CH667131A5

CH667131A5 - Vorrichtung zum antreiben einer abtriebswelle.

Info

Publication number: CH667131A5
Application number: CH1195/85A
Authority: CH
Inventors: Arthur Schoenholzer
Original assignee: Arthur Schoenholzer
Priority date: 1985-03-18
Filing date: 1985-03-18
Publication date: 1988-09-15
Also published as: US4788952A; EP0217813B1; AU5457686A; EP0217813A1; WO1986005545A1; JPS62502274A; JPH0335499B2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben einer Abtriebswelle mittels eines Kolbens und zwischengeschalteter Getriebeteile.

Allgemein bekannt sind die sogenannten Otto-Motoren. Dort wird eine Kurbel- bzw. Nockenwelle über mehrere Kolben angetrieben, deren Kolbenbewegung radial zur Wellenachse verläuft. Nachteilig hat sich hier herausgestellt, dass einmal um eine bestimmte Leistung des Motors zu erreichen mehrere Kolben vorgesehen sein müssen, wobei jeder Kolben seinen eigenen Zylinder, seine eigenen Ein- und Auslässe und auch seine eigene Zündanlage besitzt. Zum anderen ist die Kraftübertragung in radialer Richtung auf eine Nokkenwelle immer verbesserungsbedürftig. Die Otto-Motoren sind als Hubkolbenmaschinen oder Kreiselkolbenmotoren ausgebildet und arbeiten im Viertakt- oder Zweitaktverfahren. Das Viertaktverfahren umfasst das Ansaugen, Verdichten, Zünden und Verbrennen, sowie Ausschieben.

Des weiteren ist der Kreiskolbenmotor bekannt, dessen Kolben eine stetig kreisende Bewegung ausführt. Als Ausführungsform sei hier der Wankelmotor erwähnt, bei dem ein in einem trochoidenförmigen Gehäuse exzentrisch gelagerter Drehkolben, der die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat, umläuft, indem er sich um einen Mittelpunkt dreht, der selber gleichzeitig eine Drehbewegung ausführt. Der Arbeitsvorgang nach dem Viertaktverfahren findet in den zwischen Drehkolben und Gehäusewand liegenden Arbeitsräumen statt, die sich vergrössern und verkleinern und mit Hilfe von Ein- und Auslassschlitzen in der Gehäusewand, die vom Drehkolben gesteuert werden, den Ladungswechsel durchführen, also ansaugen, verdichten, expandieren und ausschieben. Die Vorteile des Kreiskolbenmotors gegenüber dem Hubkolbenmotor liegen insbesondere in der geringeren Anzahl von Bauteilen, im Wegfall von hin- und hergehenden Massen, im Wegfall von Ventilantrieb, geringere Baugrösse und geringeres Gewicht. Andererseits sind sie jedoch mit erheblichen Herstellungskosten und einer aufwendigen Abdichtung belastet, weisen einen ungünstigen Brennraum mit hohen Wärmeverlusten auf und haben insbesondere einen hohen Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und HC im Abgas.

Der Erfinder hat sich zum Ziel gesetzt, ein neues Antriebsaggregat zu entwickeln, welches mit einer geringen Anzahl an Bauteilen arbeitet und dennoch einen sehr hohen Wirkungsgrad hat, leicht und kompakt ist, und ohne Nocken-

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und Kurbelwelle auskommt. Insbesondere soll auch die Oberflächenreibung für den Kolben verringert werden, dagegen die Arbeitstakte vervielfacht.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass der Kolben aus zwei Kolbenteilen besteht, welche miteinander Verbrennungskammern bilden. Beide Kolbenteile drehen um eine gemeinsame Achse, wobei die Weite der Verbrennungskammern veränderbar ist.

Hierzu hat sich am wirkungsvollsten die Ausbildung eines Kolbenteils als Zylinderabschnitt mit einem Segmentausschnitt erwiesen, in den der zweite Kolbenteil als Segmentabschnitt eingesetzt ist, wobei der Winkel des Segmentausschnitts grösser ist als der Winkel des Segmentabschnitts. Durch diese Winkelunterschiede wird die Weite der Verbrennungskammer bestimmt, wodurch ebenfalls selbstverständlich die Leistung des Motors verändert werden kann. Beim Umlaufen der beiden Kolbenteile um 360° soll ebenfalls ein Viertakt durchgeführt werden, nähmlich Ansaugen, Verdichten, Zünden, Ausstossen. Bevorzugt ist dieser Viertakt, zumindest zweimal je Drehung um 360° vorgesehen, jedoch ist eine Erhöhung denkbar und liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

Bevorzugt sollen die Kolbenteile so geformt sein, dass sie nacheinander zumindest einen Zylinderabschnitt und einen Segmentabschnitt aufweisen. Selbstverständlich kann diese Anordnung auch vervielfacht werden. Jedem Zylinder- bzw. Segmentabschnitt ist dann ein Zylinder- bzw. Segmentabschnitt des anderen Kolbenteils zugeordnet. Auf diese Weise entsteht ein Kolben, welcher ein prismaartiges Aussehen hat.

Für die Kraftübertragung soll jeder Kolbenteil mit einem Planetenzahnrad verbunden sein, welches wiederum eine kraftschlüssige Verbindung mit einem Sonnenrad eingeht, das an den Läufer gekoppelt ist. Dies ist ein weiterer entscheidender Punkt der Erfindung, da hier die übliche Kurbelwelle entfällt. Das Planetengetriebe ist bereits eine Stufe des Getriebes selbst. Deswegen kann die ganze Antriebseinheit sehr kompakt gebaut werden.

Die Konstruktionsteile sind sehr einfach gestaltet, in der Mehrheit zylinderförmig. Der Lauf des Motors ist turbinenartig und vibrationsarm, die Kolbengeschwindigkeit relativ gering, Dichtungsprobleme treten keine auf. Insgesamt lässt der Motor eine hohe Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit erwarten.

Infolge der minimalen Reibungsflächen und des Leistungsgewichtes wird der Motor auch in den Bereich der Hochleistungstriebwerke Zugang finden, wie zum Beispiel der Renn- und Flugtriebwerke. Auch so ausgestaltete Dieselmotoren sind denkbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung, diese zeigt in

Figur 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsge-mässen Antrieb ;

Figur 2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Kolbenteils;

Figur 3 eine Draufsicht auf den Kolbenteil nach Figur 2;

Figur 4 eine perspektivische Ansicht des Kolbenteils nach Figur 2;

Figur 5 einen Querschnitt durch einen zusammengesetzten Kolben aus zwei Kolbenteilen;

Figur 6 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des erfindungsgemässen Antriebs.

Nach Figur 1 sind, hier nur schematisch, jedoch in den Figuren 2 bis 6 näher gezeigte, Kolbenteil 1 und 2 einer Antriebseinheit R von einem zylindrischen Gehäuseteil 3

umfangen. Dieses Gehäuseteil 3 ist einerseits von einer Stirnplatte 4 mittels Befestigungselemente 5 verschlossen, welche mittig eine Rundbohrung 6 zur Aufnahme eines Lagers 7 aufweist. In diesem Lager 7 dreht ein axialer Zapfen 8 einer Scheibe 9, welche mittels Schrauben 10 fest mit dem einen Kolbenteil 2 verbunden ist. Den anderen Kolbenteil 1 berührt die Scheibe 9 nicht; hier durchsetzt lediglich ein Anschlagbolzen 11 ein Langloch 12, um eine axiale Bewegung von Kolbenteil 1 gegenüber Kolbenteil 2 zuzulassen.

Gegenüber der Scheibe 9 ist der Kolbenteil 1 mit einer Drehscheibe 14 fest verbunden, welche jedoch den Kolbenteil 2 nicht berührt. Die Verbindung zwischen Drehscheibe 14 und Kolbenteil 1 wird über ein Kniehebelelement 15 bewirkt, welchem andernends exzentrisch ein Zahnrad 16 aufgesetzt ist. Auch der Kolbenteil 2 ist über ein Kniehebelelement 17 exzentrisch mit einem Zahnrad 18 verbunden, wobei in der Drehscheibe 14 eine Ausnehmung 19 eine Bewegungsfreiheit des Kniehebelelements 17 zulässt. Beide Zahnräder 16 und 18 stehen mit einer Innenzahnung 38 eines mit dem Gehäuseteil 3 fest verbundenen Ringes 39 in Eingriff und umlaufen zugleich ein Sonnenrad 20, welches mit einer Abtriebswelle 21 verbunden ist, so dass letztendlich diese Abtriebswelle 21 mit dem aus den beiden Zahnrädern 16,18 gebildeten Planetensatz eine kraftschlüssige Verbindung eingeht. Diese Kraftschlüssigkeit der Innenzahnung 38 mit den Zahnrädern 16,18 und dem Sonnenrad 20 bewirkt den geregelten Umlauf der Kolbeneinheit 1 und 2 zwangsläufig und steuert sinngemäss die vier Takte Ansaugen, Verdichten, Zünden, Ausstossen während einer Umdrehung von 360°. Dementsprechend ist auch das Verhältnis dieser Teile zueinander von grosser konstruktiver Bedeutung.

Die Abtriebswelle 21 dreht axial in einem Lager 22 in der Drehscheibe 14. Weitere Lager 23 und 24 für den Läufer 21 und Zahnradachsen 25 sind in einer Drehscheibe 26 vorgesehen, welche in einem Hauptlager 27 angeordnet ist, das die Drehscheibe 26 gegenüber einer weiteren Gehäuseschale 28 abstützt. Diese Gehäuseschale 28 ist einerseits mit dem Gehäuseteil 3 verschraubt, andererseits von einer Endplatte 30 abgedeckt, welche ein weiteres Drehlager 29 für die Abtriebs welle 21 enthält. Ausserdem durchsetzt die Endplatte 30 eine Kurbel 31 in weiteren Lagern 32 und 33, welche mit einem Zahnrad 34 eine Antriebsscheibe 35 kämmt.

In dem Gehäuseteil 3 sind im übrigen vier Gewindebohrungen 36 zum Einsetzen von Zündkerzen und je zwei gestrichelt angedeuteten Ein- und Auslassschlitze 37 vorgesehen.

Jedes Kolbenteil 1 und 2 besteht, wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt, aus einem Zylinderabschnitt 40, mit einem Seg-mentausschnitt 41 und einem angesetzten oder angeformten Segmentabschnitt 42. Ein Winkel w des Segmentausschnitts 41 ist grösser als ein Winkel v des Segmentabschnitts 42 um die gemeinsame Kolbenachse A. Das Verhältnis der Winkel w und v zueinander bestimmt mit die Leistung des Antriebs, da ein fertiger Kolben aus zwei spiegelbildlich angeordneten Kolbenteilen 1 und 2 besteht und so vier Verbrennungskammern 43 gebildet sind, von denen in Figur 5 nur zwei angedeutet werden. Je grösser der Unterschied zwischen beiden Winkeln w und v ist, um so grösser ist auch die Verbrennungskammer 43 bzw. der Öffnungswinkel z.

Im übrigen zeigt Figur 5 eine Modifikation eines Kolbens, bei welchem im Zylinderabschnitt 40 am Grunde des Segmentausschnitts 41 eine Rinne 44 eingeformt ist, in welcher der Segmentabschnitt 42 mit einem Wulstkeder 45 ruht. Dem Wulstkeder 45 ist eine Scheitelnut 46 eingeformt, welche eine nicht gezeigte Dichtungsleiste aufnehmen kann, deren Funktionen einem bekannten Kolbenring ähneln.

Figur 6 zeigt nun die Arbeitsweise des Kolbens eines Vierkammerläufers, wobei nur das Zusammenspiel eines Zylinderabschnitts 40 mit einem Segmentabschnitt 42 darge-

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stellt ist. Insgesamt sind für den ganzen Kolben betrachtet Kammer 43a den Auslass 50 passiert. In der V. Position jedes nachfolgend beschriebene Element doppelt vorhanden. erfolgt eine Zündung der Kammer 43a, während die Bei einer Dehnung um 360° sind für jede Verbrennungs- Kammer 43b am Auslass 49 vorbeiläuft. Und schliesslich kammer zwei Arbeitstakte (Verdichtungs- und Explosions- steht die Kammer 43a auf Auslass 49, wenn die Kammer 43b takte) vorgesehen, wobei die Zündlage mit 48 angedeutet ist. 5 wieder ansaugt. Die nächste Position ist wieder die I. Posilm Rahmen der Erfindung liegt aber auch, die Zündkerzen tion. Damit ist eine Drehung um 360° vollzogen, die entspre-an einer Innenfläche im Segmentausschnitt 41, das heisst in chend notwendigen Veränderungen der Kammern 43a bzw. der Verbrennungskammer 43 anzuordnen, wodurch die Ver- 43b werden insbesondere von der Zündung und von der brennung, allerdings auf Kosten einer guten Zugänglichkeit Bewegung der Zahnräder 16 und 18 durchgeführt.

zu den Zündkerzen, verbessert wird. io Insgesamt werden pro Umdrehung zweiunddreissig Takte

Weiterhin sind sich jeweils gegenüberliegend Auslässe 49 geleistet, wovon acht Arbeitstakte sind. Dies sind sechs sowie Einlässe 50 vorgesehen. Arbeitstakte mehr als bei einem bekannten Otto- oder Wan-

Die I. Stellung nach Figur 6 zeigt, dass in die eine Verbren- kelmotor bei wesentlich geringerer Oberflächenreibung, da nungskammer 43a Kraftstoff eingesaugt wird, während bei ein entsprechender Otto- oder Wankelmotor eine etwa 40 bis der anderen 43b gerade die Zündung erfolgt. Hierdurch wird is 50% grössere Kolbenfläche aufweisen müsste. Die Kolbenge-

die Kammer 43b geöffnet, dagegen die Kammer 43a ver- schwindigkeit ist wesentlich tiefer als bei den bisher dichtet, während die Kolbendrehbewegung um die Achse A bekannten Motoren und zwar etwa um 20 bis 30%. Maximal beschleunigt wird. Beide Kammern gelangen in die II. Posi- wird eine Kolbengeschwindigkeit von 8 bis 10 m/sec not-

tion. Die Brenngase können aus der Kammer 43b in den Aus- wendig sein.

lass 49 entfernt werden, gleichzeitig erfolgt die Zündung in 20 Der Ein- und Auslass erfolgt zwangsläufig durch die der Kammer 43a. Die Gase aus dieser Zündung werden wie- Rotordrehung mit hoher Ansaug- und Spülleistung. Dort derum aus der Kammer 43a durch den nachfolgenden Aus- sind keine beweglichen Teile, wie Ventile, vorhanden, welche lass entfernt, wobei neuer Brennstoff in die Kammer 43b ein- gewartet werden müssen.

gesaugt wird, wie dies die III. Position zeigt. In der IV. Posi- Die ganze Antriebseinheit kann in entsprechenden Hohl-

tion wird die Kammer 43b wieder gezündet, während die 25 räumen mit Wasser oder Öl gekühlt werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

667 131 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Antreiben einer Antriebswelle mittels eines Kolbens und zwischengeschalteter Getriebeteile, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus zwei Kolbenteilen (1,2) besteht, welche miteinander Verbrennungskammern (43) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kolbenteile (1,2) um eine Achse (A) drehen und die Weite der Verbrennungskammern (43) veränderbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenteil (1) einen Zylinderabschnitt (40) mit einem Segmentausschnitt (41) aufweist, in den der zweite Kolbenteil (2) als Segmentabschnitt (42) eingesetzt ist, wobei der Winkel (w) des Segmentausschnitts (41) grösser ist, als der Winkel (v) des Segmentabschnitts (42).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Grund des Segmentausschnitts (41) eine Rinne (44) eingeformt ist, in welcher der Segmentabschnitt (42) mit einem Wulstkeder (45) ruht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wulstkeder (45) eine Scheitelnut (46) aufweist, welche eine Dichtungsleiste aufnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in einem Gehäuseteil (3) dreht, welches zumindest einen Auslass (49) für Verbrennungsgas und zumindest einen Einlass (50) für den Verbrennungsstoff aufweist.

7. Vorrichtu ng nach Anspruch 6, dadurch gekenn-zeichnet, dass einer Innenfläche eines Segmentausschnitts (41 ) oder einer Aussenfläche eines Segmentabschnitts (42), welche zusammen die Verbrennungskammer (43) mit einem Winkel (z) bilden, eine Zündeinrichtung zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseteil (3) zumindest eine Zündanlage (48) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich je zwei Zündanlagen (48), zwei Auslässe (49) und zwei Einlässe (50) gegenüberliegen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel (w, v) und die Anordnung der Zündanlage (48), der Auslässe (49) und der Einlässe (50) so gewählt sind, dass die eine Verbrennungskammer (43b) gezündet wird, wenn die andere mit dem Einlass (50) verbunden ist, dass in der folgenden Position die Kammer (43b) an den Auslass (49) anschliesst, während die andere Kammer (43a) gezündet wird, und dass in der weiteren Position dann die eine Kammer (43b) auf Einlass (50) und die andere (43a) auf Auslass steht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Positionen zumindest zweimal während einer Drehung des Kolbens um 360° erreichbar sind.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinderabschnitt (40) mit zumindest einem Segmentabschnitt (42) verbunden ist, denen jeweils entsprechend ein Kolbenteil mit zumindest einem Segmentabschnitt (42) und einem Zylinderabschnitt (40) zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kolbenteil (1,2) mit einem Planetenzahnrad (16,18) verbunden ist, welche wiederum eine kraftschlüssige Verbindung mit einer Innenzahnung (38) eines Gehäuseringes (39) und einem Sonnenrad (20) eingehen, das an die Abtriebswelle (21) gekoppelt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Kolbenteilen (1,2)

und Planetenzahnrad (16,18) über Kniehebelelemente (15, 17) geschieht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder mit Zahnradachsen (25) in Lager (24) ruhen, welche Teile einer Drehscheibe (26)

sind", die in einem Hauptlager (27) zwischen einer Gehäuseschale (28) und ihr dreht und von der Abtriebswelle (21) in einem weiteren Lager (23) durchsetzt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (21) zumindest zum Starten über eine Kurbel (31) und ein eine Antriebsscheibe (35) kämmendes Zahnrad (34) drehbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenteile (1,2) jeweils stirnseitig von Scheiben (9,14) abgedeckt sind, welche mit einem Kolbenteil fest verbunden, mit dem anderen jedoch berührungslos sind, jedoch ein Langloch (12) bzw. eine Ausnehmung (19) aufweisen, um eine Relativbewegung beider Kolbenteile (1,2) zueinander zu gestatten.