EP0065068B1

EP0065068B1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: EP0065068B1
Application number: EP82100777A
Authority: EP
Inventors: E. D. Dr. Voigt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-05-09
Filing date: 1982-02-04
Publication date: 1985-07-03
Also published as: ATE14151T1; DE3118452A1; EP0065068A3; EP0065068A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest zwei an einer gemeinsamen Kolbenstange koaxial angeordneten Kolben, die in Zylindern mit Ein- und Auslassöffnungen laufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Motor hinsichtlich seines Leistungsgewichtes zu verbessern und durch eine besondere Steuerung des Gaswechsels den Viertaktbetrieb des ohne Ventilbetrieb arbeitenden Motors zu ermöglichen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Steuerung des Motors durch die Rotation der Kolben um ihre Längsachse erfolgt, wobei jeder Kolben zumindest eine Verbindungsbohrung von der Kolbenwand zum Kolbenboden aufweist, die in Abhängigkeit von der Kolbenrotation mit der Einlassöffnung oder mit der Auslassöffnung des Zylinders korrespondiert. Ferner wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Kolbenstange über ein ihre Rotation gestattendes Gelenk mit einer Kurbelwelle verbunden ist, von der der Rotationsantrieb der Kolbenstange abgeleitet ist.
Durch die erfindungsgemässe Konstruktion überlagert sich der hin- und hergehenden Hubbewegung der Kolben eine zusätzliche, gleichförmige Rotationsbewegung, so dass die Kolben eine schraubengangförmige Bewegung durchführen. Während dieser schraubengangförmigen Bewegung überstreichen die Verbindungsbohrungen im Kolben die in der Zylinderwand angeordneten Ein- und Auslassöffnungen für das Frischgas bzw. das Abgas. Die Position der Verbindungsbohrungen wie auch der Ein-und Auslassöffnungen ist so auf die kombinierte Hub- und Drehbewegung des Kolbens abgestimmt, dass beim Ansaughub der Zylinderraum mit der Einlassöffnung des Zylinders, beim Auspuffhub dagegen mit der Auslassöffnung des Zylinders in Verbindung steht, während beim Verdichtungshub und beim Arbeitshub die Verbindungsbohrungen des Kolbens von der Zylinderwand verschlossen sind, wobei natürlich die Öffnungszeiten ähnlich wie bei einem Viertaktmotor festgelegt werden, so dass sich hier die an sich bekannten Überschneidungen der Öffnungszeiten mit den Totpunkten des Kolbens ergeben. Der erfindungsgemässe Motor gestattet es somit, bei besonders kompakter Bauweise im Viertaktbetrieb betrieben zu werden, ohne dass es des sonst hierfür notwendigen Ventiltriebes oder einer Drehschiebersteuerung bedart.
Um die Strömungsverluste in den Verbindungsbohrungen der Kolben niedrig zu halten, empfiehlt es sich, die Kolbenböden konkav nach innen zu wölben. Die Länge der Verbindungsbohrungen wird dadurch stark verkürzt. Selbstverständlich wird dabei der Zylinderkopf konvex geformt, damit in den oberen Totpunkten des Kolbens ein genügend kleiner Verbrennungsraum und ein entsprechend starker Verdichtungseffekt realisiert werden kann.
Eine besondere Erhöhung des Leistungsgewichtes erfolgt zweckmässigerweise dadurch, dass die Kolben an beiden Stirnseiten je einen Kolbenboden aufweisen, der mit einem Verbrennungsraum des Zylinders korrespondiert. Man erhält dadurch bei fast gleichem Platzbedarf des Motors nahezu eine Hubraum-und damit auch eine Leistungsverdoppelung. Dabei muss lediglich durch an sich bekannte Massnahmen für eine hochtemperaturfeste Abdichtung zwischen den Zylinderräumen und der sie durchquerenden Kolbenstange gesorgt werden.
Die Verbindung der Kolbenstange mit der Kurbelwelle erfolgt zweckmässig über ein Kugelgelenk, dessen äussere Gelenkschalen mit zwei seitlich am einen Zylinder vorbeilaufenden Pleueln verbunden sind, die ihrerseits auf der Kurbelwelle gelagert sind. Somit kann die Kraftübertragung von den beiden Kolben zur Kurbelwelle über zwei Pleuel erfolgen, die sich gegenseitig abstützen und die die Rotation der Kolbenstange in keiner Weise behindern.
Die Ableitung des Rotationsantriebes der Kolbenstange von der Kurbelwelle kann über mehrere Exzenter oder über eine Verzahnung erfolgen, wobei in beiden Fällen wegen der rechtwinkligen Zuordnung zwischen Kurbelwelle und Kolbenstange noch ein Winkelgetriebe eingesetzt wird.
An sich besteht die Möglichkeit, dass die Verbindungsbohrung zwischen Kolbenwand und Kolbenboden sowohl für das Ansaugen von Frischgas als auch für das Ableiten des Abgases verwendet wird, indem diese Verbindungsbohrung nacheinander die Einlassöffnung, danach die Auslassöffnung des Zylinders passiert. Zur Vermeidung des abrupten Richtungswechsels der Gasströmung besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass von jedem Kolbenboden zumindest zwei Verbindungsbohrungen ausgehen, von denen die eine jeweils nur mit der Einlassöffnung, die andere jeweils nur mit der Auslassöffnung des Zylinders in Abhängigkeit von der Kolbenrotation korrespondiert.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Zylinder-Kolben-Anordnung;
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 11-11 in Fig. 1;
Fig. 3 einen gegenüber Fig. 1 um 90° gedrehten Längsschnitt;
Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 die Abwicklung der Zylinderwand und
Fig. 6 die Abwicklung des Kolbenmantels.

Der Figurenbeschreibung ist voranzuschicken, dass die Zeichnungen rein schematischer Art sind und nur die prinzipielle Ausbildung, keine konstruktiven Einzelheiten vorgeben sollen.
In zwei koaxial zueinander angeordneten und miteinander in Verbindung stehenden Zylindern 1 und 2 befinden sich zwei Kolben 3 und 4, die über eine zentrale Kolbenstange 5 starr miteinander verbunden sind.
Beide Kolben sind jeweils doppelt wirkend ausgebildet, d.h., dass an beiden Stirnseiten ein Zylinderkopf 6, 7 bzw. 8, 9 angeordnet ist. Die Zylinderköpfe sind jeweils konvex zum Kolben hin gewölbt und ragen in den Totpunktstellungen des Kolbens in entsprechende Ausnehmungen desselben hinein.
Um die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange 5 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 10 umzuwandeln, dienen an sich bekannte Pleuel 11 und 12. Ihre Anordnung folgt aus Fig. 3. Sie laufen beidseits des Zylinders 2 und sind mit äusseren Schalen 13 und 14 eines auf der Kolbenstange 5 angeordneten Kugelgelenkes 15 verbunden. Dieses Kugelgelenk 15 erlaubt der Kolbenstange 5 neben der hin-und hergehenden Hubbewegung eine Drehbewegung um die Kolbenstangenachse durchzuführen. Der Antrieb für diese Drehbewegung wird von der Kurbelwelle 10 abgeleitet. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies über zwei auf der Kurbelwelle angeordnete, gegeneinander versetzte Exzenterscheiben 16, 17, die über zwei Pleuel 18, 19 mit entsprechend versetzten Exzenterscheiben 20, 21 in Verbindung stehen, die ihrerseits auf dem einen Pleuel 11 gelagert sind. Die von der Kurbelwelle 10 auf die beiden letztgenannten Exzenterscheiben 20, 21 übertragene Drehbewegung wird über ein Untersetzungsgetriebe in Form zweier Zahnräder 22, 23 auf ein Winkelzahnrad 24 übertragen, das seinerseits mit einem auf der Kolbenstange 5 montierten Winkelzahnrad 25 kämmt. Auf diese Weise wird der Kolbenstange 5 und ihren beiden Kolben 3 und 4 während der Hubbewegung eine Rotationsbewegung überlagert. Diese Rotationsbewegung dient zum Steuern der Gaswechselvorgänge in den Zylindern, was nachfolgend näher beschrieben wird.
Jeder Zylinder weist zweckmässig zwei Einlassöffnungen und zwei Auslassöffnungen auf. Die Einlassöffnungen wie auch die Auslassöffnungen sind genau einander gegenüberliegend angeordnet, damit sich im Zylinder ein Ausgleich der Druckkräfte einstellen kann. Die Position der Ein-und Auslassöffnungen ergibt sich aus dem Querschnitt in Fig. 2. Demnach hat der Zylinder 2 zwei einander gegenüberliegende Einlassöffnungen 26 und 27 und zwei einander gegenüberliegende Auslassöffnungen 28 und 29. Entsprechend sind auch die Ein- und Auslassöffnungen am Zylinder 1 angeordnet.
Mit diesen Öffnungen in der Zylinderwand korrespondieren Verbindungsbohrungen im Kolben in Abhängigkeit von dessen Hub- und Drehbewegung. Diese Verbindungsbohrungen erstrecken sich von der Kolbenwand zum Kolbenboden und sind ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet, wie dies in Fig. 1 im Fall des Kolbens 4 durch die Bezugszeichen 30 und 31 angedeutet ist. Versetzt hierzu und daher in der Zeichnung nicht sichtbar ist ein weiteres Paar gegenüberliegender Verbindungsbohrungen im Kolben 4 angeordnet, um den am anderen Kolbenboden befindlichen Brennraum mit den Einlass-und Auslassöffnungen 26 bis 29 zu verbinden.
Ebenso ist auch der Kolben 3 von zwei Verbindungsbohrungen für den einen Brennraum und zwei Verbindungsbohrungen für den anderen Brennraum durchsetzt.
In dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Verbindungsbohrungen der Kolben abwechselnd vom Frischgas und vom Abgas durchströmt, wie dies nachfolgend näher erläutert wird. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, die Zahl der Verbindungsbohrungen zu verdoppeln, damit die eine Hälfte der Verbindungsbohrungen nur für das Frischgas, die andere Hälfte der Verbindungsbohrungen nur für das Abgas zur Verfügung steht und die raschen Richtungswechsel in der Gasströmung vermieden werden.
Die Fig. 5 und 6, die die Abwicklung des Zylinders bzw. des Kolbens zeigen, sind für den Fall dargestellt, dass jeder Brennraum über zwei spiegelbildlich im Kolben angeordnete Kanäle mit den Ein- bzw. Auslassöffnungen der Zylinderwand korrespondiert. Das heisst, dass die Kanäle gleichzeitig an der Einlassöffnung oder an der Auslassöffnung oder an der Zylinderwand münden und sowohl vom Frischgas als auch vom Abgas durchströmt werden.
Daraus folgt, dass nach einer Drehung des Kolbens um 180° alle vier Takte durchfahren sein müssen, dass dem Kolben pro Takt also eine Verdrehung von 45° zukommt. Da die Reihenfolge der Takte vorgegeben ist, nämlich Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt und Auspufftakt, muss die Einlassöffnung unmittelbar auf die Auslassöffnung folgen, während nach der Einlassöffnung zwei Takte, also ein Umfangswinkel der Zylinderwand von 90°, freibleiben muss, bis die nächste Auslassöffnung folgt.
Die Aufeinanderfolge der Ein- und Auslassöffnungen ist in Fig. 5 in Abhängigkeit vom Umfangswinkel dargestellt, wobei die Bezugszeichen mit denen in Fig. 2 übereinstimmen.
Die Form der Ein- und Auslassöffnungen in der Zylinderwand wird nach konstruktiven und strömungstechnischen Gesichtspunkten ausgewählt. Die in der Zeichnung dargestellte Rhombenform erlaubt den maximalen Öffnungsquerschnitt für den Ein- und Auslass bei exakter Trennung des Ansaugtaktes vom Auspufftakt. Im allgemeinen wird jedoch eine Überschneidung der Öffnungszeiten zwischen Einlass und Auslass angestrebt. Daher wird in der Praxis die Kontur der Ein- und Auslassöffnungen entsprechend von der Rhombenform abweichen. Eine Variante ist schematisch durch das gestrichelte Rechteck in den Ein- und Auslassöffnungen 27 bzw. 29 angedeutet.
Zur Verdeutlichung sei noch darauf hingewiesen, dass in Fig. 5 der obere und untere Blattrand jeweils etwa dem oberen bzw. unteren Zylinderrand entspricht. Die gestrichelte Sinuslinie gibt den Verlauf eines bestimmten Punktes des Kolbens bei seiner kombinierten Dreh- und Hubbewegung längs der Zylinderwand wieder.
Fig.6 zeigt die entsprechende Abwicklung der Kolbenwand. Hinsichtlich der Lage der Kanäle, die in denselben Brennraum münden sollen, ist zunächst vorgegeben, dass diese um 180° versetzt sein müssen, um den erwünschten Ausgleich der Druckkräfte im Zylinder herbeizuführen.
Bezüglich der beiden in den anderen Brennraum mündenden Kanäle ist lediglich vorgegeben, dass diese gegenüber den vorgenannten Kanälen um 45° vor- oder rückversetzt sein müssen. Dadurch wird sichergestellt, dass beispielsweise beim Ansaugtakt des einen Verbrennungsraumes ein Verdichtungstakt oder ein Auspufftakt am gegenüberliegenden anderen Brennraum erfolgt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 sind die dem kurbelwellenseitigen Brennraum zugeordneten Kanäle entsprechend der Fig. 1 mit 30 und 31 bezeichnet, die dem gegenüberliegenden Brennraum zugeordneten, untereinander ebenfalls um 180° versetzten Kanäle mit 32 und 33.
Der Verlauf der Kanäle im Kolben und ihre Mündung am Kolbenboden ist jeweils in gestrichelten Linien dargestellt, ebenfalls der nach innen eingehöhlte Kolbenboden 34 und 35.
Beginnt man beispielsweise mit einem Ansaugtakt im kurbelwellenseitigen Brennraum, so ist der Kanal 30 durch die Zylinderwand verschlossen, da er zwischen der Ausiassöffnung 28 und der Einlassöffnung 26 mündet, entsprechend der mit 1 angedeuteten Position in Fig. 5. Während des Ansaughubes wandert die Öffnung des Kanals 30 in die Einlassöffnung 26 hinein und nimmt bei mittlerer Hublänge die mit II bezeichnete Position ein. Am Ende des Ansaugtaktes hat die Kanalöffnung 30 die Einlassöffnung 26 passiert, wird also wieder von der Zylinderwand verschlossen. Dieser Zustand bleibt während des anschliessenden Verdichtungshubes und des Arbeitshubes erhalten. Am Ende des Arbeitshubes befindet sich die Öffnung des Kanals 30 in der mit IV bezeichneten Position, also kurz vor Erreichen der Auslassöffnung 29. Nach Zurücklegen des halben Auspuffhubes nimmt sie die Position V ein, wobei volle Öffnung für das Auspuffgas gegeben ist, am Ende des Auspuffhubes die Position VI, wobei in der gewählten schematischen Darstellung die Öffnung wieder durch die Zylinderwand verschlossen ist. In dieser Position besteht jedoch durch die vorerwähnte Variation in der Form der Ein- und Auslassöffnungen 26 bis 29 die Möglichkeit, dass sich die Ein- und Auslasszeiten überschneiden.
Entsprechend laufen die Takte beim gegenüberliegenden Brennraum ab, hier jedoch mit einem Takt Verspätung, da die zum unteren Brennraum gehörenden Kanäle 32 und 33 um 45°, also um einen Takt, nach hinten versetzt sind.
Im linken Teil von Fig. 6 ist zusätzlich angedeutet, dass die Kanäle 30 und 32 eine von aussen nach innen laufende Scheidewand 30a bzw. 32a aufweisen können. Diese Scheidewand hat die Aufgabe, beim Übergang vom Auspufftakt zum Ansaugtakt sicherzustellen, dass sich die entgegengerichteten Gasströmungen möglichst wenig behindern. Diese Scheidewand kann selbstverständlich dann entfallen, wenn man die Zahl der Kanäle im Kolben verdoppelt, so dass getrennte Kanäle für das Ansaugen einerseits und für das Auspuffen andererseits zur Verfügung stehen.
Die vorangegangene Figurenbeschreibung erstreckt sich ausdrücklich nur auf ein spezielles Ausführungsbeispiel, ohne dass dadurch der Schutzumfang der Anmeldung beschränkt werden soll. Selbstverständlich gestattet dieses Ausführungsbeispiel zahlreiche konstruktive Abwandlungen.
Beispielsweise braucht das Kugelgelenk 15 nicht unbedingtzwischen den beiden Kolben 3 und 4 angeordnet zu sein. Es besteht ebenso die Möglichkeit, es gegenüberliegend vom Zylinderkopf 6 anzuordnen und von dort die beiden Pleuel zur Kurbelwelle 10 zu führen.
Bezüglich der Positionierung der Zündkerzen bestehen ebenfalls verschiedene Möglichkeiten. Hier empfiehlt es sich, sie in der Zylinderwand vorzusehen, in dem Wandbereich, der am Ende des Verdichtungshubes von den Kanälen 30 und 31 überstrichen wird. Diese Positionierung bietet den Vorteil, dass die Zündkerzen in direkter Nachbarschaft zur Hauptgasmasse stehen.
Schliesslich bietet sich noch die zweckmässige Weiterbildung an, die von den beiden Pleueln 11 und 12 auf die Kolbenstange 5 übertragenen Querkräfte über eine Kugelrollführung aufzunehmen. Diese Kugelrollführung ist in Fig. 3 durch die Bezugszeichen 36 und 37 angedeutet. Sie besteht aus zwei Kugelschlitten, die in jeweils einem in Hubrichtung laufenden Längsschlitz des Zylindergehäuses angeordnet sind und die beiden Pleuel 11 und 12 quer zur Hubrichtung abstützen. Dadurch werden die Kolbendichtungen von den bisher üblichen Querkräften entlastet und können optimal auf ihre Dichtungsfunktion hin ausgelegt werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, zum Erreichen hoher Verdichtungsverhältnisse, wie sie etwa bei Dieselmotoren gefordert werden, die konvexen Wölbungen der Zylinderköpfe 6, 7, 8 und 9 an dem nach innen ragenden Ende eines zylindrischen Zwischenstückes anzuordnen, so dass die Einbeulungen zunächst ein Stück mit konstantem Durchmesser nach innen laufen, ehe sie die in der Zeichnung dargestellte konvexe Wölbung annehmen. Am Übergang des zylindrischen Zwischenstückes zum gewölbten Bereich werden Dichtringe angeordnet, so dass sich der Brennraum verkleinert und das Verdichtungsverhältnis erhöht. Das Volumen des Brennraumes wird dabei im wesentlichen nur noch durch die Kanäle 30, 31 im Kolben bestimmt.
Die Abdichtung der Kanäle 30 bis 33 in den Kolben gegenüber der Zylinderwand erfolgt durch an sich bekannte Dichtleisten, die federnd gegen die Zylinderwand gedrückt werden.
Konstruktive Änderungen der dargestellten Ausführungsbeispiele sind möglich, ohne dadurch den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung zu verlassen.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit zumindest zwei an einer gemeinsamen Kolbenstange koaxial angeordneten Kolben, die in Zylindern mit Ein- und Auslassöffnungen laufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Motors durch die Rotation der Kolben (3, 4) um ihre Längsachse erfolgt, wobei jeder Kolben (3, 4) zumindest eine Verbindungsbohrung (30, 31) von der Kolbenwand zum Kolbenboden aufweist, die in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung mit der Einlassöffnung (26, 27) oder mit der Auslassöffnung (28, 29) des Zylinders (1,2) korrespondiert und dass die Kolbenstange (5) über ein ihre Rotation gestattendes Gelenk (15) mit einer Kurbelwelle (10) verbunden ist, von der der Rotationsantrieb der Kolbenstange (5) abgeleitet ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenböden konkav nach innen gewölbt sind.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Kolben (3, 4) an beiden Stirnseiten je einen Kolbenboden aufweisen, der mit einem Verbrennungsraum des Zylinders (1, 2) korrespondiert.

4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Kolbenstange (5) mit der Kurbelwelle (10) über ein Kugelgelenk (15) erfolgt, dessen äussere Gelenkschalen (13) mit zwei seitlich am einen Zylinder (2) vorbeilaufenden Pleueln (11, 12) verbunden sind, die ihrerseits auf der Kurbelwelle (10) gelagert sind.

5. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung des Rotationsantriebes der Kolbenstange (5) von der Kurbelwelle (10) über Exzenter (16, 17, 20, 21) erfolgt.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung des Rotationsantriebes der Kolbenstange (5) von der Kurbelwelle (10) über eine Verzahnung erfolgt.

7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom selben Kolbenboden ausgehenden Verbindungsbohrungen (30, 31) in jedem Kolben (3, 4) paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kolben zumindestzwei vom selben Kolbenboden ausgehende Verbindungsbohrungen aufweist, von denen die eine jeweils nur mit der Einlassöffnung, die andere jeweils nur mit der Auslassöffnung des Zylinders in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung korrespondiert.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die beiden Verbindungsbohrungen abwechselnd vom Frischgas und vom Abgas durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest am zylinderseitigen Ende der Verbindungsbohrungen (30, 32) jeweils eine den Strömungskanal teilende Scheidewand (30a, 32a) angeordnet ist.

10. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die seitlich des eines Zylinders (2) laufenden Pleuel (11, 12) in Längsschlitzen des Zylindergehäuses abstützen.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung der Pleuel (11, 12) über Kugelrollführungen (36, 37) erfolgt.