EP0390882B1

EP0390882B1 - Pendelkolbenmaschine

Info

Publication number: EP0390882B1
Application number: EP89909535A
Authority: EP
Inventors: Willy Ernst Salzmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Salzmann Willy Ernst
Priority date: 1988-09-07
Filing date: 1989-09-07
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPH03501044A; ATE138154T1; AU4075489A; WO1990002867A1; DE58909682D1; EP0390882A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an einer Pendelkolbenmaschine gemäss EP-A-0 303 649, (Stand der Technik gemäß Artikel (54(3) EPÜ). Diese Maschine weist wenigstens einen an einer Pleuelstange festen Pendelkolben auf, dessen Rand in einem vorzugsweise eingewölbten Zylinder läuft.
In der vorgenannten Publikation EP-A-0 303 649 (Salzmann) wurde von der Annahme ausgEgangen, dass dank des erfindunjsgemässen, unterhalb der Pleuelstange angeordneten Gegengewichtes der Kolbenmittelpunkt auf einer Geraden und der Kolben somit ohne Seitenkräfte in Zylinder laufe. Diese Ansicht wurde aufgrund von Modellversuchen vertreten, bei denen trotz Stroboskopischer Beleuchtung dieser Eindruck entstand. Wie spätere mathematische Untersuchungen und Versuche mit grösseren Modellen zweifellos ergeben haben, sind geringe Abweichungen von der Geraden unvermeidlich. Der Motorenkonstrukteur muss folglich mit der festgestellten Bedingung einer Kolbenschwingung in Querrichtung seiner Bewegung leben. Ausserdem treten die bei Kolbenmaschinen üblichen Beschleunigungen im Bereich des Zylinders auf die Werte von 20-30g erreichen können.
Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die eingangs erwähnte Pendelkolbenmaschine konstruktiv so zu verbessern, dass die Seitenkräfte jwischen Kolben und Zylinder möglichst gering bleiben. Dies erfordert seitliche Verschiebungswege der Dichtelemente, die erheblich grösser sind als bei bekannten Kolbenmaschinen, bei denen die Dichtelemente nur im Bereich eines geringen Spiels und des auftretenden Verschleisses verschoben werden müssen.
Diese Aufgabe löst eine Pendelkolbennaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere erfindungsgemässe Vorteile gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor und sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele skizziert. Es zeigen:

Fig. 1A-D): verschiedene Bewegungskurven des Kolbenmittelpunktes in mehrfacher Ueberhöhung der seitlichen Bewegungen;
Fig.2, 3 und 2A: einen kleinen Einzylinder-Fahrrad-Hilfsmotor im Quer- und Längsschnitt mit einer Detaildarstellung der Kolbenführungs- und Dichtungselemente, von unten gesehen;
Fig. 4 und 5: einen grösseren Motor im Quer- und Längs- schnitt, und
Fig. 6 und 7: Kolbenführungs- und Dichtelemente zum Motor nach Figur 4 und 5 im grundriss;

Figur 1A zeigt die Bewegungskurve des Kolbenmittelpunktes 1, wobei die seitliche Verschiebung in mehrfacher Ueberhöhung dargestellt ist. Der obere Totpunkt ist mit 2, der untere Totpunkt mit 3 bezeichnet. Die Zylinderwände 4 sind aus geometrischen Gründen eingewölbt, damit die Distanz zwischen den Stirndichtungen während des Bewegungsablaufes konstant bleibt. Bei günstigen Verhältnissen zwischen Kolbenhut und Plevellänge vergibt sich die langgestreckte achterförmige Kurve, die vom Kolbenmittelpunkt 1 bei Rechtslauf der Kurbenwelle gemäss den Pfeilen durchlaufen wird, wenn die Stirndichtungen sich relativ zum Kolben nicht bewegen. Dem gegenüber zeigt die Figur 1B die Bahnkurve des Kolbenmittelpunktes 1 eines Pendelkolbens, dessen Stirndichtungen relativ zum Kolben frei beweglich sind. Diese Kurve entspricht einer Abstraktion im gravitationsfreien Raum. Die gestreckte Acht gemäss Figur 1B wird bei optimalem Gegengewicht erreicht. Sie wurde mathematisch und experimentell bestimmt, wobei sich gezeigt hat, dass sie im entgegengesetzten Sinne durchlaufen wird als die wesentlich schlankere achterförmige Kurve gemäss Figur 1A. Eine geringe Vergrösserung des Gegengewichts ergibt eine asymmetrische achterförmige Kurve gemäss Figur 1C mit dem Vorteil, dass die Schwingungsamplitude des Kolbenmittelpunktes 1 in seitlicher Richtung in Bereich des oberen Kolbentotpunktes klein ist. Daher müssen die unter hohem Gasdruck stehenden Dichtleisten auf ihrer Unterlage sich nur wenig verschieben. Diese Verschiebungen der Stirndichtungen verhindern übrigens ein Verkoken. Die Kurve entsprechend Figur 1D entsteht, wenn das Gegengewicht vergrössert wird, Bei sukzessiver Verkleinerung des Gegengewichts vom Wert gemäss Figur 1B entstehen die Bahnkurven gemäss den Figuren 1C und D, jedoch auf dem Kopf stehend.
Das Zylinderkurbelgehäuse 5 gemäss Figur 2 und 3 hat gewölbte Zylinderwände 4, die an ein innen kreisförmiges Kurbelghäuse 6 anschliessen. Darin läuft der im Querschnitt rechteckige Pendelkolben 7 mit integriertem Pleuelschaft 8 und kreiszylindrischem Pleuelauge 9. Dieses ist am Kurbelzapfen 10 angelenkt und im Durchmesser so gross, dass es als optimales Gegengewicht wirkt. Das ist erstaunlicherweise möglich, weil der der Pleuelschaft 8 hohl ausgebildet und daher leicht ist. Bei einer als geraden Stab gedachten Pendelkolben - Pleuelschaft - Gegengewicht -Einheit 7-9 durchläuft das eine Stabende die Bewegungskurve gemäss Figur 1B, wenn die Länge des Gegengewichts ein Drittel der Stablänge beträgt. Die Einheit 7-9 kann aus zwei Halbteilen gegossen oder geschmiedet sein, die in der Pendelebene 11 oder der Normalebene 12 aneinanderstossen und miteinander verbunden sind.
In stirnseitigen Nuten des Pendelkolbens 7 sind die Dichtleisten 14 verschiebbar gelagert und durch Druckfedern 15 direkt miteinander verbunden. Diese Federn 15 sind in Längsbohrungen des Pendelkolbens achsial verschiebbar gelagert und bewirken, dass die Dichtleisten 14 dauernd an den Zylinderwänden 4 anliegen. Kürzere Druckfedern 16 sind in nur etwa bis zur Kolbenmitte reichenden Sacklöchern des Pendelkolbens gelagert und in deren Grund abgestützt und dienen der seitlichen Zentrierung des Kolbens innerhalb der Zylinderwände 4. Ihre optimale Abstimmung bezüglich Federkennung und Vorspannung gewährleistet einen sicheren und möglichst reibungsarmen, schwebenden Lauf des Pendelkolbens, dessen Mittelpunkt bei steigender Drehzahl auf Bewegungskurven zwischen Fig.1A bis angenähert zu Fig. 1B läuft. Zwei oder mehr Schraubenfedern 15 und/oder 16 können koaxial ineinander angeordnet, oder durch andere elastische Mittel ersetzt sein.
Das Gehäuse 5 wird von der Stirnseite her bearbeitet. Nach der Demontage des innen ebenen Stirndeckels 17 sind die nur zwei beweglichen Hauptteile des Motors, nämlich die Einneit 7-9 und die beidseits der Reibrolle 20 gelagerte Kurbelwelle 18 mit Gegengewicht 19, leicht zugänglich.
Von schrägen Vergaserstutzen 21 her gelangt das Gemisch in das innen kreiszylindrische Kurbelgehäuse 6, in dem die Einheit 7 bis 9 mit geringem, achsialem und radialem Spiel läuft und somit einen volumetrischen Lader bildet, der die Elastizität und Leistungsdichte des im Zweitakt arbeitenden Motors enorm verbessert. Der Pendelkolben 7 steuert die beidseitigen Spül- und Auslassschlitze 23, 24 in perfekter Weise asymmetrisch zu den Kolbentotpunkten, was günstige Verbrauchswerte ergibt. Die Spülung erfolgt um den Kolbenschaft 8 herum, was gerundete Ecken 25 erfordert.
Der Ein- oder Mehrzylindermotor gemäss Fig. 4 und 5 ist in üblicher Bauweise gestaltet mit einteiligem Block 30 und angeflanschtem Zylinderkopf 31 und Kurbelgehäuse- Unterteil 32, doch haben die Zylinder rechteckigen Querschnitt. Ihre vorgegossenen, innen gewölbten Wände 34 und ebenen Wände 35 können beispielsweise durch spezielle Räumwerkzeuge bearbeitet werden, was eine Approximierung der mathematisch genauen Kurvenform durch einen Kreisbogen 34' mit konstantem Radius nahelegt und wegen der relativ weichen , elastischen Kolbenführung möglich ist.
Diese erfolgt gemäss Figur 6 analog zu Figur 2A durch Schraubenfedern 15, die jedoch nicht in Bohrungen, sondern in gefrästen Nuten 36 des Pendelkolbens 37 gelagert sind. Dies verlangt einen demontierbaren Kolbenboden 38, der ein einfaches Auswechseln der Kolbenführungs- und Dichtungselemente von oben her erlaubt. Dabei dient die zentrale Schraube 39 als Mittenanschlag der mit einer Lücke 40 gewickelten Kolbenführungsfeder 41. Durch kammartige Ausbildung der Innenseite der Dichtleisten 42 wird deren Führung verbessert, wobei die im Querschnitt quadratischen Zähne 43 genau in die Nuten 36 passen und die Federn 15 und 41 vor heissen Brenngasen schützen.
Der Pleuelschaft 60 mit Stütz- und Kühlrippen 61 ist hohlgegossen, die Kernlagerung erfolgt durch die Oeffnung 62, die durch halbkreisförmige Gasschieber 63 abgedeckt werden.
Diese Schieber haben oben und unten auf konzentrischen Kreisen um den Kolbenmittelpunkt 1 liegende Ränder 64 und 65 und sind in entsprechende Aussparungen der ebenen Seitenwände lose schwenkbar eingelegt. Dadurch machen sie die Pendelbewegungen des Pleuelschafts 60 nicht mit und decken somit die Spül- und Auslassschlitze 23 und 24 in Figur 2 bis zu den gewölbten Zylinderwänden 4 ab. Somit können diese Schlitze breiter gemacht werden. was den Gaswechsel verbessert.
Der Pleuelschaft 60 endet in der oberen Hälfte 66 des Pleuelauges, dessen grosser Durchmesser durch massendynamische Forderungen bedingt ist, wie unter Figur 2 und 3 erläutert. Der Pleueldeckel 67 mit Balancierbohrungen 67' wird durch Schrauben 68 befestigt, deren Ansenkungen 69 durch ein Deckband 70 mit Spannschraube 71 unschädlich gemacht sind. Zur weiteren Verbesserung der Abdichtung des Pleuelladers 60, 66, 67, 70 kann das Deckband 70 aussen feine Querrillen 72 mit Labyrinthwirkung aufweisen, besonders wenn es aus Kunststoff statt Stahl besteht. Der grosse Durchmesser des Pleuelauges 66, 67 ergibt einen grossen Innendurchmesser des Kurbelgehäuses, das durch den Deckel 32 abgeschlossen ist.
Dies führt zum erwünschten hohen Ladegrad des Pleuelladers und somit zu extremer Leistungsdichte des Motors (berechnete eff. Mitteldrücke bis 18 bar).
Die Pumparbeit wird ab "oberem" Totpunkt (Fig. 4) bis zum Punkt 73 teilweise zurückgewonnen. Sofern erforderlich, befindet sich die Drosselklappe nicht im Ansaugstutzen 74, sondern in Form von zwei durch eine lange Nabe miteinander verbundenen Umluftklappen 75 direkt hinter den seitlichen Spülkanälen 78. Bei Zylinderabschaltung oder Motorleerlauf 75' wird hahezu die volle Ladeluftmenge zum Ansaug 79 zurückbefördert und verlustarm rezirkuliert. Von den Spülkanälen 78 führen Kanäle 80 möglichst tangential zur Niederdruck-Einspritzdüse 81 (Luftumhüllung des Strahls).
Unter Ausnützung des Unterdruckes des Pleuelladers kann durch an passender Stelle angeordnete Nuten 82 des Pleuelauges und Bohrungen 83 und 84 das Schmieröl bedarfsdosiert (Umluftklappen 75) und pumpenlos angesaugt werden. Minimalster Oelverbrauch (anegstrebt wird ein Promille) ist für Zweitaktmotoren heute oberstes Gebot, was wohl nur mit reibungsarmen Schwebekolben (deren Dichtleisten sogar rotierende Keramiknadeln aufweisen können) möglich ist. Massgebend für Schmierung und Kolbenlauf ist auch die Motorlage im Raum, bei Figur 4 und 2 vorzugsweise nach links geneigt (um ca. 15° bis 150°). Die elastische Motorbefestigung kann an Gewindeaugen 85 des Unterteils 32 erfolgen.
Während der Motorblock von Figur 4 und 5 grosse Kühlmittel räume 83 für Wasser oder Oel aufweist, damit die beweglichen Teile optimal laufen, ist der Zylinderkopf 31 zum Beispiel aus Gusseisen oder Keramik, Kermet ohne Flüssigkühlung und daher sehr einfach demontierbar. Angeregt durch Arbeiten von Dr. Merritt vom Coventry Polytechnic enthält er einen durch die Mulde 93 und die Platte 94 gebildeten Brennraum, der wenigstens teilweise zum Beispiel mit hitzefester Stahlwolle 95 gefüllt ist, die teilweise oder ganz mit Edelmetall beschichtet ist. Durch die Pendelbewegung des Kolbens im Bereich des oberen Totpunktes 2 wird dieser Brennraum in idealer Weise im Gleichstrom von der Ladung durchströmt, die sich bei Start und geringer Last an der Zündkerze 96, sonst aber an der Stahlwolle 95 entzündet (Folgezündung mit katalytischer Verbrennung). Dies soll geringste Brennstoffverbräuche ergeben und einen äusseren Katalysator ersparen. Auch der langgestreckte, zylindrische Brennraum von Figur 11 und 12 der WO 88/06675 ist von Interesse, insbesondere in Verbindung mit einer Direkteinspritzung (Diesel, Benzin, Gas oder Vielstoff). Indessen ist auch ein üblicher, halbkugel- und/oder halbzylindrischer Brennraum gemäss Figur 3 möglich.
Aus dem Verbrennungsmotor gemäss Figur 2 und 3 lässt sich ein zweistufiger Hochleistungskompressor ableiten. Hierzu dient ein breiterer, im Grundriss vorzugsweise quadratischer Pendelkolben und viel grössere Ueberströmschlitze 97, sowie nötigenfalls ein stirnseitiger Kanal 98.

Claims

Pendelkolbenmaschine mit einem Zylinderkurbelgehäuse 5 mit gewölbten Zylinderwänden 4, wobei ein viereckiger Pendelkolben 7 mit integriertem Pleuelschaft 8 und einem als Gegengewicht ausgebildeten Pleuelauge 9 an einem Kurbelzapfen angelenkt ist, welcher Kolben mit in je einer stirnseitigen Nute verschiebbaren Führungs- und Dichtelement 14, 42, versehen ist, wobei für einen reibungsarmen und schwebenden Lauf des Kolbens diese Dichtelemente über erste, elastische Druckelemente 15 direkt miteinander verbunden sind, die ein paralleles Verschieben der Elemente 14, 42, unter dauernder Anlage an die Zylinderwände 4 gewährleisten, wobei zweite, elastische Druckelemente 16, 41 vorhanden sind, die eine seitliche Zentrierung des Pendelkolbens 7 bewirken und sich auf Auflagen des Kolbens abstützen.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Druckelemente 15, 16 nebeneinander angeordnet sind.
Pendelkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Druckelemente 15, 16 als Schraubenfedern ausgebildet sind.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungs- und Dichtelemente 14, 42, als Leisten ausgebildet sind, die über rotierende Nadeln auf den Zylinderwänden 4 laufen können.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als erste Druckelemente 15 ausgebildeten Federn in durchgehenden Längsbohrungen axial verschiebbar sind, und die als zweite Druckelemente 16 ausgebildeten Federn in parallel zu den Längsbohrungen angeordneten Sacklöchern untergebracht sind.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pendelkolben einen demontierbaren Kolbenboden 38 aufweist, unter dem im Pendelkolben mehrere parallele Nuten 36 angeordnet sind zur Aufnahme der ersten Druckelemente 15.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden 38 mit einer zentralen Schraube 39 auf dem Pendelkolben montiert ist, die gleichzeitig als Anschlag für die zweiten Druckelemente 41 dient.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände 4 des Zylinders und 6 des Kurbelgehäuses sowie die Kontur 9 des Pleuelauges kreiszylindrisch geformt sind.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Rechtslauf der Kurbelwelle die Zylinderachse um 15 bis 150 ° von der Vertikalen nach links geneigt sein soll.
Pendelkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Zweitakt-Verbrennungsmotor mit integriertem Pleuellader ausgebildet ist.
Pendelkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Teillast durch Umluftklappen 75 der Luftdurchsatz verlustarm reduziert wird.
Pendelkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie als zweistufiger Kompressor ausgebildet ist.