitt der Arbeitskammer, wo die Oszillationsbewegungen der Kolben stattfinden, ausgleichen kann, gemäß der Erfindung in einer gesteuerten Weise gerade rechtzeitig ausgeführt werden kann, bevor die Austrittsöffnungen sich öffnen, das heißt nach und nach während der Expansionstakt sich in der Arbeitskammer verbreitet.
  • Mit anderen Worten hat man eine Chance, die Bewegungsleistung in einer vorteilhaften Weise von dem Beginn des Expansionstaktes aus und weiter durch beträchtliche Anteile des Expansionstaktes hindurch, bevor die Austrittsöffnungen sich öffnen, zu verteilen, und dies sogar mit einer optimalen Verbrennung bereits vor dem Expansionstakt.
  • Die Energie, die durch die aus dem stationären Zustand heraus ausgelöste Bewegungsmöglichkeit der Kolben abgegeben wird, kann folglich relativ augenblicklich und mit voller Kraft von einer Verbrennungskammer mit konstantem Volumen ab gegeben werden. Die Abgabe selbst kann in einer beschleunigten Weise über einen gekrümmten "sinus"-ähnlichen Flächenabschnitt auftreten, welcher den Übergangsabschnitt zwischen besagtem geradlinigen Totabschnitt und einem nachfolgenden geradlinigen Expansionsabschnitt bildet. In dem nachfolgenden geradlinigen Expansionsabschnitt findet die Expansion linear statt, das heißt in einer Arbeitskammer die grob gesagt ein linear ansteigendes Volumen hat
    • Darstellung durch Zeichnungen
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche einige praktische Ausführungsformen zeigen und in denen:
  • Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Motors gemäß der Erfindung zeigt;
  • Fig. 1a und 1b in einem entsprechenden Segment von Fig. 1 lebensnotwendige Teile des Motors zeigen und in Fig. 1a Kolben des Motors in einer Position mit maximalem gegenseitigen Abstand und in Fig. 1b mit minimalem gegenseitigen Abstand darstellen;
  • Fig. 2 schematisch einen ersten Querschnitt, dargestellt an einem Ende des Zylinders, an welchem ein Nachladungslufteinlass gezeigt ist, zeigen;
  • Fig. 3 schematisch einen zweiten Querschnitt, dargestellt an dem anderen Ende des Zylinders des Motors, an welchem ein Auspuffauslass gezeigt ist, zeigt;
  • Fig. 4a schematisch in einem dritten Querschnitt den Mittelabschnitt des Motorzylinders zeigt, wo der Kraftstoff geliefert wird und die Zündung des Kraftstoffes auftritt, dargestellt in einer ersten Ausführungsform;
  • Fig. 4b in einem Fig. 4a entsprechenden Querschnitt den Mittelabschnitt des Zylinders gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
  • Fig. 5a in einem Längsschnitt ein Segment des Motors nach Fig. 1b zeigt;
  • Fig. 5b eine Kurvenbahnführungsvorrichtung mit zugehöriger Antriebswelle, dargestellt in einem Längsschnitt mit einem Segment des Motors nach Fig. 1b zeigt;
  • Fig. 5c einen Kreuzkopf in Seitenansicht zeigt;
  • Fig. 5d und 5e den Kreuzkopf nach Fig. 5c von oben bzw. von unten zeigen;
  • Fig. 5f die Kolbenstange in Seitenansicht gesehen zeigt;
  • Fig. 5g die Kolbenstange nach Fig. 5f von oben gesehen zeigt;
  • Fig. 5h einen Kolben nach der Erfindung in einem Vertikalschnitt zeigt;
  • Fig. 6-8 schematisch dargestellt und in der Zeichnungsebene ausgebreitet ein allgemeines Bewegungsmuster für den ersten von zwei jedem Zylinder zugeordneten Kolben, verwendet in Verbindung mit einem Dreizylindermotor und in unterschiedlichen Winkelpositionen relativ zu der Drehbewegung der Antriebswelle dargestellt, zeigen;
  • Fig. 6a schematisch das Prinzip der Übertragung von Antriebskräften zwischen der Rolle der Kolbenstange und einem zugehörigen sich schräg erstreckenden Abschnitt der "sinus"-ähnlichen Fläche zeigt;
  • Fig. 9 schematisch dargestellt und in der Zeichnungsebene ausgebreitet ein genaueres Bewegungsmuster für zwei Kolben jedes Zylinders zeigt, in unterschiedlichen Winkelpositionen relativ zu der Drehbewegung der Antriebswelle dargestellt und in Verbindung mit einem Fünf-Zylinder-Motor dargestellt;
  • Fig. 10 in einer Fig. 9 entsprechenden Darstellung die Kolben in jeweiligen Positionen relativ zu den zugeordneten Zylindern in einer nachfolgenden Arbeitsposition zeigt;
  • Fig. 11 schematisch ein Segment eines zentralen Abschnitts einer "sinus"-ähnlichen Fläche für zwei zugeordnete Kolben jedes Zylinders zeigt;
  • Fig. 12 eine detaillierte Kurvenkontur für eine "sinus"-ähnliche Fläche für einen ersten Kolben in jedem Zylinder zeigt;
  • Fig. 13 eine entsprechende detaillierte Kurvenkontur für eine "sinus"- ähnliche Fläche für einen zweiten Kolben in jedem Zylinder zeigt;
  • Fig. 14 eine vergleichende Zusammenstellung der Kurvenkonturen nach den Fig. 12 und 13 zeigt;
  • Fig. 15 im Schnitt und im Längsschnitt eine alternative Konstruktion einer Kurvenbahnführungsvorrichtung mit zugeordneten Druckrollen, die an dem äußeren Ende einer Kolbenstange angeordnet sind, zeigt;
  • Fig. 16 die gleiche Alternativlösung, wie sie in Fig. 15 dargestellt ist, in einem Schnitt in Richtung radial auswärts von der Kurvenbahnführungsvorrichtung gezeigt, zeigt;
  • Fig. 17 und 18 in Draufsicht bzw. im Horizontalschnitt die Führung des Kopfabschnittes der Kolbenstange entlang eines Paars von Steuerstangen, die zueinander parallel verlaufen, zeigen.
  • In Verbindung mit Fig. 1 soll hier allgemein auf einen Zwei-Takt- Verbrennungsmotor 10 mit innerer Verbrennung Bezug genommen werden. Insbesondere wird solch ein Motor 10 beschrieben, der an ein sogenanntes "sinus"- ähnliches Konzept angepasst ist. In Fig. 1 ist speziell ein Verbrennungsmotor 10 nach der Erfindung, der im Querschnitt und in schematischer Weise dargestellt ist, gezeigt.
  • Erfindungsgemäß hat ein erster Aspekt der Erfindung eine Verbrennung in einer speziell ausgebildeten Verbrennungskammer K1 (siehe Fig. 1b) zum Ziel, wie dies weiter unten genauer beschrieben wird.
  • Weiter hat ein zweiter Aspekt nach der Erfindung eine günstige Steuerung des Öffnens und Schließens von Austrittsöffnungen 25 und Nachladungsöffnungen 24 zum Ziel, wie dies unten näher beschrieben wird.
  • In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Antriebswelle 11 in Form eines Rohrstumpfes gezeigt, der axial und zentral durch den Motor 10 hindurchgeführt ist.
  • Die Antriebswelle 11 ist an ihrem einen dargestellten Ende mit einem radial nach außen vorstehenden, ersten Kopfabschnitt 12a versehen, der eine erste Kurvenbahnführungsvorrichtung bildet, und an ihrem anderen dargestellten Ende ist die Antriebswelle 11 mit einem äquivalenten radial nach außen vorstehenden zweiten Kopfabschnitt 12b versehen, der eine zweite Kurvenbahnführungsvorrichtung bildet.
  • Die Kopfabschnitte/die Kurvenbahnführungsvorrichtungen 12a, 12b sind in der dargestellten Ausführungsform getrennt dargestellt und einzeln jeweils mit ihrer Befestigungseinrichtung mit der Antriebswelle 11 verbunden.
  • Die Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a umgibt die Antriebswelle 11 an deren einem Ende 11a und bildet eine Endabstützung über einen Befestigungsflansch 12a' gegen eine Endoberfläche 11b der Antriebswelle 11 und ist an der Antriebswelle mittels Befestigungsschauben 12a" stationär gesichert.
  • Die Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b umgibt einen verdickten Abschnitt 11c der Antriebswelle 11 an deren entgegengesetzten Endabschnitt. Die Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b ist nicht wie die Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a direkt an der Antriebswelle 11 gesichert, sondern ist andererseits um ein begrenztes Ausmaß axial entlang der Antriebswelle 11 axial verschiebbar angeordnet, insbesondere mit der Idee, das Kompressionsverhältnis in den Zylindern 21 des Motors 10 regeln zu können (nur der eine einer Anzahl von Zylindern ist in Fig. 1 gezeigt).
  • Der Endabschnitt 11d (siehe Fig. 1 und 5a) der Antriebswelle 11 bildet einen radial gekröpften Hülsenabschnitt, an welchen ein tassenförmiges Tragelement 13 befestigt ist. Das Tragelement 13 ist mit einem Befestigungsflansch 13' versehen, der mit Befestigungsschrauben 13" an den Endabschnitt 11d der Antriebswelle 11 gesichert ist. Zwischen einer oberen Endoberfläche 13a des Tragelementes 13 und einer gegenüberliegenden Schulteroberfläche 11e der Antriebswelle 11 ist eine Druckölkammer 13b gebildet. In der Druckölkammer 13b ist ein Kompressionssimulator 12b' in Form eines einen Kolben bildenden Führungsflansches gleitbar aufgenommen, der von der Innenseite der Kurvenbahnführungsvorrichtung radial nach innen in die Druckölkammer 13b zur gleitenden Anlage gegen die Außenoberfläche des Endabschnittes 11d vorsteht.
  • Um eine Relativdrehung zwischen der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b und dem Tragelement 13 und der Antriebswelle 11 zu vermeiden, ist der Führungsflansch 12b' durch eine Reihe von Führungsstiften 12' durchgriffen, die jeweils in Bohrungen in der Endoberfläche 13a des Tragelementes 13 und in der Schulteroberfläche 11e der Antriebswelle 11 verankert sind.
  • Die Druckölversorgung der und die Druckölableitung aus der Druckölkammer 13b geschehen über Durchgangsleitungen 11f und 11g durch einen Endabschnittsdeckel der Antriebswelle 11.
  • Eine Ölführungseinrichtung 14, die axial einwärts in zueinander ausgerichtete Axialbohrungen in dem Endabschnitt 11d der Antriebswelle 11 und in den Befestigungsflansch 13' des Tragelementes 13 eingesetzt ist, sorgt dafür, dass Drucköl und rücklaufendes Öl zu und aus den Leitungen 11f und 11g über getrennte Führungsleitungen 14a und 14b und benachbarte Ringnuten 14a' und 14b' in der Ölführungseinrichtung 14 geleitet wird.
  • Die Steuerung von Drucköl und rücklaufendem Öl in die und aus der Druckölkammer 13b an entgegengesetzten Seiten des Kompressionssimulators 12b' der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b findet von einer entfernt angeordneten handelsüblichen Steueranordnung aus, die nicht weiter gezeigt ist, in einer nicht weiter gezeigten Weise statt.
  • Die Antriebswelle 11 ist, wie in Fig. 1 gezeigt, an entgegengesetzten Enden mit äquivalenten Antriebswellenhülsen 15a und 15b verbunden. Die Hülse 15a ist mit Befestigungsschrauben 15a' an der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a befestigt, während die Hülse 15b mit Befestigungsschrauben 15b' an dem Tragelement 13 befestigt ist. Die Hülsen 15a und 15b sind drehbar in jeweils einer von zwei entgegengesetzten Haupttraglagern 16a, 16b montiert, die an entgegengesetzten Enden des Motors 10 in einer jeweiligen Endabdeckung 17a bzw. 17b befestigt sind.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Endabdeckungen 17a und 17b entsprechend an einen mittleren Motorblock 17 mittels Befestigungsschrauben 17' befestigt.
  • Innerhalb des Motors 10 sind eine erste Schmierölkammer 17c zwischen der Endabdeckung 17a und dem Motorblock 17 und eine zweite Schmierölkammer 17d zwischen der Endabdeckung 17b und dem Motorblock 17 gebildet. Es sind eine an die Endabdeckung 17b befestigte gesonderte Kappe 17e und eine äußere Ölleitung 17f zwischen der Ölleitungskammer 17c und der Ölkappe 17e gezeigt. Weiter ist ein Saugkopf 17g dargestellt, der an eine Schmierölleitung 17h angeschlossen ist, welche eine Verbindung zwischen der Schmierölkammer 17d und einer externen Schmierölanordnung (nicht weiter gezeigt) bildet.
  • Die Ölführungseinrichtung 14 ist mit einem eine Abdeckung bildendem Kopfabschnitt 14c versehen, der an die Endabdeckung 17b des Motors 10 mit Befestigungsschrauben 14c' befestigt ist. Der eine Abdeckung bildende Kopfabschnitt 14c bildet endweise außerhalb des Traglagers 16b eine Abdichtung relativ zu der Schmierölkammer 17c. Entsprechend ist an der Abdeckung 17a endweise außerhalb des Traglagers 16a eine Dichtungsabdeckung 14d mit einem zugeordneten Dichtungsring 14e befestigt.
  • Der Motor 10 ist folglich allgemein aufgebaut aus einem Abtriebsbauteil, das heißt einem drehbaren Bauteil, und einem Antriebsbauteil, das heißt einem nicht drehenden Bauteil. Das Abtriebsbauteil umfasst die Antriebswelle 11 des Motors und das Tragelement 13 der Antriebswelle und die Antriebswellenhülsen 15a/15b zuzüglich den Kurvenbahnführungsvorrichtungen 12a und 12b, die mit der Antriebswelle 11 verbunden sind. Das nicht drehende Antriebsbauteil umfasst die Zylinder 21 des Motors mit dem zugeordneten Kolben 44, 45.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Regulierung/Einstellung der Kompressionsrate des Motors durch Bewirkung einer internen Regulierung/Einstellung, das heißt wechselseitig zwischen Teilen des Abtriebsbauteiles, geschaffen. Mehr im Einzelnen wird die eine Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b axial rückwärts und vorwärts relativ zu der Antriebswelle 11 verschoben, das heißt innerhalb eines definierten Bewegungsraumes innerhalb der Druckölkammer 13a, die durch den Führungsflansch 12b' und die Teilkammern der Ölkammer 13a an entgegengesetzten Seiten des Führungsflansches 12b' festgelegt ist.
  • In der Praxis ist es eine Frage der Regulierung/Einstellung einer Länge von einigen wenigen Millimetern für kleinere Motoren und von einigen Zentimetern für größere Motoren. Die jeweiligen Volumenunterschiede der zugeordneten Arbeitskammern haben jedoch äquivalente Kompressionswirkungen in den unterschiedlichen Motoren.
  • Zum Beispiel kann eine stufenweise oder stufenlose Regulierung der Verdichtungsverhältnisse je nach Bedarf in Betracht gezogen werden, zum Beispiel angepasst mit einer schrittweisen Steuerung der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b in jeweilige Positionen relativ zu der Antriebswelle 11. Die Steuerung kann zum Beispiel automatisch mittels an sich bekannter Elektronik, die auf unterschiedlicher Temperaturerfassungsausrüstung oder dergleichen basiert, erfolgen. Alternativ kann die Steuerung durch manuelle Steuerung über geeignete Regulierungs- /Einstellungseinrichtungen erfolgen, die hier nicht weiter gezeigt sind.
  • Durch Bewirkung der Regulierung der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b in Verbindung mit dem Abtriebsbauteil des Motors vermeidet man eine Beeinflussung auf die allgemeine Steuerung der Anordnung eines zugeordneten Kolbens 44, einer zugeordneten Kolbenstange 48, einem Hauptauflagerad 53 und einem Hilfsrad 55, das heißt, eine Beeinflussung auf die mechanische Verbindung zwischen dem Antriebsbauteil und dem Abtriebsbauteil wird vermieden.
  • Andererseits wird mit solch einer Regulierung der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b eine axiale Regulierung intern in dem Antriebsbauteil in solch einer Weise erzielt, dass die Gesamtanordnung von Kolben 44, Kolbenstange 48, Hauptauflagerad 53 und Hilfsrad 55 kollektiv mittels der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b relativ zu dem zugeordneten Zylinder 21 verschoben werden kann, und dies unabhängig von der konkreten Kompressionsregulierung in der Praxis.
  • In Fig. 1 und 1b ist durch eine gestrichelte Linie ein Mittelabstand 44' zwischen den Kolbenköpfen der Kolben 44, 45 bei einem normalen Kompressionsverhältnis angezeigt, wenn die Kurvenbahnführungsrichtung 12b die in Fig. 1 dargestellte Position einnimmt. Durch die durchgezogene Linie ist ein Mittelabstand 44" zwischen den Kolbenköpfen der Kolben 44, 45 angezeigt, wenn der Führungsflansch 12b' der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b maximal nach oben gegen die Schulteroberfläche 11e der Kolbenstange 11 gedrückt ist.
  • Der Motor 10 ist in drei stationäre Hauptbauteile, das heißt ein Mittelelement, das den Motorblock 17 bildet, und zwei eine Abdeckung bildende Gehäuseelemente 17a, 17b, die an jeweils einem der Enden des Motors 10 angeordnet sind, aufgeteilt gezeigt. Die Gehäuseelemente 17b, 17c sind folglich dazu geeignet, an ihrem jeweiligen Ende des Motorblockes 17 ihre jeweiligen Kurvenbahnführungsvorrichtungen 12a, 12b, Auflageräder 53 und 55 und deren zugeordneten Lager an den jeweiligen Kolbenstangen 48, 49 abzudecken. Das gesamte Antriebsbauteil und das gesamte Abtriebsbauteil des Motors sind folglich wirksam in dem Motor 10 eingeschlossen und in einem Ölbad in den zugeordneten Schmierölkammern 17c und 17d aufgenommen.
  • Der Motorblock 17 der dargestellten Ausführungsform wird in Verbindung mit einem Dreizylindermotor verwendet, der entsprechend mit drei umfangsmäßig getrennten Motorzylindern 21 ausgebildet ist. Nur der eine der drei Zylinder 21 ist in den Fig. 1, 1a und 1b gezeigt.
  • Die drei Zylinder 21, die um die Antriebswelle 11 herum mit einem gegenseitigen Winkelabstand von 120º angeordnet sind, sind gemäß der dargestellten Ausführungsform als getrennte, Zylinder bildende Einsetzelemente ausgebildet, die in einer zugeordneten Bohrung in dem Motorblock 17 eingeschoben sind.
  • In jeden Zylinder/Zylinderelement 21 ist eine hülsenförmige Zylinderbuchse 23 eingesetzt. In der Buchse 23 sind, wie weiter in Fig. 1a und 1b (siehe auch Fig. 2 und 3) gezeigt ist, eine Ringserie von Nachladungsöffnungen 24 an dem einen Ende der Buchse 23 und eine Ringserie von Austrittsöffnungen 25 an dem anderen Ende der Buchse 23 ausgebildet.
  • Äquivalent sind in der Wand 21a des Zylinders 21 Nachladungsöffnungen 26 angeordnet, die radial mit den Nachladungsöffnungen 24 der Buchse 23, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, ausgerichtet sind, während Austrittsöffnungen 27, die radial mit den Austrittsöffnungen 25 der Buchse 23 ausgerichtet sind, äquivalent in der Zylinderwand 21a ausgebildet sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
  • In Fig. 1 sind eine Einlassringleitung 28 für Nachladungsluft, welche die Nachladungsöffnung 26 umgibt, und ein radial außerhalb liegender Nachladungslufteinlass 29 gezeigt.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt ist, erstrecken sich die Nachladungsluftleitungen 28 mit einem markant schrägen Winkel u relativ zu einer durch die Zylinderachse verlaufenden Radialebene A und sind insbesondere geeignet, die Nachladungsluft auf einen Rotationsweg 38 innerhalb des Zylinders 21 zu bringen, wie dies durch den Pfeil B in Fig. 2 gezeigt ist.
  • Weiter ist in Fig. 1 eine Auspuffauslassringleitung 30, die die Austrittsöffnungen 27 umgibt, zuzüglich eines Auspuffauslasses 31 gezeigt, der sich radial nach außen öffnet.
  • In Fig. 3 ist weiter ein äquivalent schräger Verlauf der Austrittsöffnungen 27 mit einem Winkel v relativ zu der Radialebene A durch die Zylinderachse gezeigt, der insbesondere dazu geeignet ist, die Auspuffgase aus dem Rotationsweg 38 innerhalb des Zylinders auf einen äquivalenten Rotationsweg außerhalb des Zylinders 21 zu leiten, wie dies durch den Pfeil C gezeigt ist. Die Austrittsöffnungen 27 sind sich radial nach außen öffnend gezeigt, um den Auswärtsfluss der Auspuffgase aus dem Zylinder 21 nach außen in Richtung auf die Auspuffauslassleitung 30 zu erleichtern.
  • In konventionell bekannter Weise wird die Nachladungsluft verwendet, um die Auspuffgase aus einer vorangegangenen Verbrennungsphase in dem Zylinder hinauszudrücken und zusätzlich Frischluft für einen nachfolgenden Verbrennungsprozess in den Zylinder zu liefern. In diesem Zusammenhang wird gemäß der Erfindung auf eine an sich bekannte Weise in dem Kompressionstakt eine rotierende Luftmasse, wie durch Pfeile 38 (siehe Fig. 1a und Fig. 4a) gezeigt, in der Arbeitskammer K des Zylinders 21 verwendet.
  • In Fig. 1a, 1b und 4a ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung oder Kraftstoffdüse 32 gezeigt, die in einem Hohlraum 33 in der Zylinderwand 21a aufgenommen ist. Die Einspritzvorrichtung/Düse 32 hat ein spitzes Ende 32' (siehe Fig. 4a), das durch eine Bohrung 34 in der Zylinderwand 21a hervorsteht. Die Bohrung 34 führt mit einem schrägen Winkel, der nicht weiter in Fig. 4a bezeichnet ist, aber der dem in Fig. 2 gezeigten Winkel u entspricht, durch die Zylinderwand 21a hindurch. Das spitze Ende 32' steht weiter durch eine Bohrung 35 in der Buchse 23 vor, die mit der Bohrung 34 ausgerichtet ist. Eine Mündung 36 (siehe Fig. 4a) der Düse/Einspritzvorrichtung 32 ist so angeordnet, dass ein Kraftstoffstrahl 37, wie dies in Fig. 4a gezeigt ist, gerade vor einer Zündkerze 39 (möglicherweise einem Zündstift), die in einer Kammerzone angeordnet ist, die einen Teil der Verbrennungskammer K1 (siehe Fig. 1b) bildet, schräg nach innen in eine durch die Pfeile 38 gezeigte rotierende Luftmasse in dem Zylinder 21 gerichtet werden kann.
  • In Fig. 4b ist eine alternative Konstruktion zu der in Fig. 4a gezeigten Lösung gezeigt, hier sind zusätzlich zu einer ersten Kraftstoffdüse 32 und einer ersten Zündanordnung 39 eine zweite Kraftstoffdüse 32a und eine zweite Zündanordnung 39a in einer und derselben scheibenförmigen Verbrennungskammer K1 gezeigt. Beide Düsen 32 und 32a sind entsprechend wie mit Bezug auf Fig. 4a beschrieben ausgebildet, und beide Zündanordnungen 39 und 39a sind entsprechend wie mit Bezug auf Fig. 4a beschrieben ausgebildet. Bei der Düse 32a sind die zugeordneten Bauteile mit der zusätzlichen Bezugsbezeichnung "a" gezeichnet.
  • In der dargestellten Ausführungsform von Fig. 4b sind die Düsen 32, 32a mit einem Winkelbogen von 180º zueinander versetzt gezeigt, während die Zündanordnungen 39, 39a entsprechend mit einem Winkelbogen von 180º zueinander versetzt gezeigt sind. In der Praxis können die Relativabstände je nach Erfordernis, das heißt mit unterschiedlichen gegenseitigen Abständen, die zum Beispiel von dem Zeitpunkt der Zündungen zueinander gesehen oder dergleichen abhängen, abgeändert sein.
  • Weiter ist in Fig. 1 ein Kühlwassersystem zum allgemeinen Kühlen des Zylinders 21 gezeigt. Das Kühlwassersystem umfasst einen nicht weiter gezeigten Kühlwas sereinlass, der eine erste Kühlwasserringleitung 41 und eine zweite Kühlwasserringleitung 42 hat. Die Leitungen 41, 42 sind miteinander über eine Ringserie von sich axial erstreckenden Verbindungsleitungen 43 (siehe Fig. 3) verbunden. Die sich axial erstreckenden Leitungen 43 führen durch die Zylinderwand 21a in jeder Zwischenzone 27a zwischen den Austrittsöffnungen 27 hindurch, so dass diese Zonen 27a lokal einem Durchfluss von Kühlmedium unterliegen und hierdurch vor Überhitzung geschützt werden. Der Kühlwasserauslass, der nicht weiter in Fig. 1 gezeigt ist, ist entfernt von dem Kühlwassereinlass in einer nicht weiter gezeigten Weise mit der Kühlwasserleitung 42 verbunden.
  • Innerhalb der Buchse 23 gibt es auch zwei axial bewegliche Kolben 44, 45, die aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Unmittelbar an der jeweiligen Oberseite 44a, 45a der Kolben und an den Kolbenmantelkanten 44b, 45b der Kolben ist ein Satz von Kolbenvierteln 46 in einer an sich bekannten Weise angeordnet. Die Kolben 44, 45 sind in einem Zwei-Takt-Motorsystem synchron aufeinander zu und voneinander weg beweglich.
  • Weitere Details der Kolben sind in Fig. 5h gezeigt. Der Kolben 44 ist in Form einer relativ dünnwandigen Kappe gezeigt, die einen Oberseitenabschnitt 44a und einen Mantelabschnitt 44b hat. Ganz innen innerhalb des Innenhohlraumes des Kolbens ist eine Stützscheibe 44c angeordnet, darauf folgt ein Kopfelement 48c für eine zugeordnete Kolbenstange 48, ein Stützring 44d und ein Klemmring 44e.
  • Das Kopfelement 48c ist mit einer konvex gerundeten Oberseitenoberfläche 48c' und einer konkav gerundeten Bodenoberfläche 48c" versehen, während die Stützscheibe 44c mit einer äquivalent konkav gerundeten oberen Stützoberfläche 44c' ausgebildet ist und der Stützring 44d mit einer konvex gerundeten unteren Stützoberfläche 44d' versehen ist. Das Kopfelement 48c ist folglich dazu geeignet, relativ zu dem Kolben gesteuert durch die Stützoberflächen 44c' und 44d' um eine theoretische Achse verdreht zu werden. Durch Anlage gegen einen Schulterabschnitt 44f innerhalb des Kolbens sorgt der Ring 44e dafür, dass das Kopfelement 48c - und hierdurch die Kolbenstange 48 - ein gewisses Maß von Passung und hierdurch eine gewisse Möglichkeit der Drehung um die theoretische Achse des Kolbens 44 während des Betriebs hat.
  • Das Kopfelement 48c ist mit einem mittleren, hülsenförmigen Tragabschnitt 48 g versehen, der Rippenabschnitte 48g' hat, die seitwärts nach außen vorstehen, und einen verriegelnden Eingriff mit äquivalenten (nicht weiter gezeigten) Hohlräumen innerhalb der zugeordneten Kolbenstange 48 (siehe Fig. 1a und 1b) bilden.
  • In Fig. 1a sind die Kolben 44, 45 in ihrer einen äquivalenten einen äußeren Position gezeigt. Diese äußere Position, wo es einen maximalen Abstand zwischen den Kolben 44, 45 gibt, ist hier allgemein als Totpunkt 0a für den Kolben 44 und Ob für den Kolben 45 bezeichnet.
  • In den Totpunktpositionen 0a und 0b lässt der Kolben 44 die Nachladungsöffnungen 24 frei, während der Kolben 45 die Austrittsöffnungen 25 freilässt, wobei das Öffnen und Schließen der Nachladungsöffnungen 24 durch die Positionen des Kolbens 45 in dem zugeordneten Zylinder 21 gesteuert wird, während das Öffnen und Schließen der Austrittsöffnungen 25 durch die Positionen des Kolbens 44 in dem zugeordneten Zylinder 21 gesteuert wird. Diese Steuerung wird im folgenden genauer mit Bezug auf die Fig. 12-14 beschrieben.
  • Zusätzlich wird diese Steuerung mit zusätzlichen Wirkungen in Bezug auf die vorerwähnte Regulierung der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b entlang der Antriebswelle 11 beschrieben.
  • Wenn die Kolben 44, 45 ihre entgegengesetzten äußeren Positionen, wo es einen minimalen Abstand gibt, wie dies in Fig. 1b gezeigt ist, einnehmen, so sind diese Positionen üblicherweise als Totpunktpositionen bezeichnet. Jedoch sind gemäß der vorliegenden Erfindung die Kolben 44, 45 in und an diesen Totpunktpositionen stationär, d. h. ohne oder grob gesagt ohne axiale Bewegung relativ zueinander. Dadurch, dass die Kolben nicht nur in den Totpunktpositionen, sondern auch in benachbarten Abschnitten der jeweiligen "sinus"-ähnlichen Fläche, wie dies weiter unten beschrieben wird, stationär gehalten werden, kann eine volumenmäßig mehr oder weniger konstante Arbeitskammer (Verbrennungskammer) über eine bestimmte Bogenlänge gescharfen werden, das heißt über einen beträchtlich längeren Abschnitt der "sinus"-ähnlichen Fläche als bisher bekannt.
  • Folglich sind die Kolben 44, 45 über einen Abschnitt der "sinus"-ähnlichen Fläche, der hier als "Totabschnitt" 4a für den Kolben 44 und als "Totabschnitt" 4b für den Kolben 45 bezeichnet wird, in Ruhe oder grob gesagt in Ruhe. Diese Totabschnitte 4a und 4b sind weiter in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
  • An diesen Totabschnitten ist in der Arbeitskammer K ein sogenannter "Totabstand" gebildet, der hier (aus Gründen die aus dem folgenden ersichtlich werden) als die Verbrennungskammer K1 bezeichnet wird. Die Verbrennungskammer K1 ist gemäß der Erfindung hauptsächlich in und an einem Übergangsabschnitt zwischen der Kompressionsphase und der Expansionsphase des Zwei-Takt-Motors definiert, wie dies im folgenden genauer beschrieben wird.
  • Während der Expansionsphase, das heißt ab der in Fig. 1b gezeigten Position des Kolbens bis zu der in Fig. 1a gezeigten Position des Kolbens, wird die Arbeitskammer K von einem minimalen Volumen, gezeigt durch die Verbrennungskammer K1, allmählich auf ein maximales Volumen, wie in der Fig. 1a und bei den Totpunkten Oa und Ob in Fig. 9 und 10 gezeigt, expandiert, wobei die Verbrennungskammer K1 allmählich mit einer weiteren Kammer K2, in der der Expansions- und Kompressionstakt der Kolben 44, 45 stattfindet, expandiert wird.
  • Gemäß der Erfindung ist die Verbrennungskammer K1 zu einem beträchtlichen Ausmaß in dem Totabschnitt/Totabstand definiert. In der Praxis kann jedoch die Verbrennung auch ein wenig gerade außerhalb des Totabstandes stattfinden, was weiter unten genauer erläutert wird.
  • Im Zusammenhang mit der Veränderung des Kompressionsverhältnisses in der Arbeitskammer kann es bei der in Fig. 10 gezeigten Position auch eine Frage nach unterschiedlichen Volumen in der Verbrennungskammer K1 geben, ganz danach, welche Regulierung während des Gebrauchs des Motors bewirkt wird. Aus dem oben erwähnten heraus sollte es in diesem Fall auch eine Frage nach unterschiedlichen Volumen in der Verbrennungskammer an der in Fig. 1a gezeigten entgegengesetzten Position geben.
  • Jedoch muss man beachten, dass die Kolbenhübe der einzelnen Kolben 44, 45 unter allen Betriebsbedingungen unabhängig von dem Kompressionsverhältnis, das eingesetzt werden muss, genau gleich lang sind.
  • Jeder Kolben 44, 45 ist steif mit seiner jeweiligen rohrförmigen Kolbenstange 48 und 49 verbunden, die in einer geradlinigen Bewegung über eine sogenannte Kreuzkopfsteuerung 50 geführt ist. Die Kreuzkopfsteuerung 50 ist teilweise in dem Motorblock 17 und teilweise in dem jeweiligen Abdeckelement 17a und 17b an dem äquivalenten freien äußeren Ende der jeweiligen Kolbenstange 48, 49 angeordnet. Die Kreuzkopfsteuerung 50, die im Detail in Fig. 5a gezeigt ist, bildet eine Axialführung für die Kolbenstange 48 und 49 gerade innerhalb und gerade außerhalb des Motorblockes 17.
  • Gemäß Fig. 5a, auf die nun Bezug genommen wird, gibt es einen Drehstift 51, der an einem Ende der rohrförmigen Kolbenstange 48 befestigt ist und kreuzweise quer durch die Kolbenstange 48 geführt ist, d. h. durch ihren Rohrhohlraum 52. An einem Mittelabschnitt 51a des Drehstiftes 51, d. h. innerhalb des Hohlraumes 52, ist, eine schwenkbare Hauptrolle 53 drehbar montiert, während an einem Endabschnitt 51b des Drehstiftes 51 an der nach außen gerichteten Seite 48a der Kolbenstange 48 eine schwenkbare Hilfsrolle 55 drehbar montiert ist.
  • Die Hauptrolle 53 umfasst einen inneren Nabenabschnitt 53a mit einem Rollenlager 53b und einen äußeren Randabschnitt 53c. Der Randabschnitt 53c ist mit einer doppelt gekrümmten, d. h. kugelschnittförmigen Rollenoberfläche 53c' versehen.
  • Die Hilfsrolle 55 hat einen der Hauptrolle 53 entsprechenden Aufbau und umfasst einen inneren Nabenabschnitt 55a, ein mittleres Rollenlager 55b und einen äußeren Randabschnitt 55c mit kugelabschnittsförmiger Rollenoberfläche 55c'.
  • Die Hauptrolle 53 ist dazu geeignet, entlang einer im Querschnitt konkav gekrümmten Rollenoberfläche 54 abgerollt zu werden, die einen Teil einer sogenannten "sinus"-ähnlichen Kurve 54' wie in Fig. 6-8 gezeigt, bildet. Durch den Einsatz einer kugelabschnittsförmigen Rollenoberfläche 53c', die entlang einer äquivalent gekrümmten Führungsoberfläche 54 der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a und 12b entlang rollt, kann ein wirksames Stützgegenlager zwischen der Rolle 53 und der Führungsoberfläche 54 unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und möglicherweise auch mit einer etwas schräg angeordneten Rolle und/oder einer schräg angeordneten Kolbenstange 48 (49) sichergestellt werden, so wie das bei der drehbaren Befestigung der Kolbenstange 48 in dem Kolben 44, wie in Fig. 5h gezeigt, zugelassen wird.
  • Die "sinus"-ähnliche Kurve 54' ist an der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a und 12b der Antriebswelle an einer Seite ausgebildet, die von den dazwischenliegenden Zylindern 21 äquivalent axial nach außen gerichtet ist. Die Hilfsrolle 55 ist dazu geeignet, auf und entlang einer äquivalenten, weiteren "sinus"-ähnlichen im Querschnitt konkav gekrümmten Kurve (nicht weiter gezeigt), entlang einer Rollenoberfläche 56a an einem Rollenweg abgerollt zu werden, der in der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a (und 12b) radial gerade innerhalb der Rollenoberfläche 54 ausgebildet ist.
  • Bei dem in Fig. 5a dargestellten Ausführungsbeispiel ist die "sinus"-ähnliche Kurve 54a' radial ganz außen angeordnet, während die "sinus"-ähnliche Kurve 56a' an der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a mit radialem Abstand innerhalb der "sinus"-ähnlichen Kurve 54a' angeordnet ist. Alternativ kann die "sinus"-ähnliche Kurve 54a' (in einer nicht weiter gezeigten Weise) radial innerhalb der "sinus"- ähnlichen Kurve 56a' angeordnet sein.
  • An jeder der Kurvenbahnführungsvorrichtungen 12a und 12b ist ein entsprechendes Paar von "sinus"-ähnlichen Kurven 54a', 56a' in einer nicht weiter gezeigten Weise ausgebildet, und jede "sinus"-ähnliche Kurve kann nach Bedarf mit einer oder mehrerer "sinus"-ähnlichen Flächen versehen sein.
  • In Fig. 1 ist schematisch auf eine Kurven bahnführungsvorrichtung 12a und 12b Bezug genommen, während die Details der zugeordneten "sinus"-ähnlichen Kurven und "sinus"-ähnlichen Flächen weiter in den Fig. 9-14 gezeigt ist.
    • Das "sinus"-ähnliche Konzept
  • Allgemein kann das "sinus"-ähnliche Konzept mit einer ungeraden Anzahl (1, 3, 5 u. s. w.) von Zylindern angewendet werden, während eine gerade Anzahl (2, 4, 6 u. s. w.) "sinus"-ähnlicher Flächen eingesetzt ist, und umgekehrt.
  • In einem Fall, bei dem bei jeder der Kuvenbahnführungsvorrichtungen 12a, 12b eine einzelne "sinus"-ähnlichen Fläche (die eine "sinus"-ähnliche Spitze und einen "sinus"-ähnlichen Boden hat) verwendet ist, das heißt die "sinus"-ähnlichen Fläche überdeckt einen Winkelbogen von 360º, ist es jedoch unerheblich, ob eine ungerade Anzahl oder eine gerade Anzahl von Zylindern verwendet werden. Dementsprechend kann mit einer Anzahl von zwei (oder mehr) "sinus"-ähnlichen Flächen zum Beispiel eine größere oder kleinere Anzahl von Zylindern je nach Bedarf eingesetzt werden.
  • Der besagte Fall mit einer einzelnen "sinus"-ähnlichen Ebene kann insbesondere zur Verwendung in schnell laufenden Motoren, die mit Geschwindigkeiten über 2000 U/min angetrieben werden, von Interesse sein.
  • Gemäß dem "sinus"-ähnlichen Konzept kann der einzelne Motor "intern" in Bezug auf die Geschwindigkeit je nach dem mit Getriebe versehen sein, welche Anzahl von "sinus"-ähnlichen Spitzen und "sinus"-ähnlichen Böden bei jeder 360º-Drehung der Antriebswelle verwendet ist. Mit anderen Worten können gemäß dem "sinus"- ähnlichen Konzept beide Motoren genau in dem Bereich von Umdrehungen pro Minuten gebaut werden, der für die einzelne Anwendung relevant ist.
  • Allgemein sind die in Reihe aufeinanderfolgend angeordneten Zylinder des Motors des dargestellten Ausführungsbeispiels mit zugeordneten Kolben in spezifischen Winkelpositionen um die Achse der Antriebswelle, zum Beispiel entlang der "si nus"-ähnlichen Fläche oder entlang der Reihe von "sinus"-ähnlichen Flächen (der "sinus"-ähnlichen Kurve) mit gleichen Zwischenabständen zueinander, angeordnet.
  • Beispielsweise können für einen Zwei-Takt- oder Vier-Takt-Motor mit drei Zylindern (siehe Fig. 6) für jede 360º-Drehung zwei "sinus"-ähnliche Spitzen und zwei "sinus"-ähnliche Böden und vier dazwischen liegende schräge Oberflächen eingesetzt werden, das heißt zwei "sinus"-ähnliche Flächen sind nacheinander an jeder Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a, 12b angeordnet. Folglich können in einem Vier-Takt-Motor vier Takte für jeden der beiden Kolben der drei Zylinder bei jeder Umdrehung der Antriebswelle der Kurvenbahnführungsvorrichtungen und vier Takte für jeden der beiden Kolben der drei Zylinder in einem Zwei-Takt-Motor erzielt werden.
  • Entsprechend können bei einem Zwei-Takt-Motor mit fünf Zylindern, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt, für jede 360º Umdrehung eine "sinus"-ähnlichen Kurve mit zwei "sinus"-ähnlichen Spitzen und zwei "sinus"-ähnlichen Böden und vier dazwischen liegenden schrägen Flächen eingesetzt werden, das heißt zwei "sinus"-ähnliche Flächen sind nacheinander bei jeder Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a, 12b angeordnet, so dass bei einem Zwei-Takt-Motor vier Takte, für jeden der beiden Kolben der fünf Zylinder bei jeder Umdrehung erzielt werden.
  • Die Auflagerollen der Kolben sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit äquivalent gleichen Winkelzwischenräumen, das heißt in äquivalenten Drehwinkelpositionen entlang der "sinus"-ähnlichen Kurve angeordnet, so dass sie nacheinander äquivalenten Kolbenbewegungen in äquivalenten Positionen entlang der jeweiligen "sinus"-ähnlichen Flächen unterworfen werden.
  • Die Motorleistung wird folglich von den unterschiedlich Kolben 44, 45 nacheinander über die Auflagerollen 53 in der axialen Richtung der Antriebswelle 11 über jeweilige "sinus"-ähnliche Kurven jeweils mit deren "sinus"-ähnlichen Fläche, übertragen, und die Antriebswelle 11 wird hierdurch einer Zwangsdrehung um ihre Achse unterworfen. Dies geschieht, indem Kolbenstangen des Motors parallel zu der longitudinalen Achse der Antriebswelle bewegt werden und Auflagerollen der KolbenKolbenstangen zwangsweise entlang der "sinus"-ähnlichen Flächen abrollen. Die Motorleistung wird hierdurch in einer axialen Richtung von den Auflagerollen der Kolbenstangen zu den "sinus"-ähnlichen Flächen übertragen, die zusammen mit der Antriebswelle 11 um ihre Achse zwangsgedreht werden. Mit anderen Worten wird eine Übertragung einer Bewegungsleistung aus einer oszillierenden Kolbenbewegung auf eine Drehbewegung der Antriebswelle erzielt, wobei die Bewegungsleistung direkt von den jeweiligen Auflagerollen der Kolbenstangen auf die "sinus"-ähnlichen Flächen der Antriebswelle übertragen wird.
  • In Fig. 6a ist schematisch eine Auflagerolle 53 an einem sich schräg erstreckenden Abschnitt einer "sinus"-ähnlichen Kurve 8a dargestellt. Axiale Antriebskräfte von einem zugeordneten Kolben 44 mit einer Kolbenstange 48 sind in Form eines Pfeiles Fa gezeigt, und äquivalent in einer radiale Ebene zerlegte, auf die "sinus"- ähnliche Fläche 8a übertragene Drehkräfte sind durch einen Pfeil Fr gezeigt.
  • Die Drehkräfte können aus der Formel 2 abgeleitet werden:
  • Fr = Fa-tan f.
  • Gemäß der Erfindung erreicht man unter anderem, dass mittels einer besonderen Ausbildung der erfindungsgemäßen "sinus"-ähnlichen Fläche der Expansionstakt der Kolben 44, 45 - winkelmäßig relativ zu dem Drehbogen der Antriebswelle in Ansatz gebracht - größer wird als der Kompressionstakt der Kolben 44, 45. Trotz der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Kolbenbewegungen in entgegengesetzten Bewegungsrichtungen kann hierdurch eine relativ gesehen gleichförmigere Übertragung einer Bewegungskraft auf die Antriebswelle 11 und zusätzlich ein "gleichförmigerer", das heißt vibrationsfreierer Motorlauf sichergestellt werden.
  • Fig. 6-8 zeigen schematisch die Betriebsweise eines Drei-Zylinder-Motors 10, wobei nur der eine Kolben 44 der beiden zusammenarbeitenden Kolben 44, 45, und zwar dargestellt in einem Zustand ebener Ausbreitung entlang einer zugehörigen "sinus"-ähnlichen Kurve 54', die aus zwei aufeinanderfolgenden "sinus"- ähnlichen Flächen besteht, zuzüglich der zugeordneten Hauptrolle 53 der zugeordneten einen Kolbenstange 48 gezeigt ist. In jeder der Fig. 6-8 sind schematisch der zugeordnete eine Kolben 44 in jedem der drei Zylinder 21 des Motors gezeigt, wobei eine äquivalente Anordnung für den Kolben 45 an dem entgegengesetzten Ende des Zylinders verwendet ist. Aus Gründen der Klarheit sind der Zylinder 21 und der entgegengesetzte Kolben 45 in Fig. 6-8 weggelassen worden, nur der Kolben 44, dessen Kolbenstange 48 und dessen Hauptrolle 53 sind gezeigt. Axiale Bewegungen des Kolbens 44 sind durch einen Pfeil 57, der den Kompressionshub des Kolbens 44 markiert, und einen Pfeil 58, der den Expansionshub des Kolbens 44 markiert, dargestellt.
  • Die "sinus"-ähnliche Kurve 54' ist mit einem unteren Rollweg 54 gezeigt, der eine doppelte Kontur in Form einer "sinus"-ähnlichen Fläche hat und allgemein die Bewegung der Hauptrolle 53 in einer axialen Richtung führt, indem er mehr oder weniger konstant eine abwärts gerichtete Kraft von dem Kolben 44 über die Hauptrolle 53 auf den Rollenweg 54 in dem Expansionstakt und eine aufwärts gerichtete Kraft von dem Rollenweg 54 über die Hauptrolle 53 auf den Kolben 44 in dem Kompressionstakt bewirkt. Die Hilfsrolle 55 (nicht weiter in Fig. 6-8 gezeigt) ist mit mit einer sicheren Passung relativ zu einem oberen Rollweg 54b, wie dies in Fig. 5a gezeigt ist, aufgenommen. Aus Darstellungsgründen ist der Rollweg 56b vertikal oberhalb der Hauptrolle 53 in Fig. 6-8 gezeigt, um so die Maximalbewegung der Hauptrolle in einer Axialrichtung relativ zu dem Rollweg 54 anzuzeigen. In der Praxis ist es die Hilfsrolle 55, die die Bewegungsmöglichkeit der Hauptrolle 53 axial relativ zu ihrem Rollweg 54 steuert, wie dies in Fig. 5a gezeigt ist.
  • Die Hilfsrolle 55 ist normalerweise nicht aktiv, sondern steuert die Bewegung des Kolbens 44 in einer Axialrichtung in den Momenten, in denen die Hauptrolle 53 eine Tendenz hat, sich von dem die Kurvenbahn bildenden Rollweg 54 abzuheben. Während des Betriebs kann hierbei ein unbeabsichtigtes Anheben der Hauptrolle 53 relativ zu dem Rollweg 54 vermieden werden. Der Rollweg der Hilfsrolle 55 ist, wie in Fig. 5 gezeigt, normalerweise in einem festgelegten passenden Abstand von dem Rollweg der Hauptrolle 53 angeordnet.
  • In Fig. 6-8 ist die "sinus"-ähnliche Kurve 54' mit einem ersten relativ steil und relativ geradlinig verlaufendem Kurvenabschnitt 60 und einem nachfolgenden mehr oder weniger gekrümmten, eine Spitze formenden Übergangsabschnitt/Totabschnitt 61 und einem zweiten sich relativ leichter geneigt erstreckenden, relativ geradlinig verlaufenden Kurvenabschnitt 62 und einem nachfolgenden gebogenen Übergangsabschnitt/Totabschnitt 63 gezeigt. Diese Kurvenkonturen sind jedoch nicht im Detail repräsentativ für die Kurvenkonturen, die gemäß der Erfindung eingesetzt werden, Beispiele für korrekte Kurvenkonturen sind detaillierter in den Fig. 12 und 13 dargestellt.
  • Die "sinus"-ähnliche Kurve 54' und die "sinus"-ähnliche Fläche 54 sind in den Fig. 6 -8 mit zwei Spitzen 61 und zwei Böden 63 und zwei Paaren von Kurvenabschnitten 60, 62 gezeigt. In Fig. 6-8 sind drei Kolben 44 und deren jeweilige Hauptrolle 53 in äquivalenten Positionen entlang einer zugeordneten "sinus"-ähnlichen Kurve in zueinander unterschiedlichen, aufeinander folgenden Positionen dargestellt. Es ist aus der Zeichnung ersichtlich, dass die relativ kurzen ersten Kurvenabschnitte 60 zur Folge haben, dass zu allen Zeiten nur eine Hauptrolle 53 an einem kurzen Kurvenabschnitt und zwei oder ungefähr zwei Hauptrollen 53 an den beiden längeren Kurvenabschnitten 62 zu finden sind. Mit anderen Worten können mit der dargestellten Kurvenkontur unterschiedliche Formen von Kurvenabschnitten für den Kompressionstakt relativ zu der Form der Kurvenabschnitte für den Expansionstakt eingesetzt werden. Unter anderem kann hierdurch sichergestellt werden, dass die beiden Hauptrollen 53 jederzeit den Expansionstakt überlappen, während die dritte Hauptrolle 53 einen Teil des Kompressionstaktes bildet. In der Praxis wird die Bewegung des Kolbens 44 mit relativ größeren Bewegungsgeschwindigkeiten in der Axialrichtung in dem Kompressionstakt gegenüber dem Expansionstakt erzielt. An sich haben diese unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten keinen negativen Einfluss auf die Drehbewegung der Antriebswelle 11. Im Gegenteil bedeutet dies, dass man beobachten kann, dass mit solch einer zueinander unsymmetrischen Ausbildung der Kurvenabschnitte 60, 62 gleichförmigere und weniger Vibrationen erzeugende Bewegungen in dem Motor erzielt werden können.
  • Weiter wird relativ zu der Zeit, die für den Kompressionstakt reserviert ist, eine Verlängerung der Zeit erzielt, die in dem Expansionstakt zur Verfügung gestellt wird. In einem praktischen Aufbau nach den Fig. 6-8 ist bei einer 180º-Arbeitssequenz eine Bogenlänge von etwa 105º für den Expasionstakt und eine äquivalente Bogenlänge von etwas 75º für den Kompressionstakt gewählt. Tatsächliche Bogenlängen können aber beispielsweise zwischen 110º und 95º liegen, was den Expansionstakt betrifft und äquivalent zwischen 70º und 85º liegen, was den Kompressionstakt betrifft.
  • Bei der beispielsweisen Verwendung eines Satzes von drei Zylindern 21, dem wie oben beschrieben drei Paar von Kolben 44, 45 zugeordnet sind, sind zwei Spitzen 61 und zwei Böden 63 für jede 360º-Umdrehung der Antriebswelle, das heißt zwei Expansionstakte pro Kolbenpaar 44, 45 pro Umdrehung, eingesetzt
  • Bei Verwendung von z. B. vier Paaren von Kolben, können entsprechend drei Spitzen und drei Böden, d. h. drei Expansionstakte pro Kolbenpaar pro Umdrehung eingesetzt werden.
  • In der Ausführungsform nach Fig. 9-10 ist ein Fünf-Zylinder-Motor mit fünf Paaren von Kolben, denen zwei Spitzen und zwei Böden zugeordnet sind, das heißt mit zwei Expansionstakten pro Kolbenpaar pro Umdrehung, diskutiert.
    • Typische Kurvenbahnführungsanordnung gemäß der Erfindung
  • Im folgenden wird unter Bezug auf die Fig. 9 und 10 eine bevorzugte Ausführungsform des "sinus"-ähnlichen Konzeptes gemäß der Erfindung detaillierter in Zusammenhang mit einem Fünf-Zylinder-Zweitakt-Verbrennungsmotor mit zugeordneten, zueinander unterschiedlichen Kurvenbahnführungskurven 8a, 8b wie in Fig. 9 und 10 und in Fig. 12 und 13 gezeigt beschrieben.
  • In Fig. 14 ist schematisch eine ganz in der Mitte liegende theoretische Kurvenbahnführungskurve 8c gezeigt, die die Volumenänderung der Arbeitskammer K, von einem Minimum, wie es in der Verbrennungskammer K1 in den Totzonen 4a und 4b gezeigt ist, auf ein Maximum, wie es in der maximalen Arbeitskammer K in den Totpunkten 0a und Ob (siehe Fig. 9-10 und 12-14) gezeigt ist, zeigt.
  • Gemäß der Erfindung ist die Kurve 8b, wie dies in Fig. 12-14 dargestellt ist, an dem Totpunkt Ob mit einem Rotationswinkel von 14º vor den Totpunkt 0a der Kurve 8a phasenverschoben.
  • Die Drehrichtung der Kurven 8a, 8b, das heißt die Drehrichtung der Antriebswelle 11, ist durch den Pfeil E dargestellt.
  • In den Fig. 9 und 10 sind schematisch fünf Zylinder 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 und 21- 5 dargestellt, die zu zwei zugeordneten Kurven 8a und zwei Kurven 8b gehören, welche in einer schematisch darstellenden Weise in einer und derselben Ebene ausgebreitet sind. Die fünf Zylinder 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 und 21-5 sind in jeweiligen Winkelpositionen mit einem gegenseitigen Winkelabstand von 72º gezeigt, das heißt in Positionen, die gleichförmig um die Achse der Drehwelle 11 verteilt sind.
  • In Fig. 12 ist eine erste Kurve 8a gezeigt, die eine Bogenlänge von 180º aus einer Position 0º/360º bis zu einer Position 180º abdeckt. Eine entsprechende Kurve 8a (siehe Fig. 9) erstreckt sich über eine entsprechende Bogenlänge von 180º aus der Position 180º bis zur Position 360º. Mit anderen Worten gibt es pro 360º Umdrehung der Kurbelwelle zwei hintereinander folgende Kurven 8a.
  • Die Kurve 8a zeigt in der Position 0º/360º einen ersten Totpunkt 0a. Von der Position 0º bis zu einer Position 38,4º ist ein erster Übergangsabschnitt 1a gezeigt, der einem ersten Teil eines Kompressionstaktes entspricht, und von der Position 38,4 bis zu der 59,2º ist ein sich schräg (nach oben) erstreckender geradliniger Abschnitt 2a gezeigt, der einen Hauptteil des Kompressionstaktes entspricht, und von der Position 59,2º bis zu einer Position 75º ist ein zweiter Übergangsabschnitt 3a gezeigt, der einem Endteil des Kompressionstaktes entspricht.
  • Danach ist von der Position 75º bis zu einer Position 85º in Zusammenhang mit einem zweiten Totpunkt ein geradliniger Totabschnitt 4a gezeigt, der über eine Bogenlänge von 10º hinwegreicht.
  • Ab der Position 80º bis zur Position 95,8º ist ein Übergangsabschnitt 5a gezeigt, ab der Position 95,8º bis zu der Position 160º ist ein sich schräg nach unten erstreckender geradliniger Abschnitt 6a gezeigt, und ab der Position 160º bis zu der Position 180º ist ein Übergangsabschnitt 7a gezeigt. Die drei Abschnitte 5a, 6a, 7a bilden zusammen einen Expansionsabschnitt.
  • In der Position 180º ist ein neuer Totpunkt 0a gezeigt, und danach läuft die Kurvenbahnführungskurve über eine zweite entsprechende Kurve 8a ab der Position 180º bis zu der Position 360º weiter, das heißt mit zwei Kurven 8a, die sich zusammen über eine Bogenlänge von 360º erstrecken.
  • In Fig. 13 ist eine äquivalente (spiegelbildliche) Kurvenkontur für die verbleibende Kurve 8b mit einem Totpunkt Ob und aufeinander folgenden Kurvenabschnitten 1b -7b gezeigt.
  • Es ist gezeigt: der Kurvenpunkt Ob in einer Position 346º,
  • - der Kurvenabschnitt 1b zwischen den Positionen 346º und 3º,
  • - der Kurvenabschnitt 2b zwischen den Positionen 3º und 60º,
  • - der Kurvenabschnitt 3b zwischen den Positionen 60º und 75º,
  • - der Kurvenabschnitt 4b zwischen den Positionen 75º und 80º,
  • - der Kurvenabschnitt 5b zwischen den Positionen 80º und 101,5º,
  • - der Kurven abschnitt 6b zwischen den Positionen 101,5º und 146º, und
  • - der Kurvenabschnitt 7b zwischen den Positionen 146º und 166º, das heißt mit dem erneut in der Position 166º gezeigten Totpunkt Ob.
  • Die Kurvenbahnführung läuft mit einer entsprechenden Kurve 8b zwischen den Positionen 166º und 346º (siehe Fig. 10) weiter.
  • Die erste Kurve 8a (Fig. 12) steuert das Öffnen (Position 160º/340º) und Schließen (Position 205º/25º) der Austrittsöffnungen 25.
  • Die zweite Kurve 8b (Fig. 13) steuert das Öffnen (Position 146º/3260) und Schließen (Position 185º/5º)der Nachladungsöffnungen 24.
  • In Fig. 14 ist eine Phasenverschiebung von 14º zwischen den Totpunkten 0a und Ob bei dem dargestellten schematischen Vergleich der Kurven 8a und 8b gezeigt. Die Kurve 8b, dargestellt durch gestrichelte Linien in Fig. 14, ist zu Vergleichszwecken in spiegelbildlicher Form relativ zu der Kurve 8a gezeigt, die ihrerseits mit durchgezogenen Linien in Fig. 14 gezeigt ist. Durch strichpunktierte Linien ist die in der Mitte liegende theoretische Kurve 8c gezeigt, die ungefähr ähnlich oder gleich einer mathematischen "sinus"-ähnlichen Kurvenkontur ist.
  • In Fig. 9 und 10 ist die "sinus"-ähnliche Fläche 8b in einer Position von 14º vorder Position der "sinus"-ähnlichen Fläche 8a gezeigt. Die fünf Zylinder 21-1, 21-2, 21- 3, 21-4 und 21-5 sind in aufeinanderfolgenden Positionen relativ zu der zugeordneten "sinus"-ähnlichen Fläche und einzeln in aufeinander folgenden Arbeitspositionen gezeigt, wie in dem folgenden Diagramm 1 und Diagramm 2 gezeigt ist.
  • Die Austrittsöffnungen 25 werden andererseits über eine Bogenlänge von 39º offengehalten, das heißt über eine Bogenlänge, die relativ zu der Bogenlänge, bei welcher die Nachladungsöffnungen offen sind (siehe Fig. 14), um 14º phasenverschoben ist.
  • Die Nachladungsöffnungen 24 können folglich über eine Bogenlänge von 20º (siehe die Kurvenabschnitte 1a-3a in Fig. 12 und der einzelne schraffierte Abschnitt A' in Fig. 14) nach dem Schließen der Austrittsöffnungen 25 geöffnet sein. Dies bedeutet, dass die Kompressionskammer über die letzt erwähnte Bogenlänge von 20º unter anderem mit einem Überschuss von Nachladungsluft versorgt werden kann, das heißt mit komprimierter Luft überladen ist.
  • Von Fig. 14 ist aus den abgegrenzten, einzeln schraffierten Abschnitten B' ersichtlich, dass die Austrittsöffnungen 25 über eine Bogenlänge von 14º offengehalten werden können, bevor die Nachladungsöffnungen 24 sich öffnen.
  • " Die Austrittsöffnungen öffnen in einer Position 146º/326º und schließen in einer Position 185º/5º, das heißt die Austrittsöffnungen 25 sind über eine Bogenlänge von 39º geöffnet.
  • Die besagten Abschnitte A' und B' zeigen die axialen Abmessungen der Austrittsöffnungen 25 und die axialen Abmessungen der Nachladungsöffnungen 24 in einem jeweiligen äußeren Abschnitt der Arbeitskammer K. Die Öffnungen 24 und 25 können hierdurch mit gleicher Höhe an jedem Ende der Arbeitskammer K ausgebildet werden. Diese Höhe ist in den Fig. 12-14 durch Ä2 gezeigt.
  • In einer Winkelzone von 5º (von der Position 75º zur Position 80º - siehe insbesondere Fig. 13) der "sinus"-ähnlichen Fläche 8b und in einer Winkelzone von 10º (von der Position 75º bis zur Position 85º - siehe insbesondere Fig. 12) der Kurve 8a wird der jeweils zugeordnete Kolben 44 und 45 mit einem minimalen Abstand A von beispielsweise 15 mm zwischen dem Kolbenkopf 44a und der Mittellinie der Arbeitskammer maximal gedrückt gehalten.
  • Unter Bezug auf Fig. 12 ist weiter zu beobachten, dass sich über eine Bogenlänge von 36,6º von der Position 59,2º bis zu der Position 95,8º der Abstand zwischen den Kolbenköpfen relativ wenig ändert. Der Abstand von dem Kolbenkopf 44a bis zu der Mittellinie 44' wird von einem Minimum λ = 15 mm (in dem Totabschnitt 75º -80º) auf einen 20 mm-Abstand (Position 93º in Fig. 13) geändert.
  • Entsprechend wird der Abstand von dem Kolbenkopf bis zu der Mittellinie 44' von einem Minimum λ = 15 mm in dem Totabschnitt 75º-80º auf einen 25 mm- Abstand an der Position 57º, Fig. 13, geändert.
  • Über besagte Bogenlänge von 36,6º wird das Volumen der Verbrennungskammer K1 zwischen den Kolben 44, 45 näherungsweise konstant gehalten.
    • Kombinierte Effekte der beiden phasenverschobenen "sinus"-ähnlichen Flächen
  • Aus Fig. 14 sind die Konturen der jeweiligen beiden Kurven 8a, 8b ersichtlich, die schematisch, spiegelbildlich zueinander gezeigt sind. Die Kurve 8a ist real mit einer durchgezogenen Linie gezeigt, während die Kurve 8b in einem um die Mittelachse zwischen den Kolben 44, 45 gespiegelten Bild mit gestrichelter Linie gezeigt ist. Die Kurve 8c zeigt eine theoretische genau in der Mitte liegende Kurve zwischen den Kurven 8a, 8b. Es ist ersichtlich, dass die genau in der Mitte liegende Kurve 8c eine Kontur hat, die näher an einer Sinus-Kurvenkontur liegt als die Konturen der Kurven 8a, 8b einzeln. Folglich kann, selbst wenn man eine relativ unsymmetrische Kontur der Kurven 8a, 8b zueinander bekommt, eine relativ symmetrische Kontur der genau in der Mitte liegenden Kurve 8c erhalten werden.
    • Kraftstoff wird eingespritzt
  • In der Nähe der Kompressionsphase in der Kurvenzone 3a und 3b wird Kraftstoff in einem Strahl mit einer Strömung in den rotierenden Nachladungsluftstrom hinein eingespritzt und wird effektiv in dem rotierenden Nachladungsluftstrom vermischt/zerstäubt.
    • Zündungsinitiator
  • Unmittelbar nach der Kraftstoffeinspritzung, das heißt in der Nähe der Kompressionsphase, wird eine elektronisch gesteuerte Zündung in dem Kurvenbereich 3a und 3b initiiert. Es wird für eine effektive Drehung der Gasmischung aus Nachladungsluft und Kraftstoff in einer Kraftstoffwolke hinter der Zündungsanordnung gesorgt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man vorteilhafterweise auf eine Zündungsverzögerung von 7 bis 10% relativ zu dem üblichen Zündwinkel abzielen.
    • Verbrennungsphase
  • In der dargestellten Ausführungsform beginnt die Verbrennung unmittelbar nach der Zündung und wird hauptsächlich über einen begrenzten Bereich hinweg vollendet, in welchem die Kolben etwa eine maximal hineingedrückte Position einnehmen, das heißt in der Nähe der Kurvenzone 3a, 3b, das heißt in einem Bereich, wo die Kolben einer minimalen Axialbewegung unterliegen. Die Verbrennung schreitet hauptsächlich oder bis zu einem beträchtlichen Ausmaß dort fort, wo die Kolben 44, 45 an dem inneren Totabschnitt 4a und 4b in Ruhe gehalten werden, das heißt über eine Bogenlänge von 10º bzw. 5º. Jedoch dauert die Verbrennung je nach Erfordernis zu einem größeren oder kleinerem Ausmaß in dem folgenden Übergangsabschnitt 5a, 5b und in dem Hauptexpansionsabschnitt 6a, 6b abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der Drehwelle fort. Als Folge der drehenden Kraftstoffwolke in der Verbrennungskammer K1 in dem Totabschnitt 4a, 4b und dadurch, dass man die Flammenfront in der scheibenförmigen Verbrennungskammer K1 relativ kurz halten kann, kann in allen Fällen eine Kraftstoffzündung für die Hauptmasse der Kraftstoffwolke in der Verbrennungskammer K1 sichergestellt werden, das heißt innerhalb des Totabschnittes 4a, 4b. In der Praxis kann man mit größtenteils entsprechenden Vorteilen eines definierten Volumens der Arbeitskammer K zulassen, dass sich die Verbrennungskammer zu dem Abschnitt 5a, 5b gerade außerhalb des Totabschnittes 4a, 4b hin ausdehnt
    • Verbrennungsgeschwindigkeit
  • Die Geschwindigkeit der Verbrennung liegt wie bekannt in einer Größenordnung von 20-25 Meter pro Sekunde. Durch die Anwendung eines Doppelsatzes von Kraftstoffdüsen und eines entsprechenden Doppelsatzes von Zündungsanordnungen, die über jedes Viertel des Umfangswinkels der Arbeitskammer verteilt sind (siehe Fig. 4b) kann der Verbrennungsbereich effektiv über die gesamte scheibenförmige Verbrennungskammer K1 hinweg abgedeckt werden. In der Praxis kann hierdurch eine besonders günstige Verbrennung mit relativ kurzen Flammenlängen erreicht werden.
    • Optimale Verbrennungstemperatur
  • Als eine Folge der konzentrierten Zündungs-/Verbrennungszone 3a, 3b, die in der Kammer K, gerade vor der Verbrennungskammer K1 und dem Bereich 5a, 5b unmittelbar nach der Verbrennungskammer K1 ausgebildet ist, das heißt in einem koherenten Bereich 3a-5a und 3b-5b, wo die Kolben 44, 45 in Ruhe oder überwiegend in Ruhe sind, ist es möglich, die Verbrennungstemperatur von gewöhnlich ungefähr 1.800ºC auf 3.000ºC zu erhöhen. Es ist hierdurch möglich, eine optimale (nahezu 100%ige) Verbrennung der Kraftstoffwolke zu erzielen, sogar bevor die Kolben 44, 45 voll den Expansionstakt begonnen haben, d. h. an dem Ende der Kurvenabschnitte 5a, 5b.
    • Keramikring
  • Es ist für einen Keramikring gesorgt, das heißt ein keramischer Überzug ist in einer Ringzone zwischen der Arbeitskammer K, die einem Verbrennungsbereich (3a- 5a, 3b, 5b) entspricht, aufgebracht, so dass hohe Temperaturen speziell in der Verbrennungskammer K1 verwendet werden können, aber auch in dem folgenden Abschnitt 5a, 5b des Verbrennungsbereiches. Der Keramikring, der mit einer durch eine gestrichelte Linie 70 angedeuteten Abmessung in Fig. 12-14 gezeigt ist, umfasst die gesamte Verbrennungskammer K1 und ist zusätzlich in der Verbrennungskammer weiter nach außen über eine Strecke A3 hinweg verlängert.
    • Einführungsexpansionstakt
  • Nachdem zumindest beträchtliche Anteile des Kraftstoffes in dem vorerwähnten Verbrennungsbereich (3a-5a, 3b, 5b) verbraucht worden sind und gerade der Expansionstakt begonnen worden ist, gibt es allgemein optimale Bewegungskräfte. Mehr insbesondere bedeutet dies, dass durch die Kurvenbahnführung entlang der Kurven 8a, 8b ein optimales Antriebsmoment erzielt wird, das sofort mit dem Expansionstakt in dem Übergangsbereich 5a, 5b beginnt und sich in dem Übergangsbereich 5a, 5b hin zu einem Maximum erhöht. Das Antriebsmoment wird bei Fortführung des Expansionstaktes (in dem Bereich 6a, 6b) und wenigstens an dem Anfang dieses Bereichs, als Folge einer möglichen Nachverbrennung von Kraftstoff in diesem Bereich trotz der volumenmäßigen Expansion, die allmählich in der Kammer K auftritt, wenn der Expansionstakt durch diese vorwärts schreitet, weitgehend konstant gehalten.
    • Expansionsphase
  • Gemäß der gezeigten Ausführungsform findet die Kompressionsphase relativ zu den Kurven 8a, 8b unter Neigungswinkeln von zwischen etwa 25º und etwa 36º an den jeweiligen beiden Kurven 8a und 8b statt, das heißt mit einem Hauptwinkel (siehe Fig. 14) von etwa 30º. Wenn erwünscht, können die Neigungswinkel (und der Hauptwinkel) zum Beispiel bis etwa 45º oder, falls erforderlich, mehr erhöht werden. Die Expansionsphase findet dementsprechend in der dargestellten Ausführungsform bei zwischen etwa 22º und 27º an den beiden Kurven 8a und 8b statt, das heißt bei einem Hauptwinkel (siehe Fig. 14) von etwa 24º.
  • Als eine Folge der relativ steilen (Haupt-) Kurvenkontur von 30º in der Kompressionsphase und der relativ leichter geneigten Kontur von 24º in der Expansionsphase wird eine besonders günstige Erhöhung der Zeitdauer des Expansionstaktes relativ zu der Zeitdauer des Kompressionstaktes erzielt.
  • Gemäß der Erfindung kann man mittels dieser unsymmetrischen Beziehung zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit in dem Kompressionstakt und der Bewegungsgeschwindigkeit in dem Expansionstakt den Beginn des Verbrennungsprozesses in der Kompressionsphase näher an den inneren Totpunkt verschieben und hierdurch einen größeren Teil des Verbrennungsprozesses zu dem Beginn der Expansionsphase zeitlich verschieben, ohne dass dies negative Folgen für die Verbrennung hat. Folglich kann eine bessere Steuerung und eine effektivere Verwendung der Bewegungskräfte der Kraftstoffverbrennung in der Expansionsphase als bisher erzielt werden. Unter anderem kann eine ansonsten möglicherweise auftretende unkontrollierte Verbrennung aus der Kompressionsphase über den Totpunkt hinaus zu der Expansionsphase verlagert werden und hierdurch können "Druckpunkte", die mit einer unkontrollierten Verbrennung in der Kompressionsphase einhergehen, in brauchbare Arbeit in der Expansionsphase umgewandelt werden.
  • Durch Verlängerung der Expansionsphase auf Kosten der Kompressionsphase wird eine relativ höhere Kolbenbewegung in der Kompressionsphase als in der Expansionsphase erzielt. Dies hat einen Einfluss auf jeden Satz Kolben in dem Verbrennungsmotor in jedem einzelnen Arbeitszyklus.
    • Dreheffekt in der Arbeitskammer
  • In der Arbeitskammer wird eine Drehung der Gase erzeugt durch Ausstoßen der Auspuffgase über schräg angeordnete Austrittsöffnungen 25 (siehe Fig. 2) gefolgt durch das Einblasen von Nachladungsluft über die schräg angeordneten Nachladungsluftöffnungen 24 (siehe Fig. 3). Hierdurch wird ein rotierender, das heißt wendelförmiger Gasströmungsweg (siehe Pfeil 38 in dem Zylinder 21-1 in Fig. 9) erstellt, welcher über den gesamten Arbeitstakt hinweg aufrechterhalten wird. Der Dreheffekt wird in dem Verlauf des Arbeitstaktes reaktiviert, das heißt während der Einspritz-, der Zündungs- und der Verbrennungsphase.
  • Es wird folglich für einen neuen Dreheffekt an dem Gasstrom 38 während des Übergangs in den Arbeitstakt gesorgt, der durch Einspritzen von Kraftstoff über die Düse 36 und nachfolgende Kraftstoffzündung über die Zündungsanordnung 39 auferlegt wird, wobei die begleitende Verbrennung eine richtungsfeste Flammenfront mit einer zugehörigen Druckwellenfront erzeugt, die sich grob mit dem bereits erzeugten Gasstrom 38 decken. Der Dreheffekt wird nachfolgend während des gesamten Kompressionstaktes aufrechterhalten und wird während des Übergangs reaktiviert durch die Krafteinspritzung in einem schräg angeordneten Düsenstrahl 37, wie in Fig. 4a gezeigt, mittels einer entsprechend schräg angeordnete Düsenmündung 36. Zusätzlich Dreheffekte werden in der Verbrennungsphase erzielt.
  • Noch eine zusätzliche Erhöhung des Dreheffektes kann gemäß dem wie in Fig. 4b gezeigten Aufbau erreicht werden durch die Anwendung einer zusätzlichen (zweiten) Kraftstoffdüse 37a, die winkelmäßig versetzt relativ zu der Kraftstoffdüse 37 angeordnet ist, und durch die Anwendung einer zusätzlichen Zündungsanordnung 39a, die winkelmäßig relativ zu der ersten Zündungsanordnung 39 versetzt angeordnet ist. Wenn die Austrittsöffnungen 25 sich an dem Ende des Arbeitstaktes wieder öffnen, wird das Auspuffgas mit einer hohen Bewegungsgeschwindigkeit, das heißt mit einer hohen Drehgeschwindigkeit, während des Austritts von Auspuffgasen über die schräg angeordneten Austrittsöffnungen ausgestoßen. Weiter wird der Dreheffekt der Auspuffgase aufrechterhalten, wenn sich sofort die schräg angeordneten Nachladungsöffnungen 24 öffnen, so dass die restlichen Austrittsgase nahe der Expansionsphase und dem Beginn der Kompressionsphase mit einem Dreheffekt aus der Arbeitskammer K ausgespült werden. Danach wird der Dreheffekt, nach Schließen der Austrittsöffnungen aufrechterhalten, wenn die Nachladungsöffnungen über eine beträchtliche Bogenlänge andauernd offen gehalten werden.
    • Regulierung des Kompressionsverhältnisses des Motors während des Betriebes
  • Gemäß der Erfindung ist es möglich, das Volumen zwischen den Kolben 44, 45 der Zylinder 21 durch Regulierung des gegenseitigen Abstandes zwischen den Kolben 44, 45 zu regulieren. Es ist hierdurch möglich, direkt das Kompressionsverhältnis in dem Zylinder 21 nach Bedarf, beispielsweise während des Betriebes des Motors, mittels einer einfachen Regulierungstechnik angepasst an das "sinus"- ähnliche Konzept zu regulieren.
  • Es ist insbesondere gemäß der Erfindung interessant, das Kompressionsverhältnis in Verbindung mit dem Starten des Motors, das heißt bei einem Kaltstart, relativ zu einem möglichen günstigsten Kompressionsverhältnis während des gewöhnlichen Betriebes zu regulieren. Aber es kann auch interessant sein, das Kompressionsverhältnis während des Betriebes aus verschiedenen anderen Gründen zu ändern.
  • Eine konstruktionelle Lösung für solch eine Regulierung gemäß der Erfindung basiert auf einer Drucköl-gesteuerten Regulierungstechnik. Alternativ kann beispielsweise eine elektronisch gesteuerte Regulierungstechnik eingesetzt werden, die nicht weiter hierin gezeigt ist, um das Kompressionsverhältnis zu regulieren.
  • Alternativ kann eine entsprechende Regulierungsmöglichkeit auch für den Kolben 45 mittels Ersetzen der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a durch eine Kurven bahnführungsvorrichtung, wie sie entsprechend für die Kurvenbahnführungsvorrichtung 12b gezeigt ist, eingesetzt werden.
  • Es ist gemäß der Erfindung ersichtlich, dass es möglich ist, die Position beider Kolben 44, 45 in dem zugeordneten Zylinder über deren jeweilige Kurvenbahnführungsanordnung mit deren jeweiliger Regulierungsmöglichkeit in einer zueinander unabhängigen Weise zu regulieren.
  • Es ist auch ersichtlich, dass die Regulierung der Position der Kolben in dem Zylinder je nach Bedarf synchron für beide Kolben 44, 45 oder einzeln bewirkt werden kann.
  • In, den Fig. 15 und 16 ist schematisch eine alternative Lösung gezeigt für bestimmte Details an einer Kurvenbahnführungsvorrichtung, auf welche hier durch die Bezugsnummer 112a Bezug genommen wird, und für eine zugeordnete Kolbenstange, gezeigt durch die Bezugsnummer 148, sowie für ein Paar Druckrollen, gezeigt durch die Bezugsnummern 153 und 155.
    • Die Kurvenbahnführungsvorrichtung 112a
  • Bei dem Aufbau gemäß Fig. 1 ist die Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a mit einer relativ raumbenötigenden Ausbildung mit zugeordneten Rollen 53 und 55 gezeigt, die nebeneinander in der radialen Richtung der Kurvenbahnführungsvorrichtung 12a angeordnet sind, das heißt, die eine Rolle 53 ist radial außerhalb der verbleibenden Rolle 55 angeordnet, und die zugeordneten "sinus"-ähnlichen Nuten 54, 55c sind entsprechend radial getrennt an deren jeweiligen radialen Vorsprüngen dargestellt.
  • Bei dem alternativen Aufbau nach den Fig. 15 und 16 ist die Kurvenbahnführungsvorrichtung 112a mit zugeordneten Druckkugeln 153, 155 gezeigt, die nacheinander in der axialen Richtung der Kurvenbahnführungsvorrichtung 112 angeordnet sind, das heißt mit einer Kugel an jeder jeweiligen Seite eines einzelnen gemeinsamen Vorsprunges, der in Form eines dazwischenliegenden Ringflansches 112 dargestellt ist. Der Ringflansch 112 ist gezeigt mit einer oberen "sinus"-ähnlichen Kurve, die eine "sinus"-ähnliche Nut 154 zum Führen einer oberen Druckkugel 153 bildet, welche die Hauptauflagekugel der Kolbenstange 148 bildet, und mit einer unteren "sinus"-ähnlichen Kurve, die eine "sinus"-ähnliche Nut 155a zum Führen einer unteren Druckkugel 155 bildet, welche die Hilfsauflagekugel des Kolbens 148 bildet. Die Nuten 154 und 155a haben, wie in Fig. 15 gezeigt, eine seitlich konkav gerundete Form, die der Kugelkontur der Kugeln 153, 155 entspricht. Der Ringflansch 112 ist mit relativ geringer Dicke gezeigt, aber die geringe Dicke kann im Hinblick auf die Festigkeit dadurch kompensiert werden, dass der Ringflansch 112 in Umfangsrichtung eine selbstverstärkende "sinus"-ähnliche Kurvenkontur hat, wie durch den sich schräg erstreckenden Schnitt des in Fig. 16 dargestellten Ringflansches angedeutet ist. In Fig. 15 ist der Ringflansch 112 im Schnitt segmentförmig gezeigt, während in Fig. 16 ein umfangsmäßig lokal definiertes Segment des Ringflansches 112 im Querschnitt von der inneren Seite des Ringflansches 112 aus gesehen gezeigt ist.
  • Es kann eine größtenteils entsprechende Ausbildung mit den vorerwähnten Details bei beiden Kurvenbahnführungsvorrichtungen verwendet sein, das heißt auch bei der nicht weiter gezeigten Kurvenbahnführungsvorrichtung, die der unteren Kurvenbahnführungsvorrichtung gemäß Fig. 1 entspricht.
    • Die Kolbenstange 148
  • Gemäß Fig. 1 ist eine rohrförmige, relativ voluminöse Kolbenstange 48 gezeigt, während in der alternativen Ausführungsform gemäß den Fig. 15 und 16 eine dünnere, kompakte, stangenförmige Kolbenstange 148 mit einem C-förmigen Kopfabschnitt 148a mit zwei zueinander entgegengesetzten Kugelhaltern 148b, 148c für eine jeweilige Druckkugel 153, 155 gezeigt ist.
  • Die Kolbenstange 148 kann in einer nicht weiter gezeigten Weise mit äußeren Schraubgewinden versehen sein, die mit inneren Schraubgewinden in dem Kopfabschnitt zusammenwirken, so dass die Kolbenstange und hierdurch der zugeordnete Kugelhalter 148b in erwünschten axialen Positionen relativ zu dem Kopfab schnitt 148a justiert werden können. Dies kann unter anderem die Montage des Kugelhalters 148b und seiner zugeordneten Kugel 153 relativ zu dem Ringflansch 112 erleichtern.
  • In Fig. 16 ist der Ringflansch 112 mit einer minimalen Dicke an sich schräg erstreckenden Abschnitten des Ringflansches gezeigt, während der Ringflansch 112 in einer nicht weiter gezeigten Weise eine größere Dicke an den Bergen und Tälern der "sinus"-ähnlichen Kurve haben kann, so dass ein gleichförmiger oder weitgehend gleichförmiger Abstand zwischen den Kugel 153, 154 entlang des gesamten Umfangs des Ringflansches sichergestellt werden kann.
  • Mit der Bezugszahl 100 wird hier auf einen Schmieröleinlass Bezug genommen, der sich intern in dem C-förmigen Kopfabschnitt 148a in eine erste Leitung 101 zu einem Schmierölauslass 102 in dem oberen Kugelhalter 148 und in eine zweite Leitung 103 zu einem Schmierölauslass 104 in dem unteren Kugelhalter 148c abzweigt.
    • Die Druckkugeln 153, 155
  • Anstelle der gemäß Fig. 1 gezeigten schwenkbaren Rollen 53, 55, die in Kugellagern montiert sind, sind gemäß den Fig. 15 und 16 Druckkugeln 153, 155 gezeigt. Die Druckkugeln 153, 155 sind hauptsächlich dazu geeignet, relativ geradlinig entlang der zugeordneten "sinus"-ähnlichen Nuten 154, 155a zu rollen, man kann, falls erforderlich, aber auch zulassen, dass sie zusätzlich bis zu einem bestimmten Ausmaß in der jeweiligen Nut seitwärts rollen. Die Kugeln 153 und 155 sind identisch ausgebildet, so dass die Kugelhalter 145a, 148b und deren zugeordnete Kugelläufe auch zueinander identisch ausgebildet sein können und so dass die "sinus"-ähnlichen Kurven 154/155a zueinander auch identisch ausgebildet sein können.
  • Die Druckkugeln 153, 155 sind hohl und schalenförmig mit einer relativ geringen Wanddicke gezeigt. Hierdurch werden Druckkugeln mit geringem Gewicht und kleinem Volumen erhalten, und zusätzlich wird eine gewisse Elastizität der Kugel zur zur lokalen Entlastung von extremen Druckkräften erzielt, die an sich in der Kugel auftreten.
  • In den Fig. 17 und 18 ist ein Paar Führungsstangen 105, 106 gezeigt, die durch innere Führungsnuten 107, 108 entlang entgegengesetzter Seiten des Kopfabschnittes 148a der Kolbenstange 148 hindurchgeführt sind.

Claims (5)

1. Anordnung eines Zweitaktverbrennungsmotors (10, 100) umfassend eine Anzahl von Motorzylindern (21; 21-1-21-5), die in einer Ringfolge um eine gemeinsame mittlere Antriebswelle (11) angeordnet sind und die parallel zu der Antriebswelle verlaufende Zylinderachsen haben, wobei jeder Zylinder ein Paar von Kolben (44, 45), die aufeinander zu und voneinander weg beweglich sind, und für jedes Kolbenpaar eine gemeinsame dazwischenliegende Arbeitskammer (K) hat, während jeder Kolben (44, 45) mit seiner axial beweglichen Kolbenstange (48, 49) versehen ist, deren freies äußeres Ende über eine Auflagerolle (53, 55) eine Auflage gegen seine kurvenförmige, das heißt "sinus"-ähnlich kurvenförmige, Kurvenbahnführungsvorrichtung (12a, 12b) bildet, die an jedem der entgegengesetzten Enden des Zylinders (21; 21-1-21-5) angeordnet ist und die die Bewegungen der Kolben relativ zu dem zugeordneten Zylinder steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben (44, 45) in jedem Zylinder (21; 21-1-21-5) zueinander unterschiedliche Kolbenphasen haben, die durch zueinander unterschiedliche Kurvenbahnführungsvorrichtungen (12a, 12b) gesteuert werden, dass die Kurvenbahnführungsvorrichtungen (12a, 12b) mit entsprechenden zueinander unterschiedlichen "sinus"-ähnlichen Flächen (8a, 8b) ausgeführt sind, dass die jeweiligen Kurvenbahnführungsvorrichtungen (12a, 12b) der beiden Kolben (44, 45) in bestimmten Abschnitten (1a-3a, 5a-7a; 1b-3b, 5b-7b) der "sinus"-ähnlichen Fläche (8a, 8b) phasenverschoben zueinander sind und dass verbleibende Abschnitte (4a, 4b) der "sinus"-ähnlichen Flächen in gemeinsamer Phase sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kolben (44) des Zylinders, vorzugsweise beide Kolben (44, 45) des Zylinders, in einem Abschnitt (K1) der Arbeitskammer (K) an dem Totpunkt zwischen dem Kompressionstakt und dem Expansionstakt, gesteuert durch einen äquivalenten geradlinigen oder weitgehend geradlinigen Abschnitt (4a, 4b) der zugeordneten "sinus"-ähnlichen Fläche einzeln axial stationär oder weitgehend stationär gehalten wird/werden.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abschnitt (K1) der Arbeitskammer (K), wo der Kolben/die Kolben (44, 45) stationär oder weitgehend stationär ist/sind, eine Verbrennungskammer (K1) zur Verbrennung wenigstens von Teilen des Kraftstoffes und vorzugsweise zur Verbrennung des Großteils des Kraftstoffes gerade vor der nachfolgenden Expansionsphase angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskammer (K1) über eine relativ weite Bogenlänge (5º-10º) der longitudinalen Ausdehnung der "sinus"-ähnlichen Flächen (8a, 8b) und des Rotations-Bogens der Antriebswelle (11) angeordnet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden/die Böden der "sinus"-ähnlichen Kurve (8a) in einer ersten Kurvenbahnführungsvorrichtung (12b) des Kolbens (44), der die Abgasabführungsfunktion steuert, phasenversetzt vor dem Boden/den Böden der "sinus"-ähnlichen Kurve (8b) in einer zweiten Kurvenbahnführungsvorrichtung (12a) des Kolbens (45), der die Nachladungsfunktion steuert, liegt/liegen.
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