DE9316552U1 - Kreiskolbenmotor für den Betrieb im Viertaktverfahren - Google Patents
Kreiskolbenmotor für den Betrieb im ViertaktverfahrenInfo
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Description
• · · S
3555.2—B - 1 - 21M0*. 1993
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kreiskolbenmotor für den Betrieb im Viertaktverfahren, bestehend aus
- einem hohlzylindrischen Gehäuse,
- einem in dem Gehäuse zentrisch sowie drehbar angeordneten im wesentlichen zylinderförmigen Rotor,
- einer den Rotor an dessen Mantelfläche durchgehend umgebenden im wesentlichen ringförmigen Kammer,
- mittels einer Steuerung betätigbaren Absperrorganen, die zum taktweisen Absperren der Kammer in vorbestimmten
Radialebenen in radialer Richtung bewegbar an dem Gehäuse gelagert sind,
- mindestens einem am Gehäuse im Bereich der Kammer angeordneten Einlaß für Frischgase und mindestens
einem Auslaß für Verbrennungsgase,
- einem mit dem Rotor verbundenen Kolben,
der derart ausgebildet und angeordnet ist, daß für den Betrieb des Motors im Viertaktverfahren
während eines Umlaufs des Rotors in der Kammer mit den Absperrorganen ein Füllraum, ein Kompressionsraum,
ein Verbrennungsraum und ein Expansionsraum gebildet werden.
Bekannte Kreiskolbenmotoren der vorstehenden Art weisen den Nachteil auf, daß die Herstellung und Steuerung des
Kolbens und die Herstellung der mit dem Kolben zusammenwirkenden Teile mit erheblichen Schwierigkeiten und mit
hohem Aufwand verbunden ist.
Es besteht daher die Aufgabe, den vorerwähnten Herstellungsaufwand
durch Konstruktionsvereinfachung zu senken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
- der Kolben zwischen einer Schließstellung, in der der Kolben die Kammer in einer radialen Ebene absperrt,
3555.2--B - 2 - ·:#' "* "·*··* 21\"lV."l993
und einer Offensteilung, in der der Kolben im Rotor
unmittelbar neben der Kammer angeordnet ist, um eine Drehachse schwenkbar im Rotor gelagert ist, und
- die Drehachse des Kolbens parallel zur Drehachse des Rotors gerichtet ist.
Im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen ergibt sich durch die schwenkbare Anordnung des Kolbens im Rotor die
Möglichkeit einer besonders einfachen Konstruktion und einer robusten Ausführung des Kreiskolbenmotors.
Weiterhin ergibt sich durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung die Möglichkeit einer wesentlichen Vereinfachung
der Steuerung, wie noch im folgenden deutlich wird.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kolben an seiner Außenfläche für einen abdichtenden
und gleitenden Eingriff mit mindestens einem der als Schieber ausgebildeten Absperrorgane ausgebildet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung einer
einen als ersten Schieber gewählten Schieber in die Schließstellung bewegenden Feder, daß der Kolben während
des gleitenden Eingriffs mit dem ersten Schieber seine Offenstellung einnimmt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine derartige Bemessung einer einen als zweiten
Schieber gewählten Schieber in die Schließstellung bewegenden Feder vor, daß der Kolben während des gleitenden
Eingriffs mit dem zweiten Schieber seine Schließstellung und der zweite Schieber seine Offenstellung
3555.2—B - 3 -"" "" ···"··* 21."ltj". 1993
einnimmt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 5 bis 15.
05
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 schematisch und im Querschnitt den Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Kreiskolbenmotors
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Ansicht des Kreiskolbenmotors von Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1;
Fig. 3 eine Detailansicht des Kolbens des Kreiskolbenmotors von Fig. 1;
Fig. 4 eine Ansicht des Kreiskolbenmotors von Fig. 1 während der Kompressionsphase;
Fig. 5 eine Ansicht des Kreiskolbenmotors von Fig. 1
am Ende der Kompressionsphase? 25
Fig. 6 eine Ansicht des Kreiskolbenmotors von Fig. -1
zu Beginn der Expansionsphase;
Fig. 7 eine Ansicht des Kreiskolbenmotors von Fig. 1 während der Expansionsphase.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Kreiselmotor weist ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 24 mit Gehäusedeckeln
23, 23a auf, in dem ein im wesentlichen zylinderförmiger Rotor 1 mit einer das Gehäuse 24 durchquerenden
3555.2--B - 4 -"**
2TT.lt7.1993
Welle 19a drehbar angeordnet und von einer ringförmigen Kammer 22 umgeben ist.
Der Rotor 1 weist eine Aussparung 12 auf, deren Form etwa einer Hälfte eines Kreisabschnitts (vgl. Fig. 3)
entspricht und in die sich ein drehbar auf einem Kolbenbolzen 11a gelagerter Kolben 9 von im wesentlichen gleicher
Form wie die Aussparung 12 hineindrehen kann, wie die Zeichnung erkennen läßt. Der Kolbenbolzen 11a befindet
sich in dem verjüngten Bereich bzw. in der Spitze des Kolbens 9. Die Drehrichtung des Motors ist im Betrieb
so, daß sich die Spitze des Kolbens 9 voranbewegt, wenn sich der Rotor 1 dreht. An der Innenseite des Kolbens
9, und zwar in dem dem Kolbenbolzen 11a gegenüberliegenden Bereich des Kolbens 9, greift eine in eine Federaufnahme
13 eingesetzte Druckfeder 10 an, die den Kolben 9 nach außen zu drehen versucht.
Durch die Druckfeder 10 wird der Kolben 9 an die Innenseite des Gehäuses 24 gepreßt. Bei einer Drehung des Kolbens
1 wird der Kolben 9 zusätzlich durch die auf den Kolben 9 wirkende Zentrifugalkraft an die Innenseite des Gehäuses
24 gedrückt. Wird der Kolben 9 durch eine äußere Einwirkung in die Aussparung 12 im Rotor 1 hineingedreht,
so nimmt die Federaufnähme 13 die Druckfeder 10 ganz auf.
Das Gehäuse 24 weist eine in den Zeichnungen rein schematisch dargestellte und mit einer in der Zeichnung nur
angedeuteten Abtrennung 21 versehene Öffnung 20 auf, durch deren Einlaß Frischluft oder bereits Gemisch in
die Kammer 22 eintritt und durch deren Auslaß Verbrennungsgase austreten.
In außen an dem Gehäuse 24 im Abstand nebeneinander (vgl. Zeichnung) angeordneten Lagergehäusen 2, 8 sind radial
3555.2—B - 5 - 2&Idigr;.10&Mgr;993
bewegbare Schieber 4, 7 abdichtend geführt, die die Kammer 22 im wesentlichen gasdicht in mehrere Teilvolumina unterteilen
können. Auf die Schieber 4, 7 wird durch Federn
3, &bgr; j eweils eine Kraft in Richtung auf den Rotor 1 hin
ausgeübt. Die Bewegungen der Schieber 4, 7 werden sowohl durch eine Steuereinrichtung kontrolliert, die die Schieber
4, 7 in Abhängigkeit von der Position des Kolbens 9, z. B. über eine Nockenwelle, steuert, als auch durch mechanischen
Kontakt mit dem Kolben 9 selbst. Die technische Ausführung einer solchen Steuereinrichtung, beispielsweise einer
Nockensteuerung, ist allgemein bekannter Stand der Technik und wird daher im folgenden nicht näher erläutert.
Zwischen den beiden Schiebern 4, 7 befindet sich eine Zündvorrichtung 5, deren genaue Beschaffenheit wie die
der nicht dargestellten Brennstoffzufuhr von dem verwendeten Brennstoff und den gewünschten Betriebsbedingungen
abhängt.
Die Funktionsweise des Motors wird anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels in den Figuren 4 bis 7 erläutert.
Bei dem schematisch dargestellten Kreiselmotor handelt es sich um einen Viertaktmotor mit den vier Arbeitstakten
Komprimieren, Expandieren, Ausstoßen der Verbrennungsgase und Neubefüllen mit Frischgas. Rotor 1 und Welle 19a drehen
sich mit Bezug auf die Zeichnung im Rechtslauf.
Der Kompressionstakt (Fig. 4) beginnt, wenn der Kolben 9 den Bereich der Öffnung 20 durchlaufen hat. In der
Kompressionsphase ist der zweite Schieber geschlossen, d. h. er liegt abdichtend an dem rotierenden Rotor 1
an, während der erste Schieber 4 durch die Nockensteuerung geöffnet, nämlich in das Lagergehäuse 2 zurückgezogen
ist. Der momentane Kompressionsraum 14 ent-
3555.2—B - 6 - 2&Tgr;. It)*. 1993
spricht dem Teil der Kammer 22 zwischen dem Kolben 9 und dem zweiten Schieber 7. Dieser Abschnitt der Kammer
22 ist zu diesem Zeitpunkt mit Frischgas, beispielsweise einem Benzin-Luft-Gemisch, gefüllt, das durch die
Bewegung des Kolbens 9 komprimiert wird. Während der Kompressionsphase findet im Füllraum 15 zwischen der
Öffnung 20 und dem Kolben 9 gleichzeitig die Neubefüllung
mit Frischgas für die nächste Umdrehung des Rotors statt.
Während der Kolben 9 den Bereich des ersten Schiebers 4 durchläuft, wird dieser von der Steuerung unter der
Wirkung der Feder 3 geschlossen (vgl. Fig. 5). Die von der Feder 3 über den Schieber 4 auf den Kolben 9 ausgeübte
Kraft in Richtung des Rotors 1 muß einen größeren Betrag haben als die Summe der von der Druckfeder 10
und der Zentrifugalkraft auf den Kolben 9 ausgeübten, vom Rotor 1 radial weg gerichteteten Kräfte. Der Kolben 9 dreht
sich in die Aussparung 12 des Rotors 1 hinein. Weiterhin ist es für eine bestimmungsgemäße Funktionsweise
des Motors in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel notwendig, daß der Bogenabstand zwischen den Schiebern 4
und 7 im Vergleich zur Bogenlänge des Kolbens 9 derart bemessen ist, daß der Kolben 9 beide Schieber 4 und 7
während eines vorbestimmten Drehwinkels gleichzeitig berühren kann. Dadurch wird der Kolben 9 von dem ersten
Schieber 4 vollständig in die Aussparung 12 in dem Rotor 1 gedrückt, während der Kolben 9 den Verbrennungsraum
durchläuft, so daß im Verbrennungsraum 16 keine weitere Kompression des Frischgases mehr erfolgt (Fig. 5). Der
Verbrennungsraum 16 wird vielmehr von den beiden Schiebern 4 und 7 begrenzt und hat somit eine konstante Größe.
Ist die von der Feder 6 über den zweiten Schieber 7 auf den Kolben 9 in Richtung des Rotors 1 ausgeübte Kraft
3555.2—B - 7 -"" "* ·"*··* Zl* IK?! 1993
kleiner als die Summe der von der Druckfeder 10 und der
Zentrifugalkraft auf den Kolben 9 ausgeübten, vom Rotor 1 weg gerichteten Kräfte, so kann der Kolben 9 beim Durchlaufen
des Bereichs des zweiten Schiebers 7 den zweiten Schieber 7 bis zum Erreichen der Offenstellung des Schiebers
7 anheben, nachdem der Kolben 9 den Bereich des ersten Schiebers 4 vollständig durchlaufen hat (Fig. 6).
Durch den gleitenden Eingriff zwischen dem Schieber 7 und dem Kolben 9 während des Anhebens des Schiebers
7 durch den Kolben 9 wird gleichzeitig ein im wesentlichen gasdichter Abschluß zwischen dem Verbrennungsraum
16 und der übrigen Kammer 22 erreicht. Vorteilhafterweise werden zumindest die Oberflächen der Kolben 9 sowie
die Oberflächen der Schieber 4 und 7 aus hochfesten oder oberflächengehärteten Werkstoffen hergestellt, um eine
hohe Lebensdauer der Anordnung bezüglich mechanischer Festigkeit und Gasdichtigkeit zu erreichen. Zusätzlich
kann der Schieber 7 vorteilhafterweise an der Stelle, an der der Kolben 9 während des Anhebens des Schiebers 7
angreift, eine keilförmige Auflauffläche 25 aufweisen,
die vorteilhafterweise ebenfalls aus hochfesten oder oberflächengehärteten Werkstoffen besteht.
Das Frischgas im Verbrennungsraum 16 befindet sich nun auf der in Drehrichtung hinteren Seite des Kolbens 9 und wird
mittels der Zündvorrichtung 5, die zum Beispiel bei einem Benzin- oder Gasmotor eine Zündkerze sein kann, zur Verbrennung
gebracht. Im Falle eines Dieselmotors entspricht der Zündvorrichtung 5 eine Diesel-Einspritzdüse, das Frischgas
besteht dann aus reiner Luft.
Der im momentanen Expansionsraum 17 durch die Verbrennung
entstehende Druck treibt den Kolben 9 im Rechtslauf herum, und damit auch den Rotor 1 und die Welle 19a. Der momen-
3555.2—B - 8 -'"' "* ···*··* 21*.*&iacgr;ti*. 1993
tane Expansionsraum 17 ist dabei derjenige Teil der Kammer 22 zwischen dem ersten Schieber 4 und dem Kolben 9. Während
dieses Expansionstaktes (Fig. 7) wird durch einen Eingriff
der Steuerung am zweiten Schieber 7 dafür gesorgt, daß der zweite Schieber 7 sich, nachdem der Kolben 9 den Bereich
des zweiten Schiebers 7 durchlaufen hat, nicht wieder in Richtung des Rotors 1 absenkt, sondern angehoben bleibt.
Durch die Bewegung des Kolbens 9 werden gleichzeitig die Verbrennungsgase aus dem vorhergehenden Verbrennungsprozeß,
der bei der vorhergehenden Umdrehung des Rotors 1 stattgefunden hat, aus dem momentanen Ausstoßraum 18 zwischen dem
Kolben 9 und der öffnung 20 herausgepreßt.
Durch geeignete Maßnahmen, zum Beispiel durch die angedeutete Abtrennung 21, wird dafür Sorge getragen, daß das
Verbrennungsgas aus dem Ausstoßraum 18 oder dem Expansionsraum 17 sich nicht mit dem im Füllraum 15 befindlichen
Gas vermischt.
Während des Durchlaufens des Bereichs der Öffnung 20 wird
durch einen Eingriff der Steuerung erreicht, daß sich der erste Schieber 4 hebt und sich der zweite Schieber 7
in Richtung des Rotors 1 absenkt. Damit ist wieder die Motorsteilung für den Beginn des nächsten Kompressionstaktes
erreicht.
Während einer Umdrehung des Kolbens 9 auf dem Rotor 1 werden damit die vier oben angegebenen Arbeitstakte je
einmal durchgeführt. Die Übertragung des erzeugten Drehmoments nach außen erfolgt über die Welle 19a des Rotors
3555.2 - 1 - 21. it). 1993
Liste der Bezugszeichen in der Zeichnung
1 | Rotor |
2 | Lagergehäuse |
3 | Feder |
4 | Erster Schieber |
5 | Zündvorrichtung |
6 | Feder |
7 | Zweiter Schieber |
8 | Lagergehäuse |
9 | Kolben |
10 | Druckfeder |
11 | Drehachse |
11a | Kolbenbolzen |
12 | Aussparung |
13 | Federaufnahme |
14 | Kompressionsraum |
15 | Füllraum |
16 | Verbrennungsraum |
17 | Expansionsraum |
18 | Ausstoßraum |
19 | Drehachse |
19a | Welle |
20 | Öffnung |
21 | Abtrennung |
22 | Kammer |
23 | Gehäusedeckel |
23a | Gehäusedeckel |
24 | Gehäuse |
25 | Auflauffläche |
Claims (1)
- 3555.2--A - 1 -*" * 21.10.1993' arnsprüche1. Kreiskolbenmotor für den Betrieb im Viertaktverfahren, bestehend aus- einem hohlzylindrischen Gehäuse,- einem in dem Gehäuse zentrisch sowie drehbar angeordneten im wesentlichen zylinderförmigen Rotor, - einer den Rotor an dessen Mantelfläche durchgehend umgebenden im wesentlichen ringförmigen Kammer,- mittels einer Steuerung betätigbaren Absperrorganen, die zum taktweisen Absperren der Kammer in vorbestimmten Radialebenen in radialer Richtung bewegbar an dem Gehäuse gelagert sind,- mindestens einem am Gehäuse im Bereich der Kammer angeordneten Einlaß für Frischgase und mindestens einem Auslaß für Verbrennungsgase,- einem mit dem Rotor verbundenen Kolben,der derart ausgebildet und angeordnet ist, daß für den Betrieb des Motors im Viertaktverfahren während eines Umlaufs des Rotors in der Kammer mit den Absperrorganen ein Füllraum, ein Kompressionsraum, ein Verbrennungsraum und ein Expansionsraum gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß- der Kolben (9) zwischen einer Schließstellung, in der der Kolben {9) die Kammer (22) in einer radialen Ebene absperrt, und einer Offenstellung, in der der Kolben (9) im Rotor (1) unmittelbar neben der Kammer (22) angeordnet ist, um eine Drehachse (11) schwenkbar im Rotor (1) gelagert ist, und- die Drehachse (11) des Kolbens (9) parallel zur Drehachse (19) des Rotors (1) gerichtet ist.3555.2—A _ 2 -'"*" *U " 2l\lVl9932. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben (9) an seiner Außenfläche für einen abdichtenden und gleitenden Eingriff mit mindestens einem der als Schieber (4, 7) ausgebildeten Absperrorgane ausgebildet ist.3. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung einer einen als ersten Schieber (4) gewählten Schieber (4) in die Schließstellung bewegenden Feder (3), daß der Kolben (9) während des gleitenden Eingriffs mit dem ersten Schieber (4) seine Offenstellung einnimmt.4. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung einer einen als zweiten Schieber (7) gewählten Schieber (7) in die Schließstellung bewegenden Feder (6), daß der Kolben (9) während des gleitenden Eingriffs mit dem zweiten Schieber (7) seine Schließstellung, und der zweite Schieber (7) seine Offenstellung einnimmt.5. Kreiskolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (11) des Kolbens (9) in dem Bereich des Kolbens (9) angeordnet ist, der bezogen auf die UmIaufbewegung des Kolbens (9) im Betrieb des Motors - vorn liegt.6. Kreiskolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) eine Aussparung (12)• ·• ♦3555.2—A21.fö.1993aufweist, die von im wesentlichen gleicher Form wie der Kolben (9) ist.7. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet, daß der Kolben (9) in seiner Offenstellung um seine Drehachse (11) in die Aussparung (12) des Rotors (1) verschwenkt ist.8. Kreiskolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenlänge der Außenfläche des Kolbens (9) und der Abstand der zwei Schieber (4,7) derartig bemessen sind, daß beide Schieber (4, 7) während eines vorbestimmten Drehwinkels mit dem Kolben (9) in Eingriff stehen.Kreiskolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben (9) im Querschnitt im wesentlichen die Form eines geteilten Kreisabschnitts aufweist,wobei die den Kreisbogen bildende Fläche als Außenfläche zur Kammer (22) hinweist und als Auflauffläche ausgebildet ist.Kreiskolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Rotor (1) im Abstand von der Drehachse (11) des Kolbens (9) ein Federelement, vorzugsweise eine Druckfeder (10), zum Verschwenken des Kolbens (9) in die Schließstellung angeordnet ist.11. Kreiskolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nockensteuerung des ersten Schiebers (4) in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors3555.2--A21.fö.199312. Kreiskolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nockensteuerung des zweiten Schiebers(7) in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors (1) im Zusammenwirken mit der Steuerung durch den Kolben (9).10 13 15Kreiskolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeic net, daß eine Welle (19a) zentrisch im Rotor (1) angeordnet und zur Übertragung des vom Motor erzeugten Drehmoments fest mit dem Rotor (1) verbunden ist.14. Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche des Kolbens (9) mindestens teilweise aus hochfesten oder gehärteten Werkstoffen besteht.15. Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche der Schieber (4, 7) mindestens teilweise aus hochfesten oder gehärteten Werkstoffen besteht.
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