EP4180625B1

EP4180625B1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: EP4180625B1
Application number: EP22203181.7A
Authority: EP
Inventors: Michael-Alexander Müller; Alexander Alhaier; Germina Alhaier; Wladimir Alhaier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2024-04-17
Anticipated expiration: 2042-10-24
Also published as: DE102021129350A1; EP4180625A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Obwohl Verbrennungsmotoren eine kontinuierliche Entwicklung erfahren haben, stellt der Raumbedarf in der herkömmlichen Konstruktion ein Problem dar. Insbesondere ist aufgrund des Platzbedarfs der Ausgleichsgewichte an den Kurbelwellenarmen sowie aufgrund der Notwendigkeit einer Krafteinleitung in einen abstützenden Rahmen (das Kurbelwellengehäuse) ein umfangreiches Kurbelwellengehäuse erforderlich. Darüber hinaus stellen die Ventile in der herkömmlichen Konstruktion ein erhebliches Problem dar. So bilden die Ventilteller ein Hindernis im Gasstrom. Weiter sind Ventilfedern nötig, damit die Ventile zuverlässig entlang der Nocken der Nockenwelle geführt werden.
Anhand der US 2 310 733 A ist ein Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt geworden.
Hiervon ausgehend stellt sich die Aufgabe, Verbrennungsmotoren zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf den Platzbedarf.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen zu finden.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor, der als Viertakt-Hubkolbenmotor ausgeführt ist, aufweisend

eine Kurbelwelle, die zwei Kurbelwellenstümpfe und zwei Kurbelarme, deren jeweils erstes Ende fest mit den Kurbelwellenstümpfen verbunden ist und deren jeweils zweites Ende fest mit einem Kurbelzapfen verbunden ist, aufweist,
eine Pleuelstange, die an einem ersten Ende mit dem Kurbelzapfen verbunden ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Kolben verbunden ist, und
ein Zylindergehäuse, dessen Innenseite als senkrechter Kreiszylinder ausgeformt ist, wobei zwischen dem ersten Kolben und einer ersten kreisförmigen Endfläche des Kreiszylinders ein Brennraum angeordnet ist, und wobei in dem Zylindergehäuse auf der von dem ersten Kolben abgewandten Seite der Kurbelwellenstümpfe ein zweiter Kolben angeordnet ist, der mit dem ersten Kolben mittels mindestens zweier Distanzstangen verbunden ist, und wobei zwischen dem zweiten Kolben und einer zweiten der kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders ein zweiter Brennraum angeordnet ist, und wobei in jeder der einem Brennraum zugewandten kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders mindestens eine Öffnung vorgesehen ist, und wobei an jeder der einem Brennraum zugewandten kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders eine der Zahl der Öffnungen entsprechende Zahl von Schiebern angeordnet ist, die zum Schließen und Öffnen der jeweiligen Öffnung ausgeführt ist/sind.

Ein solcher Motor, der Müllerscher Wechselkammermotor genannt wird, zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass sich in der Ausführung als Doppelkolbenmotor die Fertigung des Motors erheblich vereinfachen lässt. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass für zwei Kolben nur eine Pleuelstange verwendet werden muss. Dies wird dadurch möglich, dass die beiden Kolben mittels Distanzstangen miteinander verbunden sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zwei Kolben in einem einzigen Zylinder untergebracht werden können. Anders als bei bisherigen Entwürfen von Verbrennungsmotoren ist es hier jedoch nicht nötig, für Kurbelwellengehäuse und/oder für Brennräume von der Form des senkrechten Kreiszylinders abzuweichen.
In einigen Ausführungsformen ist ein erster Kurbelwellenstumpf außerhalb des Zylindergehäuses fest mit einem ersten Aufnahmerad verbunden und so eingerichtet, dass der Kurbelwellenstumpf das erste Aufnahmerad antreibt, das so eingerichtet ist, dass es ein erstes und ein zweites Schwungtreibrad antreibt, dass das zweite Schwungtreibrad auf der von dem ersten Schwungtreibrad abgewandten Seite des Aufnahmerades angeordnet ist. Weiter sind das erste und das zweite Schwungtreibrad so eingerichtet, dass eine Drehachse des jeweiligen Schwungtreibrads parallel zur Drehachse der Kurbelwelle und senkrecht zu einer Symmetrieachse des Kreiszylinders verläuft und dass ein Schnittpunkt der Drehachse des jeweiligen Schwungtreibrads und der Symmetrieachse des Kreiszylinders weiter von der Kurbelwelle entfernt ist als die dem Brennraum zugewandte kreisförmige Endfläche des Kreiszylinders, und dass das erste und das zweite Schwungtreibrad den Verbrennungsmotor auswuchten.
Die Kurbelwellenarme sind nicht mehr als Ausgleichsgewichte ausgestaltet. Um den Doppelkolbenmotor günstig auszuwuchten, ist außerhalb des Zylinder- und Kurbelwellengehäuses ein Aufnahmerad auf der Kurbelwelle angebracht. Auf jeder Seite des Aufnahmerades ist. ein Schwungtreibrad vorgesehen. Entsprechend wird für die vom jeweiligen Kolben aufgebrachten Drehmomente mindestens je ein Schwungtreibrad als Ausgleichsgewicht verwendet. Diese Schwungtreibräder werden über das Aufnahmerad von der Kurbelwelle angetrieben. Die Schwungtreibräder sind außerhalb des Motorgehäuses angebracht. Durch die Verwendung solcher Schwungtreibräder werden die Lager der Kurbelwelle weniger beansprucht. Weiter wird es durch die Ausführung der Kurbelwellenarme ohne Ausgleichsgewichte möglich, Brennraum, Kolben und Kurbelwelle komplett in einem einzigen Zylindergehäuse unterzubringen. Dieses Zylindergehäuse hat auf seiner Innenseite die Form eines senkrechten Kreiszylinders. Durch diesen Aufbau wird die Fertigung des Motors erheblich vereinfacht. Darüber hinaus kann mit einer solchen Konstruktion der erforderliche Bauraum reduziert werden.
In einigen weiteren Ausführungsformen sind an dem Verbrennungsmotor ein drittes und ein viertes Schwungtreibrad angebracht, wobei das dritte Schwungtreibrad im Wesentlichen auf derselben Drehachse wie das erste Schwungtreibrad angeordnet ist und das vierte Schwungtreibrad im Wesentlichen auf derselben Drehachse wie das zweite Schwungtreibrad angeordnet ist. Dabei sind das dritte und das vierte Schwungtreibrad auf derjenigen Seite des Zylinders angeordnet, auf der ein zweiter Kurbelwellenstumpf aus dem Zylindergehäuse herausführbar ist. Schließlich sind das dritte und das vierte Schwungtreibrad so eingerichtet, dass sie den Verbrennungsmotor auswuchten.
Die Kräfte auf die Lager der Kurbelwelle können weiter reduziert werden, indem die Achsen des ersten und des zweiten Schwungtreibrads über die Symmetrieachse des Zylindergehäuses hinaus verlängert werden. Dann können ein drittes und ein viertes Schwungtreibrad auf der Seite angebracht werden, auf der der zweite Kurbelwellenstumpf aus dem Zylindergehäuse herausgeführt werden kann.
Bei dem Verbrennungsmotor ist in jeder der einem Brennraum zugewandten kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders mindestens eine Öffnung vorgesehen. Weiter ist an jeder der einem Brennraum zugewandten kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders eine der Zahl der Öffnungen entsprechende Zahl von Schiebern angeordnet, die zum Schließen und Öffnen der jeweiligen Öffnung ausgeführt ist/sind.
Hierbei wird durch die Verwendung eines drehbar gelagerten Schiebers, der elektronisch gesteuert ist, der Wegfall der bisher verwendeten Ventile möglich, die durch ihre Ventilteller den Gasstrom erheblich behindern. Die Anbringung der Schwungtreibräder auf den von der Kurbelwelle entfernten Seiten des Brennraums wird dadurch erleichtert, dass der den Ventiltrieb ersetzende Schieber und die dazugehörige Ansteuerung sowie die Einspritzung und die Ausleitung der verbrannten Gase nicht so viel Raum in Anspruch nehmen wie bei einem konventionellen Motor.
In einigen weiteren Ausführungsformen ist bei dem Verbrennungsmotor der zweite Kurbelwellenstumpf außerhalb des Zylindergehäuses fest mit einem zweiten Aufnahmerad verbunden und so eingerichtet, dass der zweite Kurbelwellenstumpf das zweite Aufnahmerad antreibt, das so eingerichtet ist, dass es das dritte und das vierte Schwungtreibrad antreibt.
Die Unwucht des Motors kann weiter verringert werden, indem beide Kurbelwellenstümpfe mit einem Aufnahmerad zum Antrieb der Schwungtreibräder versehen sind.
In einigen weiteren Ausführungsformen sind bei dem Verbrennungsmotor die Drehachsen des ersten und des dritten Schwungtreibrads sowie des zweiten und des vierten Schwungtreibrads jeweils zwei voneinander getrennte Halbwellen, die jeweils an den von den Schwungtreibrädern abgewandten Enden mit einem ersten Kegelzahnrad fest so verbunden sind, dass das erste und das zweite Schwungtreibrad gegensinnig zu dem dritten und dem vierten Schwungtreibrad drehen.
Bei geeigneter Ausgestaltung der Schwungtreibräder ist es möglich, die Wellen zwischen den beiden Schwungtreibrädern aus jeweils zwei Halbwellen auszuführen. Beide Halbwellen sind jeweils mit einem ersten Kegelzahnrad an dem von dem Schwungtreibrad abgewandten Ende versehen. Ein zweites Kegelzahnrad steht im Eingriff mit beiden ersten Kegelzahnrädern. Die Welle dieses zweiten Kegelzahnrads verläuft im Wesentlichen auf der Symmetrieachse des Zylindergehäuses. Mittels dieser Konstruktion aus drei Kegelzahnrädern lässt sich also bewirken, dass die beiden Schwungtreibräder gegensinnig laufen. Durch den gegensinnigen Lauf der beiden Schwungtreibräder lässt sich die Auswuchtwirkung der Schwungtreibräder weiter verbessern.
In einigen weiteren Ausführungsformen treiben bei dem Verbrennungsmotor das Aufnahmerad oder die Aufnahmeräder das Schwungtreibrad oder die Schwungtreibräder mittels jeweils eines Zugmittels, insbesondere einer Kette oder eines Riemens an.
Vorteilhaft können zum Antrieb der Schwungtreibräder Zugmittel, insbesondere Riemen wie zum Beispiel Zahnriemen oder Ketten wie zum Beispiel Rollenketten verwendet werden. Hier können besonders gängige und leicht verfügbare Teile verwendet werden.
In einigen weiteren Ausführungsformen treiben an dem Verbrennungsmotor das Aufnahmerad oder die Aufnahmeräder die Schwungtreibräder mittels Kuppelstangen an.
Wenn das Aufnahmerad die Schwungtreibräder mittels Kuppelstangen antreibt, stellt dies eine besonders robuste und verschleißarme Form der Verbindung zwischen Aufnahmerad und Schwungtreibrad her.
In einigen weiteren Ausführungsformen ist an dem Verbrennungsmotor das erste und/oder das zweite Aufnahmerad als drittes Kegelzahnrad ausgeführt. Weiter sind je Aufnahmerad ein viertes und ein fünftes Kegelzahnrad so angeordnet, dass mindestens eine mit der Kurbelwelle koaxiale Welle, die fest mit dem fünften Kegelzahnrad verbunden ist, von dem Verbrennungsmotor antreibbar ist. So werden mittels der vierten und fünften Kegelzahnräder die Kuppelstange oder Kuppelstangen überbrückt.
Wenn auf beiden Seiten der Kurbelwelle Aufnahmeräder vorgesehen sind, die jeweils mit einer Kuppelstange versehen sind, kann es nötig werden, den Abtrieb des Motors in dieser Weise zu realisieren.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Zweizylinder-Verbrennungsmotor, zusammengesetzt aus zwei oben beschriebenen Verbrennungsmotoren mit zwei Kolben, in dem zwei Zylindergehäuse in V-Form so angeordnet sind, dass je Zylindergehäuse ein Schwungtreibrad derart mit einer Kegelverzahnung versehen ist, dass die beiden Schwungtreibräder ineinandergreifend angeordnet sind und zur Synchronisierung der beiden Einzylinder-Verbrennungsmotoren dienen, und in dem Abtriebswellen der beiden Verbrennungsmotoren an ihrem von dem Zylindergehäuse des jeweiligen Motors abgewandten Ende mit je einem Kegelzahnrad versehen und so angeordnet sind, dass die beiden Kegelzahnräder in ein weiteres Kegelzahnrad eingreifbar sind, das auf einer senkrecht zu der von Symmetrieachsen der beiden Zylindergehäuse aufgespannten Ebene verlaufenden Welle angeordnet ist, die Abtriebswelle des Zweizylinder-Verbrennungsmotors ist.
Um die Motorleistung zu erhöhen, können zwei der oben beschriebenen Einzylinder-Verbrennungsmotoren zu einem V-Motor zusammengesetzt werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor, zusammengesetzt aus zwei oben beschriebenen Zweizylinder-Verbrennungsmotoren, in dem Symmetrieachsen von Zylindergehäusen der vier Einzylinder-Verbrennungsmotoren in einer Ebene angeordnet sind und in dem Abtriebswellen der vier Einzylinder-Verbrennungsmotoren an ihrem von dem Zylindergehäuse des jeweiligen Motors abgewandten Ende mit je einer Kegelverzahnung versehen und so angeordnet sind, dass die vier Kegelverzahnungen in ein gemeinsames Kegelzahnrad eingreifbar sind, das auf einer senkrecht zu der von Symmetrieachsen der vier Zylindergehäuse aufgespannten Ebene verlaufenden Welle angeordnet ist, die Abtriebswelle des Vierzylinder-Verbrennungsmotors ist.
Zwei der V-Motoren nach dem zweiten Aspekt können zu einem Motor zusammengesetzt werden, in dem vier Zylinder entlang der Kanten eines Vierecks angeordnet sind. Ein solcher Motor ist geeignet, die von Flugzeugen bekannten Sternmotoren zu ersetzen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, bestehend aus mindestens zwei oben beschriebenen Doppelkolben-Verbrennungsmotoren, bei denen die Wellen der Schwungtreibräder aus Halbwellen bestehen, die mittels eines zweiten Kegelzahnrades verbunden sind, wobei in diesem Motor zwei Einzylinder-Verbrennungsmotoren jeweils so angeordnet sind, dass Symmetrieachsen ihrer Zylindergehäuse im Wesentlichen zusammenfallen und dass zweite Kegelzahnräder zweier Einzylinder-Verbrennungsmotoren mittels einer gemeinsamen Welle miteinander verbunden sind.
Hierbei werden die Zylinder entlang ihrer Symmetrieachse aufgereiht. Auf diese Weise kann an der Kurbelwelle eines jeden Zylinders eine eigene Abtriebswelle angebracht werden. Dies empfiehlt sich zum Beispiel, um mehrere Räder eines Fahrzeugs anzutreiben. Dies kann bei Kettenfahrzeugen eingesetzt werden.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung ist ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor, zusammengesetzt aus vier oben beschriebenen Einzylinder-Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrieachsen der Zylindergehäuse der vier Einzylinder-Verbrennungsmotoren parallel zueinander angeordnet sind, dass Drehachsen der Kurbelwellen der vier Einzylinder-Verbrennungsmotoren in einer Ebene so angeordnet sind, dass Abtriebswellen der vier Einzylinder-Verbrennungsmotoren an ihrem von dem Zylindergehäuse des jeweiligen Motors abgewandten Ende mit je einem Kegelzahnrad versehen und entlang von Diagonalen eines Vierecks aufeinander zu verlaufend so angeordnet sind, dass die vier Kegelzahnräder in mindestens ein gemeinsames Kegelzahnrad eingreifbar sind, das auf einer parallel zu den Symmetrieachsen der vier Zylindergehäuse verlaufenden Welle angeordnet ist, die Abtriebswelle des Vierzylinder-Verbrennungsmotors ist.
Ein solcher sogenannter Tetra-Motor ist besonders geeignet für Flugzeugmotoren, da die Abtriebswelle zentral am Schnittpunkt der Achsen der Kurbelwellen liegt. Die Kurbelwellen bilden hierbei Diagonalen eines Vierecks. Bei Flugzeugen lassen sich auf diese Weise ein Schubpropeller und ein Zugpropeller antreiben. Es ist auch möglich, zwei gemeinsame Kegelzahnräder und zwei Abtriebshalbwellen so vorzusehen, dass sie sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken und gegenläufig drehen.
Ein sechster Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor, zusammengesetzt aus mindestens zwei oben beschriebenen Einzylinder-Verbrennungsmotoren, in dem Symmetrieachsen der Zylindergehäuse der mindestens zwei Einzylinder-Verbrennungsmotoren parallel zueinander und in einer Ebene angeordnet sind, und in dem die Aufnahmeräder zweier benachbarter Einzylinder-Verbrennungsmotoren miteinander verbunden sind und/oder die Verbindungsräder zweier benachbarter Verbrennungsmotoren miteinander verbunden sind.
Zur Erhöhung der Motorleistung können auf diese Weise Reihenmotoren mit zwei oder mehr Zylindern realisiert werden.
In einigen Ausführungsformen des sechsten Aspekts sind bei dem Verbrennungsmotor an einem ersten Zylindergehäuse ein erstes Aufnahmerad und ein erstes und ein zweites Schwungtreibrad und an einem letzten Zylindergehäuse ein zweites Aufnahmerad und ein drittes und ein viertes Schwungtreibrad vorhanden. Weiter sind diese beiden Aufnahmeräder die einzigen Aufnahmeräder und diese vier Schwungtreibräder die einzigen Schwungtreibräder des Verbrennungsmotors.
In diesen Ausführungsformen kann ein Reihenmotor besonders kompakt realisiert werden. Der erforderliche Abstand zwischen den einzelnen Zylindergehäusen und die Gesamtlänge der Kurbelwelle sind erheblich reduziert, weil kein Raum für Aufnahmeräder und Schwungtreibräder vorgesehen werden muss.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Verbrennungsmotors beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.

Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch einen Verbrennungsmotor;
Fig. 2 einen Zylinderkopf mit einer Ein- bzw. Auslassöffnung;
Fig. 3 den Antrieb des Schiebers;
Fig. 4 einen Zylinderkopf mit je vier Einlass- und Auslassöffnungen;
Fig. 5 einen Verbrennungsmotor mit gegenläufigen Schwungtreibrädern;
Fig. 6 einen Verbrennungsmotor mit Antrieb der Schwungtreibräder mittels eines Zugmittels;
Fig. 7 längenvariable Distanzstangen für eine variable Verdichtung;
Fig. 8 einen V-Motor mit zwei Zylindern;
Fig. 9 einen Rautenmotor;
Fig. 10 einen Kettenmotor;
Fig. 11 einen Tetra-Motor;
Fig. 12 einen Tetra-Motor;
Fig. 13 einen Tetra-Motor in kompakter Bauform;
Fig. 14 einen Reihenmotor;
Fig. 15 einen Reihenmotor in kompakter Bauform;

Der in Fig. 1 dargestellte Verbrennungsmotor ist in einem kreiszylinderförmigen Zylindergehäuse 1 untergebracht. Die Symmetrieachse des Kreiszylinders ist mit 59 bezeichnet. An den beiden kreisförmigen Endflächen des Zylinders befindet sich je ein Brennraum 29. Zwei durch starre Distanzstangen 16 fest miteinander verbundene Kolben 3 bewegen sich in einer Zylinderlaufbahn in der jeweils gleichen Richtung hin und her, wobei am einen oder anderen Ende des Zylinders abwechselnd eine Zündung (Fremd- oder Eigenzündung) erfolgt. Schwungtreibräder 2 an den Enden des Zylinders dienen dem Ausgleich der Schwungmassen der Kolben. Sie wuchten den Motor aus. Die Schwungtreibräder 2 werden in diesem Beispiel über Kuppelstangen 14 synchronisiert. Ein sogenanntes Aufnahmerad 9 zwischen den beiden Schwungtreibrädern 2 einer Seite nimmt über die auf einem gemeinsamen Zapfen sitzenden beiden Kuppelstangen 14 der beiden Schwungtreibräder die Bewegung der Schwungtreibräder auf. Bei Bedarf kann das Aufnahmerad 9 als dreischeibiges Schwungtreibrad mit Fliehkraftkupplung ausgeführt werden. Da die Kuppelstangen einer direkten Kraftableitung im Wege stehen, wird zur Überbrückung über die Kuppelstangen hinweg ein Kegelradsatz mit Überbrückungsrädern 10 an das Aufnahmerad angebaut, mit dem Kraftableitungsrad 11 als äußerem Element. Als inneres Element dient hierbei das Aufnahmerad 9. An der Außenseite des Kraftableitungsrades ist der Wellenstumpf 12 angebracht, der die Leistung des Motors an ein Getriebe weiterleitet.
Jedes Schwungtreibrad 2 ist als kreisrunder scheibenförmiger Hohlkörper ausgeführt. Nahe dem Außenrand des Rades ist ein Zapfen angebracht, an dem die Kuppelstange ansetzt. Auf der dem der Verankerung der Kuppelstange dienenden Zapfen 22 gegenüberliegenden Seite ist der scheibenförmige Hohlkörper mit einer Schwungmasse gefüllt, die die Aufgabe hat, die Schwungmasse der beiden Kolben 3 auszugleichen. Insgesamt besitzt die Konstruktion vier solche Schwungmassen. Allerdings müssen diese Schwungmassen auch die Schwungmassen von zwei Kolben statt nur eines Kolbens ausgleichen. Die Schwungtreibräder sind durch eine einfache Welle ohne Kegelzahnradsatz verbunden. So laufen jeweils zwei Schwungtreibräder gleichläufig, was den paarweise gleichläufig die Schwungmasse des Kolbens ausgleichenden Kurbelwellenwangen des konventionellen Motors vergleichbar ist.
Die beiden Kolben 3 werden durch vier Distanzstangen 16 auf Abstand gehalten. Diese Konstruktion wird als Kolben-Käfig bezeichnet. Es ist auch möglich, statt vier nur zwei oder sechs entsprechend angeordnete Distanzstangen zu verwenden.
Die Kurbelwelle 4 ist wie folgt aufgebaut: An der Unterseite eines der beiden Kolben ist die Pleuelstange 5 angebracht. Diese ist durch einen Kolbenbolzen 65 mit der vom Brennraum abgewandten Seite des Kolbens verbunden. Die Pleuelstange 5 endet an der kurzen Quersegmentwelle 50 zwischen zwei einfachen Kurbelwellenwangen 52. Da beide Kolben starr miteinander verbunden sind, genügt es, an nur einem der beiden Kolben 3 eine innenliegende Pleuelstange 5 und eine innenliegende Kurbelwelle anzubringen. Ein außenliegender Wellenstumpf 53 führt die vereinigte Kraft beider Kolben durch das Zylindergehäuse 1 hindurch an das Aufnahmerad 9 ab. Ein vom Zylinder, also dem Gehäuse der Kolben getrenntes Kurbelwellengehäuse wird durch diese Konstruktion überflüssig.
Der Ölkreislauf eines solchen Verbrennungsmotors ist hier nicht dargestellt, da er im Wesentlichen dem eines üblichen Viertaktmotors entspricht.
Der Zylinderkopf 24 ist ein Hohlkörper, der die Form einer flachen, kreisrunden Büchse hat. Sie besteht aus einem Deckel 26, einem Boden 27 und einer Umrandung 28. Der Hohlraum 25 ist mit Wasser gekühlt. Über nicht gezeigte Zu- und Ableitungen und eine ebenfalls nicht gezeigte Wasserpumpe wird ein geschlossener Kühlkreislauf erzeugt.
In den Fig. 2 und 3 ist ein beispielhafter Zylinderkopf dargestellt. Anders als in diesen Zeichnungen verfügt der Zylinderkopf der Erfindung nicht nur über eine Ein - und/oder Auslassöffnung, sondern über mindestens zwei. Üblicherweise ist mindestens eine Öffnung für den Einlass und eine Öffnung für den Auslass vorgesehen. Da beide Öffnungen nach dem gleichen Funktionsprinzip öffnen bzw. schließen, ist zur besseren Erkennbarkeit nur eine Öffnung dargestellt, die in diesem Beispiel sowohl als Einlass als auch als Auslass fungiert.
Die Steuerung der Ein- und Auslassöffnungen erstreckt sich über drei Ebenen. Die erste, äußere Ebene befindet sich oberhalb des Zylinderkopfs 24, die zweite Ebene befindet sich innerhalb des Zylinderkopfs, also im Zylinderkopfhohlraum 25 und die dritte Ebene befindet sich knapp unterhalb des Zylinderkopfs am Unterrand (Boden) des Zylinderkopfs 27 bzw. am Oberrand des Brennraums 29.
Die erste, oberhalb des Zylinderkopfs liegende Ebene enthält den Steuerungsmechanismus für den Schieber 37.
Die zweite, mittlere Ebene ist das wassergefüllte Innere des Zylinderkopf-Hohlraums 25. Der Aktuator 78 ist mit dem oberen Ende der Verbindungswelle 33 gekoppelt und bewegt diese. Diese befindet sich fast ganz in der zweiten, mittleren Ebene. Die Verbindungswelle 33 geht innerhalb ihres Führungsrohres 35 durch den Wassermantel des Zylinderkopfs hindurch und reicht bis in den Brennraum.
Die dritte, untere Ebene ist der Oberrand des Brennraums bzw. der Boden 27 des Zylinderkopfs. An der Unterseite des Bodens des Zylinderkopfs bewegt sich in einem 60°-Winkel ein Schieber 37 ohne direkten Materialkontakt in knappem Abstand zum Zylinderkopfboden hin und her. Der Schieber öffnet und schließt die Ein- oder Auslassöffnung. Der Explosionsdruck bewirkt die Selbstabdichtung des Systems. Der Schieber wird über die Verbindungswelle 33 bewegt, die wiederum über einen Aktuator 78 bewegt wird.
Zwischen Deckel und Boden des Zylinderkopfs verlaufen Führungsrohre 35, in deren Innerem sich die Verbindungsachse 33 befindet. Diese Achsen beginnen oberhalb des Zylinderkopfdeckels 26, gehen durch den Zylinderkopf hindurch und enden im Brennraum 29 an den Drehpunkten der Schieber 37.
Der Schiebersteuerungsmechanismus besteht aus drei ineinander gesteckten Rohren, dem äußeren Führungsrohr 35, der inneren Verbindungswelle 33 und einem Federstift 77 in einer Aussparung innerhalb der Verbindungswelle. Auf dem oberen Ende der Verbindungswelle 33, oberhalb des Zylinderkopfdeckels 26, befindet sich ein Aktuator 78 für die Steuerung der Drehbewegungen der Verbindungswelle. Auf dem Aktuator 78 sitzt ein nicht gezeigtes Steuerungsgerät, das die Drehbewegungen des Aktuators 78 elektronisch steuert. Es besteht das Problem, die Radialbewegung der Verbindungswelle und die gefederte Axialbewegung des Federstifts 77 zu entkoppeln. Die Verbindungswelle wird durch zwei umlaufende Erhebungen 79 in umlaufende Nuten 80 im Innern des Führungsrohrs 35 fixiert. Dadurch wird die Verbindungswelle 33 in Axialrichtung unverschiebbar, bleibt aber in Radialrichtung durch den Aktuator 78 drehbar. Daher besitzt der Federstift vier axial verlaufende Erhebungen 75, die in axial verlaufenden Nuten 76 der Verbindungswelle 33 eingreifen. Der Federstift 77 erhält dadurch eine kurze Strecke axialen Federwegs, damit er den Schieber vom Unterrand des Zylinderkopfs fernhalten kann, aber auch, damit ihn der Explosionsdruck ein kurzes
Stück nach oben schieben kann. Die Aktuatorsteuerung der Drehbewegung der Verbindungswelle beseitigt die Grenzen der starren Nockenwellenkurven und macht die Steuerzeiten vollkommen flexibel.
Oberhalb des Zylinderkopfdeckels 26 befindet sich ein mit der Verbindungswelle 33 verbundener Aktuator 78 für die Direktsteuerung der Verbindungswelle. Mit dem Aktuator ist ein elektronisches Steuerungsgerät (es kann auch die Blackbox des Autos sein) verbunden, das die Drehbewegungen des Aktuators 78 elektronisch steuert. Damit fallen die Grenzen der starren Nockenwellenkurven. Dies bewirkt eine vollkommene Flexibilisierung der Steuerzeiten. Da die Schieber durch ein Steuerungsgerät elektronisch gesteuert sind, können die Öffnungs- und Verschlusszeiten völlig frei nach Bedarf variiert werden. Es kann also eine Vor- oder Nacheilung der Öffnung oder Schließung der Ein- und Auslasskanäle relativ zur Stellung des Kolbens erreicht werden.
Die Schieber 37 öffnen und schließen die untere Einmündung des Ein- oder Auslasskanals 43 und 44, die in den Brennraum ragt. Jede Kanalöffnung ist mit einem Erhöhungsring 74 versehen, der exakt mit dem Maß über den Unterrand des Zylinderkopfs hinausragt, das dem Abstand zwischen der Oberseite des Schiebers und dem Unterrand des Zylinderkopfs entspricht. Da die Schieber die Öffnung von der Seite kommend und völlig flach nahe am Zylinderkopfboden entlang schwebend die Öffnung verschlie-ßen, werden die Schieber durch die Verdichtung des Gasgemischs bzw. den Explosionsdruck des Brennraums gegen den Erhöhungsring gedrückt und verschließen die Öffnung dadurch vollkommen dicht. Es liegt eine selbstverstärkende Art des Öffnungsverschlusses vor, die der Wirkungsweise des Ventiltellers eines konventionellen Verbrennungsmotors entspricht. Daher sind maximale Verdichtung und maximale Leistungsausbeute gesichert.
Da der Schieber nicht plan an der Unterseite des Zylinderkopfbodens anliegt, sondern einen geringen Abstand zu ihm hat, muss jede Ein- oder Auslasskanalöffnung mit einem außen abgerundeten Erhöhungsring 74 versehen sein, auf den der Schieber plan auflaufen kann, um den Kanal zuverlässig zu verschließen. Der Erhöhungsring ist in dem gleichen Maß über den Zylinderkopfboden erhaben, wie der Schieber über das untere Ende der Verbindungsachse über dem Zylinderkopfboden erhaben ist.
Kompressionsverluste durch die Schließelemente der Kanalöffnungen, also die Schieber, sind ausgeschlossen. Der Aktuator befindet sich gut geschützt gegen die Hitze des Brennraums in einem Luftbereich über dem Zylinderkopf und wird in seiner Bewegung nicht durch den Wassermantel des Zylinderkopfs gehemmt. Die Steuerungsachse 33 läuft in dem Führungsrohr 35, das vom Deckel 26 durch den wassergefüllten Zylinderkopf-Hohlraum 25 zum Boden 27 des Zylinderkopfs reicht. Damit läuft die Steuerungsachse nicht im Wasser, sondern im Führungsrohr, und kann daher innerhalb des Führungsrohrs mit Öl geschmiert werden.
Wärmebrücken entstehen, weil das Führungsrohr 35 und die Steuerungsachse 33 durch den Zylinderkopf 24 geführt werden. Die Wärmeenergie, die diese Wärmebrücken aus dem Brennraum ableiten, wird durch die Wasserkühlung des Zylinderkopfes abgeleitet.
In Fig. 4 ist unter anderem ein Zylinderkopf mit vier Paaren von Schiebern dargestellt. Jeweils ein Schieber verschließt oder öffnet einen Einlasskanal 43 bzw. einen Auslasskanal 44. Entsprechend der Anordnung der Ein- und Auslassöffnungen 45 und 46 liegen Ein- und Auslasskanäle 43 und 44 jeweils einander benachbart. Sie werden durch die beschriebenen, waagrecht innerhalb des Brennraums an der Unterseite des Zylinderkopfbodens arbeitenden Schieber geöffnet und geschlossen.
Die einander benachbarten Einlasskanäle sind über Druckringe 7 miteinander verbunden. Die Druckringe 7 entsprechen der Einspritzleiste beim konventionellen Common-Rail-System.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des Verbrennungsmotors der Fig. 1. Anders als in Fig. 1 treiben hier die Schwungtreibräder 2 über zwei Halbwellen 6 jeweils ein Kegelzahnrad 19 an. Diese Kegelzahnräder 19 sind über ein weiteres Kegelzahnrad 20 verbunden. So wird eine Gegenläufigkeit der Drehbewegung der Schwungtreibräder 2 ermöglicht. Hier befindet sich an dem, dem Aufnahmerad 9 gegenüberliegenden Ende der Kurbelwelle ein Verbindungsrad 13, dass in einer nicht gezeigten Lagerung angebracht ist.
Fig. 6 zeigt eine Variationsmöglichkeit des Verbrennungsmotors der Fig. 1. Hier werden die beidseitig angebrachten Kuppelstangen zwischen den Schwungtreibrädern durch ein Zugmittel 18 wie eine Kette oder einen entsprechenden Zahnriemen ersetzt. Dann stehen die weggefallenen Kuppelstangen einer direkt vom Inneren des jeweiligen Zylinders durch die Zylinderwand nach außen reichenden Kurbelwelle nicht mehr im Wege. Da die Vorteile, die es erlauben, die Kurbelwelle einfach zu halten, also der in die Schwungtreibräder ausgelagerte Schwungmassenausgleich und die tragende Wirkung der starren Distanzstangen, nach wie vor unverändert wirksam sind, braucht man nach wie vor kein Kurbelwellengehäuse. Es genügt bei dieser technischen Lösung, den Wellenstumpf, der aus dem Zylinder zum Aufnahmerad hinausführt, durch ein Loch in der Zylinderwand, genauer gesagt, durch eine in die Zylinderwand eingepasste längliche Stützhülse 67 mit innen liegendem Nadellager zu führen und zu stützen. Bei dieser Lösung entfallen das Ableitrad und die Überbrückungsräder.
Fig. 7 zeigt eine weitere Variationsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit variabler Verdichtung. Hier ist jede der in Fig. 1 gezeigten Distanzstangen 16 in drei Segmente geteilt. Das untere und das obere Segment 60 sind als Tauchrohr ausgeführt. Das mittlere Segment 61 ist als Standrohr ausgeführt. Der Innendurchmesser dieses Standrohrs 61 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Tauchrohre 60. Die Tauchrohre 60 können in das Standrohr 61 eintauchen. Vier Steuerungsschenkel 62 werden in ihrem Kreuzungselement 63 durch einen längenvariablen Steuerungskörper 64 im Innern des Standrohres 61 gespreizt oder zusammengeklappt. Dadurch kann die Länge der Distanzstangen variiert werden. Damit wiederum variiert man die Verdichtung, weil die Länge der Distanzstangen den Abstand der Kolben 3 beeinflusst. Dieser Abstand der Kolben 3 ist wiederum ein fester Teil der gesamten Innenlänge des Zylindergehäuses. Somit wird durch eine Vergrößerung des Abstands der Kolben 3 der Abstand der Kolben 3 vom Zylinderkopf 24 am oberen Totpunkt des Kolbens verringert. Deshalb wird durch eine Verlängerung der Distanzstangen die Verdichtung erhöht. Um die Verdichtung beider Kolben zu verändern, ist es erforderlich, die Pleuelstange 5 ebenfalls längenvariabel auszuführen.
Im Folgenden werden Motoren beschrieben, die über mehrere Zylinder der oben beschriebenen Bauart verfügen und mit Doppelkolben ausgestattet sind. Hierbei werden zur Vereinfachung der Zeichnungen die Kegelzahnräder 9, 10, 11 und 13 (s. Fig. 5) als Scheiben oder Stirnzahnräder dargestellt. Dies erfolgt insbesondere in den Fig. 8, 9, 10 und 14.
Ein in Fig. 8 dargestellter Zweizylinder-Verbrennungsmotor ist ein sogenannter V-Motor nach dem zweiten Aspekt. Er entsteht, indem zwei oben beschriebene Verbrennungsmotoren zusammengesetzt werden. Er lässt sich realisieren, indem zwei Zylindergehäuse 1 in V-Form so angeordnet sind, dass je Zylindergehäuse ein Schwungtreibrad 23 derart mit einer Kegelverzahnung versehen ist, dass die mit der Kegelverzahnung versehenen Schwungtreibräder 23 ineinandergreifend angeordnet sind und zur Synchronisierung der beiden Verbrennungsmotoren dienen, und dass Abtriebswellen 84 der beiden Verbrennungsmotoren an ihrem von dem Zylindergehäuse 1 des jeweiligen Motors abgewandten Ende mit je einem Kegelzahnrad 86 versehen und so angeordnet sind, dass die beiden Kegelzahnräder 86 in ein weiteres Kegelzahnrad 82 eingreifbar sind, das auf einer senkrecht zu der von Symmetrieachsen 59 der beiden Zylindergehäuse aufgespannten Ebene verlaufenden Welle 83 angeordnet ist, die Abtriebswelle des Zweizylinder-Verbrennungsmotors ist. Über eine Verzahnung entsprechender Schwungtreibräder ist ein Kraftschluss zweier in V-Form zueinander liegender Einzylinder-Verbrennungsmotoren möglich. Leitet man den Leistungsabgang zwischen die Schenkel des V ab und fasst ihn über einen Kegelzahnradsatz zusammen, kann man eine hohe, über die Abtriebswelle 83 abzuführende Leistung erzeugen.
In Fig. 9 ist ein aus zwei V-Motoren der Fig. 8 zusammengesetzter Vierzylindermotor dargestellt. Über eine Verzahnung entsprechender Schwungtreibräder ist ein Kraftschluss von vier im Viereck zueinander liegenden Wechselkammermotoren möglich. Leitet man den Leistungsabgang der Abtriebswellen 84 der einzelnen Zylinder entlang der Diagonalen des Vierecks ab und fasst ihn über einen Satz von vier, an den Enden der Abtriebswellen 84 angeordneten Kegelzahnrädern 86 und von einem Zentralkegelzahnrad 82 zusammen, kann man eine hohe, senkrecht zur Ebene des Vierecks über die Abtriebswelle 83 z. B. auf einen Propeller 89 abzuleitende Leistung erzeugen. Diese Bauart eignet sich dafür, Sternmotoren zu ersetzen.
In Fig. 10 ist ein sogenannter Kettenmotor dargestellt, bei dem mehrere, in diesem Fall vier Zylindergehäuse 1 entlang ihrer Symmetrieachse aufgereiht sind. Es handelt sich hierbei in allen Fällen um Motoren, bei denen die Welle der Schwungtreibräder 2 geteilt ist. Ein solcher Motor ist in Fig. 5 dargestellt. Die Halbwellen 6 tragen an ihrem von den Schwungtreibrädern entfernten Ende Kegelzahnräder 19. Diese Kegelzahnräder 19 sind über ein weiteres Kegelzahnrad 20 verbunden. Weil die Welle der Schwungtreibräder 2 aus zwei Halbwellen 6 besteht, ist die Drehrichtung der Schwungtreibräder 2 auf beiden Seiten der Zylinder jeweils gegenläufig. Entsprechend sind auch die Abtriebswellen auf den beiden Seiten der Zylinder jeweils gegenläufig. Wenn z.B. in einem Kettenfahrzeug Gleichlauf der Wellen auf beiden Seiten der Zylinder erforderlich ist, dann ist zumindest auf einer Seite ein entsprechendes Getriebe vorzusehen.
Der in den Fig. 11 und 12 dargestellte Tetra-Motor besteht aus vier Zylindergehäusen 1 mit acht Brennkammern. Die Zylindergehäuse 1 sind so angeordnet, dass sie ähnlich den vier "Zylindern" eines hohen Hochhauses in München angeordnet sind. Die Drehbewegung der Abtriebswellen 84 der vier Zylinder wird in den Zwischenraum zwischen den Zylindern durch den Riemenantrieb der Schwungtreibräder hindurch abgeleitet. Diese vier Abtriebswellen 84 verlaufen entlang der Diagonalen eines Vierecks. Jede dieser vier Abtriebswellen trägt ein Kegelzahnrad 86. Alle vier Kegelzahnräder treffen sich in der Mitte des Zwischenraums. Alle vier Kegelzahnräder 86 greifen in zwei Zentralzahnräder 82, von denen jeweils eine geteilte Abtriebswelle 83 ausgeht, die über die vordere und hintere Grenze des Tetra-Motors hinausragt. Diese Abtriebswelle 83 verläuft parallel zu den Symmetrieachsen 59 der vier Zylindergehäuse. Die beiden Halbwellen der Abtriebswelle sind hier gegenläufig. In der hier gezeigten Version des Tetra-Motors ist auf beiden Seiten der Kurbelwelle jedes Zylindergehäuses 1 ein Satz Schwungtreibräder 2 vorgesehen.
In Fig. 13 ist eine kompaktere Bauform des Tetra-Motors dargestellt. Hier ist nur auf der von der gemeinsamen Abtriebswelle entfernten Seite der Zylinder 1 ein Satz Schwungtreibräder angeordnet. Dadurch können die Abtriebswellen 84 verkürzt werden.
In Fig. 14 ist ein Reihenmotor dargestellt, der in diesem Beispiel aus vier Zylindergehäusen 1 zusammengesetzt ist. Die Kurbelwellen der beiden im Bild links dargestellten Zylinder sind miteinander verbunden, indem die Aufnahmeräder 9 mittels eines Überbrückungsrads 10 verbunden sind. Ebenso sind die Kurbelwellen der beiden im Bild rechts dargestellten Zylinder miteinander verbunden. Beide Zylinderpaare werden dadurch miteinander verbunden, dass die zwischen zwei Schwungrädern 2 angeordneten Verbindungsräder 13 benachbarter Zylinder über ein Überbrückungsrad 10 miteinander verbunden sind. In diesem Reihenmotor sind die Aufnahmeräder 9 und die beiden einander zugewandten Verbindungsräder 13 ebenso wie die Zahnräder 10 als Kegelzahnräder ausgeführt. Die Kurbelwelle dieses Reihenmotors mit vier Zylindern ist für jeweils zwei Zylinder durchgehend. An der Stelle, wo die beiden Paare von Zylindern miteinander verbunden sind, werden die Verbindungsräder 13 mittels eines Überbrückungsrades 10 zusammengefügt. Diese Verbindungsräder 13 sind nicht direkt mit dem benachbarten Kurbelwellenstumpf verbunden. Die Verbindungsräder 13 werden über die Aufnahmeräder 9 auf der anderen Seite des jeweiligen Zylinders und den Schwungradsatz angetrieben.
Als Abtriebswelle dieses Motors können sowohl beliebige Wellen der Überbrückungsräder 10 verwendet werden als auch beliebige Wellen derjenigen Kegelzahnräder, die die beiden Halbwellen der Schwungtreibräder 2 miteinander verbinden.
Eine kompaktere Bauform eines Reihenmotors ist in Fig. 15 gezeigt. Statt Kuppelstangen wie in Fig. 14 dienen hier Zugmittel 18 wie Riemen der Verbindung der Schwungtreibräder 2 mit den Aufnahmerädern 9. Darüber hinaus sind Schwungtreibräder 2 nur an den Außenseiten der beiden Zylinder vorhanden, die an den Enden der Reihe stehen. Die Kolben der inneren Zylinder werden mittels der Schwungtreibräder der Zylinder an den Enden der Reihe ausgewuchtet. Wenn an den inneren Zylindern keine Schwungtreibräder vorgesehen sind, wird eine durchgehende Kurbelwelle möglich, die sich durch ein Aufnahmerad 9 hindurch in die Abtriebswelle 83 erstreckt.
Ist der Bereich der in Fig. 7 dargestellten Verstellung der Verdichtung groß genug, kann man zwischen Diesel- und Ottomotor-Modus wechseln. Hierfür ist die Erfüllung von vier Bedingungen erforderlich:
Bedingung ist erstens, dass man über eine Kupplung die Kraftübertragung vom Aufnahmerad auf den Wellenstumpf unterbricht und der Wellenstumpf dadurch vorübergehend stillsteht.
Bedingung ist zweitens, dass über einige Takte hinweg ein Steuerbefehl an den Aktuator die Schieber in eine Position bringt, bei der alle Ein- und Auslasskanäle gleichzeitig geöffnet sind, so dass das alte Gasgemisch vollständig entweichen kann. Dadurch wird verhindert, dass sich Benziner-Gasgemisch und Diesel-Gasgemisch im Brennraum treffen und Schäden erzeugen.
Bedingung ist drittens, dass man zwei getrennte Treibstoffbehälter und zwei getrennte Treibstoffleitungen hat. Zwischen den beiden Leitungen muss eine Weiche für die geeignete Freigabe oder Blockierung des Durchflusses der jeweils aktuell benötigten oder gesperrten Treibstoffart sorgen.
Bedingung ist viertens, dass die Druckringe vollständig entleert werden, bevor sie mit der neuen Kraftstoffart befüllt werden können. Die Entleerung der Druckringe bewirkt der Kolben durch seine leersaugenden Abwärtsbewegungen und seine Gasausschiebungen durch die dauerhaft geöffneten Auslassöffnungen hindurch während seiner Aufwärtsbewegungen. Die Entleerung der Druckringe findet über mehrere Umdrehungen hinweg statt, bis sie vollständig vollzogen ist. Danach erfolgt elektronisch gesteuert der weitere Betrieb mit der neuen Kraftstoffart.
Der Einkammermotor besitzt nur einen Kolben, eine Brennkammer und nur zwei Schwungtreibräder. Er kann gut als Kleinstmotor z. B. für Mofas gebaut werden. Er braucht eine die Kraft nach außen ableitende konventionelle Kurbelwelle. Es versteht sich, dass hier ebenfalls keine aufwändige Kurbelwellenkonstruktion erforderlich ist, da die Schwungtreibräder die Unwucht der Kolbenbewegung ausgleichen. Entsprechend ist auch kein aufwändiges Kurbelwellengehäuse nötig.
Beim Wechselkammermotor unterstützen sich die Arbeitstakte der beiden Brennkammern. Hierbei ist die Taktfolge der einen gegenüber der anderen Brennkammer um genau einen Takt verschoben. Bei Takt 3 (Arbeitstakt) der einen Kammer bewegt sich der Kolben nach der Zündung nach unten. Über die starren Distanzstangen überträgt dieser Kolben seine Bewegungsenergie auf den anderen Kolben. Dieser befindet sich gerade in Takt 2 (Verdichtungstakt). Die Verbrennungsenergie des ersten Kolbens unterstützt also die Verdichtungsbewegung des zweiten Kolbens. Danach gelangt der zweite Kolben an den oberen Totpunkt und wird in Takt 3 wieder in entgegengesetzte Richtung bewegt. Diese Bewegung trifft auf Takt 4 (Ausstoßtakt) des ersten Kolbens und verstärkt dessen Ausstoßbewegung zum Entfernen der Altgase. Anschließend stößt die Ansaugbewegung (Takt 1) des ersten Kolbens auf die Ausstoßbewegung (Takt 4) des zweiten Kolbens und danach trifft die Verdichtungsbewegung des ersten Kolbens (Takt 2) auf die Ansaugbewegung des zweiten Kolbens (Takt 1). Die Bewegungen der beiden Kolben laufen daher stets sich gegenseitig unterstützend in die gleiche Richtung, auch wenn die Unterstützung dadurch begrenzt ist, dass nur bei jedem vierten Takt eine Zündung stattfindet. Die Schwungtreibräder überwinden die "Durststrecke" bis zur nächsten Zündung. In dem Falle, dass man mit einem zweiten Zylinder arbeitet, hat man für alle vier Brennkammern einen Zündversatz von je einem Takt, so dass ständig eine Brennkammer einen Arbeitstakt verrichtet und so eine durchgehende Zündfolge gewährleistet ist, die ständig Leistung liefert.
Der Wechselkammermotor kommt ohne Ventile aus. Er vermeidet damit Ventilteller, die mitten im Gasstrom stehen und diesen daher stark hemmen. Dadurch steigt die Leistung, und der Verbrauch sinkt. Da Öffnung und Schließung der Gaskanäle nicht mehr mechanisch erfolgt, spart man neben den Ventilen auch die Nockenwellen ein. Außerdem gibt es keine starren Öffnungs- und Schließzeiten mehr, die durch unterschiedliche Nockenformen bewirkt werden, sondern dank der Steuerung des Schiebers mittels eines elektronischen Aktuators stufenlos unendlich viele. Dies eröffnet neue Abstimmungsspielräume bei wechselnden Lastzuständen.
Beim konventionellen Motor hat man eine Einlassseite und eine Auslassseite, da die oben liegenden Nockenwellen eine räumliche Trennung der Ein- und Auslassöffnungen erzwingen. Da beim Wechselkammermotor Ein- und Auslassöffnungen jeweils benachbart angeordnet sind, kann Frischgas von allen Seiten in den Brennraum strömen. Man erreicht also eine vollständige Füllung des Brennraums, im Gegensatz zu der schlechter befüllten "Tasche" des Bereichs, welcher beim konventionellen Viertaktmotor der Einlassöffnung gegenüberliegt. Desgleichen erreicht man eine bessere Spülung des Brennraums, weil sich auch die Auslassöffnungen gegenüberstehen, was zur Folge hat, dass das verbrannte Altgas an mehreren Seiten ausgestoßen werden kann. Da der Arbeitstakt der einen Brennkammer die Spülung des anderen Brennraums unterstützt, verbessert sich durch das Wechselkammerprinzip die Spülung ebenfalls. Im Falle von zwei Zylindern in Reihe verstärkt sich diese Wirkung. Beim konventionellen Viertaktmotor entsteht durch die Entleerung der Altgase zu nur einer Seite hin auf der gegenüberliegenden Einlassseite ein schlechter gespülter Bereich, in dem verbranntes Altgas in einer "Tasche" zurückbleibt. Beide Nachteile des konventionellen Viertaktmotors führen zu einer unsauberen Verbrennung. Die Frischgasströme des Wechselkammermotors hingegen treffen sich in der Mitte des Brennraums und verwirbeln gut. Man kann Ein- und Auslassöffnungen beliebig mischen. Einlassen und Ausstoßen kann von allen Seiten her erfolgen. Die Trennung in eine Einlass- und eine Auslassseite ist beim Wechselkammermotor aufgehoben. Der bessere Gaswechsel verringert den Verbrauch und ermöglicht saubere Abgase.
Infolge des Wegfalls der Ventilfedern ist auch der Größe des Einzelhubraums kaum noch eine Grenze gesetzt. Der Schwungausgleich der Kolbenmassen wurde nach au-ßen in die Schwungtreibräder verlegt. Die Abstützung der Bewegungswucht der beiden Kolben erfolgt weit überwiegend über die Schwungtreibräder und die starren Distanzstangen. Dadurch werden die Lager der Kurbelwelle deutlich entlastet. Daher kann die innen liegende Kurbelwelle so einfach ausgeführt werden, dass man sogar das Kurbelwellengehäuse einsparen kann.
Die Kolben werden durch vier Distanzstangen gehalten. Damit ist eine Kippbewegung der Kolben in der Nähe der Totpunkte nahezu unmöglich. Auch dies erleichtert es, große Kolbendurchmesser zu verwirklichen.
Der Wechselkammermotor besitzt zudem die gleichen Variabilitäts-Fähigkeiten wie der heutige moderne Viertaktmotor. Durch die variable Steuerung von Einlass und Auslass können die Zeitpunkte von Einspritzung und Ausstoß dynamisch an den jeweiligen Lastzustand des Motors angepasst werden. Es ist somit eine ebenso sorgfältige Abstimmung der Leistungs- und Drehmomentkurve möglich wie beim konventionellen Viertaktmotor.
An ein oder mehrere Schwungtreibräder können über Zahnkranz-Verbindungen Dynamos angebracht werden, die rekuperierte Bremsenergie in den Motor rückleiten können. Der Motor ist also auch als Hybrid-Motor denkbar, der Bewegungsenergie wiedergewinnen und in elektrische Energie zurückverwandeln kann.
Der Motor ist insgesamt reparaturfreundlicher als der konventionelle Viertaktmotor. Da er sehr sauber verbrennt und die Kolben durch die Distanzstangen breit abgestützt sind, dürfte auch der Verschleiß geringer und somit die Lebensdauer länger sein.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Mehrzylindermotoren nach dem Baukastenprinzip gefertigt werden können. Anhand des Kolbenhubs und des Kolbendurchmessers werden die Größen des Zylinders und der Kolben festgelegt. Aus diesen Maßen ergeben sich wiederum die Ausgleichsmassen der Schwungräder. Mehrzylindermotoren können durch einfaches Zusammensetzen dieser Elemente gefertigt werden. Variabel sind lediglich die einzelne Zylinder verbindenden Schwungräder und die die Einzelzylinder verbindenden Elemente der Kurbel- bzw. Abtriebswelle. Anders als bei konventionellen Motoren ist nicht einerseits ein separater Block als Gehäuse für Kurbelwelle und Zylinder und andererseits ein an die Zahl der Zylinder angepasster Zylinderkopf erforderlich. Diese Elemente werden bei konventionellen Motoren an den jeweiligen Motor angepasst. Bei der vorliegenden Erfindung ist es dagegen möglich, ohne großen Aufwand bei der Konstruktion und der Fertigung des Motorgehäuses oder anderer Teile einen neuen Motor mit mehr oder weniger Zylindern zu entwerfen und zu bauen.

Liste mit Ausführungsformen der Erfindung

Einzylindermotoren verschiedener Bauarten

1. Zweikolbenmotor
2. Zweikolbenmotor mit zwei Schwungtreibrädern auf derselben Seite
3. Zweikolbenmotor mit je zwei Schwungtreibrädern pro Seite
4. Zweikolbenmotor mit Schieber statt Ventil
5. Zweikolbenmotor mit zwei Aufnahmerädern
6. Zweikolbenmotor mit je zwei Schwungtreibrädern pro Seite und geteilten Schwungtreibradwellen (und nur einem Aufnahmerad bzw. Freilauf in einem mittleren Rad)
7. Motor mit Riemenantrieb des Schwungtreibrads/der Schwungtreibräder
8. Motor mit Kuppelstange zwischen Aufnahmerad und Schwungtreibrad
9. Motor mit Kuppelstange zwischen Aufnahmerad und Schwungtreibrad, Überbrückung der Kuppelstange mit Kegelzahnrädern

Mehrzylindermotoren verschiedener Bauarten

10. V-Motor
11. Zwei V-Motoren zu einem Rautenmotor zusammengesetzt
12. Kettenmotor (mehrere Zylinder hintereinander auf derselben Symmetrieachse)
13. Tetra-Motor (vier Zylinder mit parallel verlaufenden Symmetrieachsen)
14. Reihenmotor
15. Reihenmotor kompakt (mit zwei Sätzen Schwungtreibräder nur außen)

Bezugszeichenliste

1: Zylindergehäuse
2: Schwungtreibrad
3: Kolben
4: Kurbelwelle
5: Pleuelstange
6: Welle für Schwungtreibrad
7: Druckring Kraftstoff
8: Druckring Luftzufuhr
9: Aufnahmerad
10: Überbrückungsrad (viertes Kegelzahnrad)
11: Kraftableitungsrad (fünftes Kegelzahnrad)
12: Abtriebswelle
13: Verbindungsrad zwischen zwei Schwungtreibrädern
14: Kuppelstange (Zuganker)
16: Distanzstange
18: Zugmittel
19: Kegelzahnrad an Halbwelle Schwungtreibrad
20: Kegelzahnrad zur Verbindung der Halbwellen der Schwungtreibräder
21: Verbindungswelle zweier Zylinder im Reihenmotor
22: Kuppelstangenzapfen
23: Schwungtreibrad mit Kegelverzahnung
24: Zylinderkopf
25: gekühlter Hohlraum im Zylinderkopf
26: Zylinderkopfdeckel
27: Zylinderkopfboden
28: Umrandung (Seitenwand des Zylinderkopfs)
29: Brennraum
30: Drehpunkt Schieberwelle
33: Verbindungswelle
34: Zündkerze
35: Führungsrohr
36: Kraftstoffpumpe
37: Schieber
43: Kanal für Einlass bzw. Auslass
44: Kanal für Auslass bzw. Einlass
45: Öffnung für Einlass bzw. Auslass
46: Öffnung für Auslass bzw. Einlass
50: Kurbelzapfen
52: Kurbelwellenarm
53: Kurbelwellenstumpf zum ersten Aufnahmerad
59: Symmetrieachse des Zylinders
60: Tauchrohr der Distanzstangen, die die Kolben verbinden
61: Standrohr der Distanzstangen, die die Kolben verbinden
62: Steuerungsschenkel
63: Kreuzungselement der Steuerungsschenkel
64: längenvariabler Steuerungskörper im Standrohr
65: Kolbenbolzen
67: Stützhülse für Kurbelwelle im Zylinder
74: Erhöhungsring zwischen Schieber und Zylinderkopfboden
75: axiale Erhebung des Federstifts
76: axiale Nut der Verbindungswelle
77: Federstift in der Verbindungswelle der Schiebersteuerung
78: Aktuator
79: umlaufende Erhebung der Verbindungswelle
80: umlaufende Nut an der Innenseite des Führungsrohrs
82: Kegelzahnrad an Abtriebswelle Mehrzylindermotor
83: Abtriebswelle Mehrzylindermotor
84: Abtriebswelle eines Zylinders
86: Kegelzahnrad an Abtriebswelle eines Zylinders
89: Propeller

Claims

Verbrennungsmotor, der als Viertakt-Hubkolbenmotor ausgeführt ist, aufweisend
- eine Kurbelwelle (4), die zwei Kurbelwellenstümpfe und zwei Kurbelarme (52), deren jeweils erstes Ende fest mit den Kurbelwellenstümpfen verbunden ist und deren jeweils zweites Ende fest mit einem Kurbelzapfen (50) verbunden ist, aufweist,

- eine Pleuelstange (5), die an einem ersten Ende mit dem Kurbelzapfen (50) verbunden ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Kolben (3) verbunden ist, und

- ein Zylindergehäuse (1), dessen Innenseite als senkrechter Kreiszylinder ausgeformt ist,
wobei zwischen dem ersten Kolben (3) und einer ersten kreisförmigen Endfläche des Kreiszylinders ein Brennraum (29) angeordnet ist, und wobei in dem Zylindergehäuse (1) auf der von dem ersten Kolben (3) abgewandten Seite der Kurbelwellenstümpfe ein zweiter Kolben (3) angeordnet ist, der mit dem ersten Kolben (3) mittels mindestens zweier Distanzstangen (16) verbunden ist, und wobei zwischen dem zweiten Kolben (3) und einer zweiten der kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders ein zweiter Brennraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der einem Brennraum (29) zugewandten kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders mindestens eine Öffnung (45, 46) vorgesehen ist, und dass an jeder der einem Brennraum (29) zugewandten kreisförmigen Endflächen des Kreiszylinders eine der Zahl der Öffnungen (45, 46) entsprechende Zahl von Schiebern (37) angeordnet ist, die zum Schließen und Öffnen der jeweiligen Öffnung (45, 46) ausgeführt ist/sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein erster Kurbelwellenstumpf außerhalb des Zylindergehäuses (1) fest mit einem ersten Aufnahmerad (9) verbunden und so eingerichtet ist, dass der Kurbelwellenstumpf das erste Aufnahmerad (9) antreibt, das so eingerichtet ist, dass es ein erstes und ein zweites Schwungtreibrad (2) antreibt, dass

das zweite Schwungtreibrad (2) auf der von dem ersten Schwungtreibrad (2) abgewandten Seite des Aufnahmerades (9) angeordnet ist, dass

das erste und das zweite Schwungtreibrad (2) so eingerichtet sind, dass

eine Drehachse des jeweiligen Schwungtreibrads (2) parallel zur Drehachse der Kurbelwelle (4) und senkrecht zu einer Symmetrieachse (59) des Kreiszylinders verläuft und dass ein Schnittpunkt der Drehachse des jeweiligen Schwungtreibrads (2) und der Symmetrieachse (59) des Kreiszylinders weiter von der Kurbelwelle (4) entfernt ist als die dem Brennraum zugewandte kreisförmige Endfläche des Kreiszylinders, und dass

das erste und das zweite Schwungtreibrad (2) den Verbrennungsmotor auswuchten.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
ein drittes und ein viertes Schwungtreibrad (2) angebracht sind, wobei das dritte Schwungtreibrad (2) im Wesentlichen auf derselben Drehachse wie das erste Schwungtreibrad (2) angeordnet ist und das vierte Schwungtreibrad (2) im Wesentlichen auf derselben Drehachse wie das zweite Schwungtreibrad (2) angeordnet ist, dass

das dritte und das vierte Schwungtreibrad (2) auf derjenigen Seite des Zylindergehäuses (1) angeordnet sind, auf der ein zweiter Kurbelwellenstumpf aus dem Zylindergehäuse (1) herausführbar ist, und dass

das dritte und das vierte Schwungtreibrad (2) so eingerichtet sind, dass sie den Verbrennungsmotor auswuchten.
Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Kurbelwellenstumpf außerhalb des Zylindergehäuses (1) fest mit einem zweiten Aufnahmerad (9) verbunden und so eingerichtet ist, dass der zweite Kurbelwellenstumpf das zweite Aufnahmerad (9) antreibt, das so eingerichtet ist, dass es das dritte und das vierte Schwungtreibrad (2) antreibt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen des ersten und des dritten Schwungtreibrads (2) sowie des zweiten und des vierten Schwungtreibrads (2) jeweils zwei voneinander getrennte Halbwellen (6) sind, die jeweils an den von den Schwungtreibrädern (2) abgewandten Enden mit einem ersten Kegelzahnrad (19) fest verbunden sind, und dass die Halbwellen (6) mittels eines zweiten Kegelzahnrads (20) so verbunden sind, dass das erste und das zweite Schwungtreibrad (2) gegensinnig zu dem dritten und dem vierten Schwungtreibrad (2) drehen.
Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufnahmerad (9) oder die Aufnahmeräder das Schwungtreibrad (2) oder die Schwungtreibräder mittels jeweils eines Zugmittels (18), insbesondere einer Kette oder eines Riemens antreiben.
Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufnahmerad (9) oder die Aufnahmeräder die Schwungtreibräder (2) mittels Kuppelstangen (14) antreiben.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste und/oder das zweite Aufnahmerad (9) als drittes Kegelzahnrad ausgeführt ist, und dass

pro als drittes Kegelzahnrad ausgeführtem Aufnahmerad (9) ein viertes (10) und ein fünftes (11) Kegelzahnrad so angeordnet sind, dass mindestens eine mit der Kurbelwelle (4) im Wesentlichen koaxiale Welle (12), die fest mit dem fünften Kegelzahnrad (11) verbunden ist, von dem Verbrennungsmotor antreibbar ist und dass mittels der vierten (10) und fünften (11) Kegelzahnräder die Kuppelstange oder Kuppelstangen (14) überbrückt werden.
Zweizylinder-Verbrennungsmotor, zusammengesetzt aus zwei Verbrennungsmotoren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Zylindergehäuse (1) in V-Form so angeordnet sind, dass

je Zylindergehäuse (1) ein Schwungtreibrad (23) derart mit einer Kegelverzahnung versehen ist, dass die mit der Kegelverzahnung versehenen Schwungtreibräder (23) ineinandergreifend angeordnet sind und zur Synchronisierung der beiden Verbrennungsmotoren dienen, und dass

Abtriebswellen (84) der beiden Verbrennungsmotoren an ihrem von dem Zylindergehäuse des jeweiligen Motors abgewandten Ende mit je einem Kegelzahnrad (86) versehen und so angeordnet sind, dass die beiden Kegelzahnräder (86) in ein weiteres Kegelzahnrad (82) eingreifbar sind, das auf einer senkrecht zu der von Symmetrieachsen (59) der beiden Zylindergehäuse (1) aufgespannten Ebene verlaufenden Welle (83) angeordnet ist, die Abtriebswelle des Zweizylinder-Verbrennungsmotors ist.
Vierzylinder-Verbrennungsmotor, zusammengesetzt aus zwei Zweizylinder-Verbrennungsmotoren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrieachsen (59) von Zylindergehäusen (1) von vier Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 in einer Ebene angeordnet sind und dass Abtriebswellen (84) der vier Einzylinder-Verbrennungsmotoren an ihrem von dem Zylindergehäuse (1) des jeweiligen Motors abgewandten Ende mit je einem Kegelzahnrad (86) versehen und so angeordnet sind, dass die vier Kegelzahnräder (86) in mindestens ein gemeinsames Kegelzahnrad (82) eingreifbar sind, das auf einer senkrecht zu der von Symmetrieachsen (59) der vier Zylindergehäuse (1) aufgespannten Ebene verlaufenden Welle (83) angeordnet ist, die Abtriebswelle des Vierzylinder-Verbrennungsmotors ist.
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, bestehend aus mindestens zwei Verbrennungsmotoren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Verbrennungsmotoren jeweils so angeordnet sind, dass Symmetrieachsen (59) ihrer Zylindergehäuse (1) im Wesentlichen zusammenfallen und dass zweite Kegelzahnräder (20) zweier Verbrennungsmotoren mittels einer den zweiten Kegelzahnrädern (20) gemeinsamen Welle (21) miteinander verbunden sind.
Vierzylinder-Verbrennungsmotor, zusammengesetzt aus vier Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrieachsen (59) der Zylindergehäuse (1) der vier Verbrennungsmotoren parallel zueinander angeordnet sind, dass
Drehachsen der Kurbelwellen (4) der vier Verbrennungsmotoren in einer Ebene so angeordnet sind, dass Abtriebswellen (84) der vier Verbrennungsmotoren an ihrem von dem Zylindergehäuse (1) des jeweiligen Motors abgewandten Ende mit je einem Kegelzahnrad (86) versehen und entlang von Diagonalen eines Vierecks aufeinander zu verlaufend so angeordnet sind, dass die vier Kegelzahnräder (86) in ein gemeinsames Kegelzahnrad (82) eingreifbar sind, das auf einer im Wesentlichen parallel zu den Symmetrieachsen (59) der vier Zylindergehäuse (1) verlaufenden Welle (83) angeordnet ist, die Abtriebswelle des Vierzylinder-Verbrennungsmotors ist.
Verbrennungsmotor zusammengesetzt aus mindestens zwei Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrieachsen (59) der Zylindergehäuse der mindestens zwei Verbrennungsmotoren parallel zueinander und in einer Ebene angeordnet sind, und dass
die Aufnahmeräder (9) zweier benachbarter Verbrennungsmotoren miteinander verbunden sind und/oder die Verbindungsräder (13) zweier benachbarter Verbrennungsmotoren miteinander verbunden sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass
an einem ersten Zylindergehäuse ein erstes Aufnahmerad und ein erstes und ein zweites Schwungtreibrad vorhanden sind, dass

an einem letzten Zylindergehäuse ein zweites Aufnahmerad und ein drittes und ein viertes Schwungtreibrad vorhanden sind, und dass

diese beiden Aufnahmeräder die einzigen Aufnahmeräder und diese vier Schwungtreibräder die einzigen Schwungtreibräder des Verbrennungsmotors sind.