DE102012217045B3

DE102012217045B3 - Zweitakt-Schrägscheibenmotor

Info

Publication number: DE102012217045B3
Application number: DE201210217045
Authority: DE
Inventors: Nikolaj Pavlovich Toskin
Original assignee: FORMTECH TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: FORMTECH TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-09-22

Abstract

Zweitakt-Schrägscheibenmotor mit einem Gehäuse, einer Abtriebswelle mit einer damit verbundenen Schrägscheibe, wenigstens einem Zylinder, wobei der Zylinder wenigstens einen Brennraum aufweist, und mit wenigstens einem Kolben, der in dem jeweiligen Zylinder angeordnet ist, und sich in diesem reziprok im Wesentlichen parallel zur Abtriebswelle bewegt, einer Kolbenstange, zum Übertragen der im Brennraum erzeugten Antriebskraft vom Kolben auf die Schrägscheibe, wobei der Kolben als Hohlkolben ausgebildet ist, und der Kolben mit der Außenseite den Brennraum zumindest abschnittsweise begrenzt und mit der Innenseite den Ansaugraum zumindest abschnittsweise begrenzt, und im Bereich des Ansaugraumes der Zylinder wenigstens einen zeitweiligen Einlass aufweist, und einen Überströmkanal, der den Ansaugraum und den Brennraum zumindest zeitweilig verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweitakt-Schrägscheibenmotor mit einem Gehäuse, einer Abtriebswelle mit einer damit verbundenen Schrägscheibe, wenigstens einem Zylinder, wobei der Zylinder wenigstens einen Brennraum aufweist, und mit wenigstens einem Kolben, der in dem jeweiligen Zylinder angeordnet ist, und sich in diesem reziprok im Wesentlichen parallel zur Abtriebswelle bewegt, einer Kolbenstange, zum Übertragen der im Brennraum erzeugten Antriebskraft vom Kolben auf die Schrägscheibe, wobei der Kolben als Hohlkolben ausgebildet ist, und der Kolben mit der Außenseite den Brennraum zumindest abschnittsweise begrenzt und mit der Innenseite den Ansaugraum zumindest abschnittsweise begrenzt, und im Bereich des Ansaugraumes der Zylinder wenigstens einen zeitweiligen Einlass aufweist, und einen Überströmkanal, der den Ansaugraum und den Brennraum zumindest zeitweilig verbindet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Zweitakt-Schrägscheibenmotors.
Zweitakt-Schrägscheibenmotoren sind im Stand der Technik bekannt. Die EP 2 423 484 A1 zeigt einen Schrägscheibenmotor, bei dem eine an der Abtriebswelle vorgesehene Schrägscheibe durch zwei Kolben mittels Kolbenstangen angetrieben wird. Dabei sind die Kolben radial um die Abtriebswelle verteilt angeordnet. Die Zylinder weisen eine Brennkammer auf, die über Überströmkanäle mit einem Vorverdichtungsraum unter dem Kolben verbunden sind, wenn der Kolben von seinem oberen in den unteren Totpunkt bewegt wird. Der Kolben weist eine Überströmöffnung in der Kolbenwand auf, die mit dem Überströmkanal im Zylinder in Überdeckung kommt, so dass beide miteinander kommunizieren. Dadurch wird das zuvor angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch beim Verfahren des Kolbens vom oberen in den unteren Totpunkt zunächst unter dem Kolben verdichtet und anschließend durch die Überströmöffnung und den Überströmkanal in den Brennraum gepresst.
Das Ansaugen findet statt, wenn der Kolben vom unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt bewegt wird. Dadurch entsteht im Ansaugraum, innerhalb des als Hohlkolben ausgebildeten Kolbens ein Unterdruck, durch den das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Ansaugraum gesaugt wird, wenn die Einlassöffnung frei liegt. Der Einlass wird durch die erneute Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt wieder verschlossen, wodurch anschließend die Komprimierung erfolgt.
Das Einströmen kann demnach nur in der Zeitspanne zwischen der Freigabe des Einlasses bei der Kolbenbewegung vom unteren in den oberen Totpunkt und dem Verschließen bei der Kolbenbewegung vom oberen in den unteren Totpunkt erfolgen. Dadurch ist das Befüllen des Zylinders zeitlich begrenzt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zweitakt-Schrägscheibenmotor zur Verfügung zu stellen, welcher über eine längere Einströmphase verfügt und dadurch eine bessere Versorgung des Zylinders ermöglicht. Hierdurch kann die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und die Leistungsabgabe des Zylinders verbessert und gesteigert werden. In Folge wird die Drehmomentabgabe des Motors gleichmäßiger und die Belastung der gesamten Konstruktion durch zu- und abnehmende Kräfte kann reduziert werden, wodurch die Lebensdauer verlängert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach Anspruch 1, wobei der Einlass im Zylinder unabhängig von der Kolbenstellung verschließbar ist. Dadurch können der Arbeitstakt des Kolbens und der Einlasstakt des Luft-Kraftstoff-Gemisches voneinander abweichen und das Ansaugen kann je nach Betriebszustand, also etwa abhängig von der anliegenden Last und der Drehzahl variabel gestartet und gestoppt werden. Hierdurch können Strömungsverluste weiter reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausbildung ist der Einlass durch ein Ventil verschließbar. Dadurch kann je nach verwendetem Ventil eine kurze Ansprechzeit des Einlasses erreicht werden. Gerade bei höheren Drehzahlen laufen die Ladungswechsel des Motors, bestehend aus Ansaugen des Luft-Kraftstoff-Gemisches, Vorverdichten unter dem Kolben, Überleiten in den Brennraum, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen des verbrannten Gemisches, innerhalb sehr kurzer Zeitspannen ab. Durch die Verwendung eines Ventils kann die Funktion des Einlasses sichergestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Einlass gegenüberliegend zu einer Nabe der Kolbenstange angebracht, und der Kolben bewegt sich zeitweilig in den Bereich zwischen dem Einlass und der Nabe. Durch die Ausführung des Kolbens als Hohlkolben kann der Bereich im Inneren des Kolbens zur Vorverdichtung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verwendet werden. Zu diesem Zweck ist die Nabe der Kolbenstange derart gestaltet, dass diese in den Innenraum des Kolbens dicht eintauchen kann, wenn sich der Kolben vom oberen in den dem unteren Totpunkt bewegt. Hierdurch kann eine Vorkomprimierung des Gemisches erfolgen. Der Einlass ist gegenüber der Nabe, am Außenumfang des Zylinders angebracht. Durch die Anbringung des Einlasses am unteren Ende des Zylinders kann das maximale Ansaugvolumen unter dem Zylinder vergrößert werden. Dadurch wird auch der Füllgrad des Brennraums weiter erhöht und die Leistung des Motors, bei gleicher Baugröße, wird gesteigert.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Ventil ein Rückschlagventil. Dadurch kann das Ventil exakt verhindern, dass nach der Umkehrbewegung des Kolbens und der Bewegung vom oberen zum unteren Totpunkt das zuvor angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch aus dem Zylinder gedrückt wird. Im Stand der Technik muss der Einlass durch die Kolbenwand verschlossen werden, bevor eine Vorkomprimierung erfolgen kann. Durch das Rückschlagventil ist sichergestellt, dass auch vor dem Verschließen des Einlasses durch den Kolben eine Vorkomprimierung durchgeführt wird. Dadurch wird das Ansaugvolumen optimal ausgenutzt und die Verluste innerhalb des Motors können weiter reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil druckgesteuert. Durch die Drucksteuerung kann der Einlass abhängig vom anliegenden Druck verschlossen werden. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens nimmt auch bei noch offenem Einlass der Druck des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu, so dass bei Erreichen eines bestimmten Druckniveaus das Ventil automatisch verschlossen wird. Durch das Verändern des Schließdruckes des Ventils ist es möglich das Volumen zu regeln, welches vorkomprimiert wird, um Anpassungen an die Betriebsparameter des Motors optimal vornehmen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Ventil durch eine Steuerung kontrolliert. Dadurch ist der Einlass geregelt öffen- und schließbar. Somit kann völlig unabhängig von der Kolbenstellung die Füllmenge des Luft-Kraftstoff-Gemisches geregelt werden. Durch die Steuerung ist eine Regelung realisierbar, welche die anliegende Last oder etwa die Drehzahl berücksichtigt, um den Einlass zu steuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kolbenstange über ein Kupplungsteil mit der Schrägscheibe verbunden. Dadurch kann die axial gerichtete Kraft der Kolbenstange auf die Schrägscheibe geleitet werden. Die Schrägscheibe weist dafür elliptische Laufbahnen zur Abstützung des Kupplungsteils auf und die Laufbahnen sind senkrecht zur Rotationsachse der Schrägscheibe ausgerichtet. Die Laufbahnen weisen im Wesentlichen eine Rinnenform auf, bevorzugt eine im Querschnitt gesehene Kreissegmentform. Durch die senkrechte Ausrichtung kann die Krafteinleitung von der Kolbenstange in die Schrägscheibe erfolgen, ohne Querkräfte zu erzeugen. Die Rinnenform dient dem Spurhalten des Kupplungsteils auf der Schrägscheibe beim Umlaufen. Durch die Querschnittsform in Gestalt einer Rinne oder eines Kreissegments kann das Kupplungsteil stets mittig in der Spur gehalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umgreift das Kupplungsteil die Schrägscheibe und weist Wälzkörper auf, die zwischen dem Kupplungsteil und der Schrägscheibe in den Laufbahnen gelagert sind, wobei die Wälzkörper mit Kompensatorfedern abgestützt sind und die Wälzkörper einen kleineren Radius aufweisen als die Laufbahnen, wobei der Radius der Wälzkörper bevorzugt um wenigstens einen Prozent kleiner ist. Durch das Umgreifen der Schrägscheibe ist eine optimale Abstützung der Kolbenstangen gegeben. Bei der Lagerung der Wälzkörper in den rinnenförmigen Laufbahnen ist gleichzeitig ein dauerhaftes Spurhalten ermöglicht. Mit Hilfe der Kompensatorfedern können Abmessungsschwankungen aufgrund von Wärmedehnung, Verschleiß oder Verschmutzung ausgeglichen werden und die Lärmerzeugung im Betrieb wird verringert. Da die Wälzkörper einen kleineren Radius aufweisen, kann ein Verformen durch den Betrieb, wie etwa durch Wärmeeinwirkung, Verschleiß, oder durch auftretende Kräfte, nicht zu einem Ausfall oder zu erhöhtem Verschleiß führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kupplungsteil mit einer Kulissenführung, bevorzugt mit einer Kreuzkopfführung im Gehäuse verschieblich gelagert. Durch die Kulissenführung ist gewährleistet, dass im Betrieb auftretende Querkräfte in das Motorgehäuse geleitet werden. Dadurch ist das Kupplungsteil am Übergang zur Schrägscheibe ausschließlich mit Kräften beaufschlagt, die senkrecht zur Laufbahn ausgerichtet sind. Mit der senkrechten Kraftübertragung kann der Verschleiß an der Lagerstelle, besonders an den Flanken reduziert werden, wodurch sich das Betriebsgeräusch reduziert und die Lebensdauer verlängert.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Abtriebswelle radial und axial im Gehäuse gelagert, bevorzugt mittels Radial- und Axiallagern, wobei die Radiallager in axialer Richtung der Abtriebsachse von der Schrägscheibe ausgehend weiter außen vorgesehen sind als die Axiallager. Mit einer weiter zueinander beabstandeten Position der Radiallager können die auftretenden Radialkräfte bei gleichzeitiger genauer Lagerung abgeleitet werden. Durch die Abstützung kann die Abtriebswelle sehr genau gelagert werden, wobei nur ein geringes radiales Spiel der Welle sichergestellt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Abstand der Kontaktpunkte der Wälzkörper mit der Schrägscheibe derart durch die Dicke der Schrägscheibe eingestellt, dass der in axialer Richtung gemessene Abstand der Wälzkörper zueinander konstant ist. Durch diese Ausbildung ist der Bewegungsablauf der Wälzkörper, welche durch die Kompensatorfedern in die Laufbahnen gedrückt werden, während der Rotation der Schrägscheibe gleichmäßig. Die Laufbahnen und die Wälzkörper erfahren dadurch nur geringe Schwankungen der Kontaktspannung an ihren berührenden Oberflächen, wodurch der Verschleiß verringert und das Betriebsgeräusch reduziert wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Zweitaktmotor nach einem Verfahren betrieben, bei dem der Kolben im unteren Totpunkt den Einlass mit einem Bereich der Kolbenwand ververschließt, beim Bewegen vom unteren in den oberen Totpunkt durch die Hubbewegung ein Luft-Kraftstoff-Gemisch ansaugt, und unabhängig von der Kolbenstellung zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt der Einlass verschlossen wird, wobei der Kolben oberhalb des Einlasses ist, und durch die Bewegung vom oberen in den unteren Totpunkt das angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert und durch den Überströmkanal das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum strömt. Durch das Verfahren kann der Zweitaktmotor vorteilhaft an die Betriebsparameter angepasst werden. Durch das unabhängige Verschließen des Einlasses ist ein Rückströmen des Luft-Kraftstoff-Gemisches ausgeschlossen. Im Stand der Technik wird der Einlass von der Kolbenwand verschlossen, wenn der Kolben sich in den unteren Totpunkt bewegt. Konstruktiv wird der Einlass daher derart vorgesehen, dass dieser möglichst früh freigegeben wird, jedoch auch früh wieder verschlossen wird, da der Kolben ab dem Erreichen des oberen Totpunkts bis zum Verschließen des Einlasses das angesaugte Volumen wieder teilweise hinausdrückt. Durch das vorliegende Verfahren ist damit eine Vergrößerung des angesaugten Volumens ermöglicht. Des Weiteren kann dadurch die Position des Einlasses im Zylindergehäuse verändert und weiter in Richtung des unteren Totpunkts, bevorzugt an das untere Ende des Zylinders gelegt werden. Dadurch kann das Ansaugvolumen unter dem Kolben noch weiter vergrößert und eine Leistungssteigerung bei gleicher Baugröße erzielt werden.
Weiterhin wird beispielhaft ein Zweitakt-Schrägscheibenmotor, der eine Abtriebswelle mit einer damit verbundenen Schrägscheibe aufweist, beschrieben. Die Schrägscheibe ist über wenigstens eine Kolbenstange mit einem Kolben verbunden und überträgt die Antriebskräfte vom Kolben auf die Abtriebswelle. Zwischen der Kolbenstange und der Schrägscheibe ist ein Kupplungsteil angebracht, das die Schrägscheibe umgreift und das mit Wälzkörpern auf der Schrägscheibe gelagert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform stimmt der Abstand zwischen den Laufbahnen der Schrägscheibe im Betrieb überein mit dem sich ändernden Abstand und Winkel der Kontaktpunkte der Wälzkörper zueinander. Hierdurch kann der Bewegungsablauf des Kupplungsteils optimiert werden. Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Motors rotiert die Schrägscheibe bei gleichzeitiger reziproker Bewegung des Kupplungsteils. Zusätzlich ändert sich je nach Stellung der Schrägscheibe ständig der Abstand der Wälzkörper zueinander, um den Winkelverlauf der Laufbahnen auszugleichen. Durch die Angleichung des Abstands zwischen den Laufbahnen kann die Ausgleichsbewegung minimiert werden. Dadurch sinken die Belastung und der Verschleiß der Wälzkörper und der Laufbahnen und das Betriebsgeräusch wird reduziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand der Laufbahnen auf der Schrägscheibe durch die Größe der Wälzkörper festgelegt nach der Formel L_pα = L₀ – 2[ r(1 – sinα) / sinα].
Dabei entspricht L_pα dem sich ändernden Abstand der Laufbahnen der Wälzlager in Abhängigkeit vom Winkel α der Laufbahn zur Achse der Abtriebswelle, L₀ dem maximalen Abstand der Laufbahnen bei einem Winkel von α mit 90°, r dem Radius der Wälzkörper und α dem Winkel der Laufbahnen zur Längsachse der Abtriebswelle bzw. zur Rotationsachse der Schrägscheibe. Durch die Formel ist sichergestellt, dass der Abstand der Wälzkörper parallel zur Achsrichtung der Abtriebswelle konstant gehalten wird. Dadurch kann die Belastung der Wälzkörper niedrig gehalten werden, wobei der Kontaktpunkt relativ zur Achse während einer Umdrehung der Schrägscheibe bewegt wird. Durch den angepassten Abstand der Laufbahnen kann zum einen die relative Bewegung des Kontaktpunktes der Wälzkörper begrenzt werden, zum anderen wird die Geometrie der Laufbahnen derart festgelegt, dass die Bewegung der Wälzkörper, die durch die Kompensatorfedern gegen die Schrägscheibe gedrückt werden, in achsparalleler Richtung nur gering ist, was zu einem geringeren Verschleiß führt und zu einer verlängerten Lebensdauer.
Im Folgenden werden Ausführungen der vorliegenden Anmeldung anhand der nachstehenden Figuren erläutert:
1 zeigt ein kinematisches Schema eines Längsschnitts eines Motors mit Wälzkörpern des hin- und hergehenden Kupplungsteils. In 1a ist ein Längsschnitt eines Verbrennungsmotors mit einseitiger Zylinderanordnung abgebildet.
2 zeigt eine Seitenansicht der 1 mit der Anordnung der Zylinder um die zentrale Abtriebswelle.
In 3 ist ein Längsschnitt durch den Anmeldungsgegenstand gezeigt mit einer Anordnung der Zylindergruppen auf beiden Seiten der Schrägscheibe.
4 zeigt ein zylindrisches Motorgehäuse mit der Anordnung der Führungsnuten und eine Seitenansicht auf das Motorgehäuse.
In 5 ist die Abtriebswelle gezeigt.
6 zeigt ein ringförmiges Lager des hin- und hergehenden Kupplungsteils in zwei Projektionen.
In 7 ist die Schrägscheibe in Draufsicht und in einer Seitenansicht gezeigt.
8 zeigt eine Kolbenstange in Draufsicht und in zwei Schnittansichten.
In 9 ist eine zusammengesetzte Kolbenstange in Draufsicht und zwei Schnittansichten gezeigt.
10 zeigt die Kompensatorfeder für das Kupplungsteil.
In 11 ist das hin- und hergehende Kupplungsteil in einer Draufsicht und in zwei Schnittansichten gezeigt.
12 zeigt den Arbeitsablauf einer linken Zylindergruppe.
13 zeigt den Arbeitsablauf einer rechten Zylindergruppe.
14 zeigt einen Längsschnitt des Motors mit hin- und hergehenden Kupplungsteilen mit den Wälzkörpern und der Anordnung auf der Schrägscheibe.
In 15 ist ein Kolbenscharnier in einer Draufsicht und in zwei Seitenansichten abgebildet.
16 zeigt den Kompressionskonzentrator unterhalb des Kolbens des Motors, welcher die Nabe für die Kolbenstange ist.
In 17 ist das Schema der Abhängigkeit der Breite der Schrägscheibe von der Größe der Radien der Wälzkörper und vom Neigungswinkel der Laufbahnen des Rotors gegenüber den Längsachsen der Kolbenstangen abgebildet.
Der Motorblock stützt oder enthält sämtliche Komponenten des Antriebs (siehe 1, 1a, 2, 3). Innerhalb sind die Komponenten der Schrägscheibe 11, der Kolbenstange 6, 7 und des Kupplungsteils 8 untergebracht. Der Motorblock weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf, das an den Stirnseiten durch die Deckel 1, 3 abgeschlossen ist. Auf den Stirnseiten der Deckel 1, 3 sind die Zylindergruppen 12, 13 angeordnet, sowie die Halterungen 37, 38 zum Befestigen des Antriebs. In den Deckeln 1, 3 sind die Lager 19, 20 der Abtriebswelle 10, sowie Buchsen 39, 40 als Naben der Kolbenstangen 6,7 und die Konzentratornabe 53 angebracht. Die Kolbenstangen 6, 7 dienen zur Verbindung der Kolben 4 der Zylindergruppen 12, 13, die entlang des Umfangs an den Stirnseiten 1, 3 des zylindrischen Gehäuses 2 angeordnet sind, und dienen der Kraftübertragung von den Kolben 4 über die Kolbenscharniere 35 (siehe 1, 8, 9), die Kupplungsteile 8 und die Wälzkörper 9 mit den elliptischen Laufbahnen 15, 16 zur Schrägscheibe 11. Die Abtriebswelle 10 (siehe 1, 3, 5) mit der Schrägscheibe 11 nimmt das erzeugte Drehmoment von den elliptischen Laufbahnen 15, 16 der Schrägscheibe 11 auf und überträgt es zu einem externen Antrieb und umgekehrt.
Die hin- und hergehenden Kupplungsteile 8 (siehe 1, 3, 11) halten die Wälzkörper der Lager 9 in Anlage an die Schrägscheibe 11 und an die Laufbahnen 15, 16 und übertragen die Kraft von den Kolbenstangen 6, 7 an die Lager oder umgekehrt. Die Kupplungsteile 8 sind im Gehäuse 2 des Motors angeordnet und kinematisch mit diesem durch Führungsnuten 41 verbunden. Durch die Lagerung der Kupplungsteile 8 in den Führungsnuten 41 werden seitliche Kräfte direkt in das Gehäuse 2 geleitet. Somit wird verhindert, dass die Kupplungsteile 8 an den Wälzkörpern der Lager 9 ein Drehmoment aufweisen und sich die Kupplungsteile 8 um die Achse der Kolbenstangen 6, 7 drehen. Durch die Ableitung von seitlichen Kräften wird auch die Einleitung von Querkräften in die Lagerstelle der Lager 9 verhindert.
Die Lager 9 (siehe 1, 3 und 6) sind für die Übertragung der Belastungen vorgesehen, die im Prozess des Anlassens und des Betriebs des Motors zwischen den hin- und hergehenden Kupplungsteilen 8 und den elliptischen Laufbahnen 15, 16 der Schrägscheibe 11 auftreten.
Die Kompensatorfedern 42 (siehe 9, 10) dienen als Kompensatoren von thermisch bedingten Längenänderungen, die beim Arbeitsprozess zwischen den Lagern 9 und den elliptischen Bahnen 15, 16 der Schrägscheibe 11 auftreten. Die Kompensatorfedern 42 sind zwischen den Teilungsbereichen 43, 44 der Kolbenstangen 6, 7, 45 der Zylindergruppen 12, 13 angeordnet.
Die Kolbenscharniere 35 (siehe 1a, 15) gewährleisten eine flexible Verbindung der Kolben 4 mit den Kolbenstangen 6, 7, und begrenzen die Entstehung von Querkräften in den Kolbenstangen 6, 7 durch die Übertragung der Kräfte aus den Kolben 4. Dadurch erfolgt auch ein Ausgleich zwischen dem Kolben 4 und der Kolbenstange 6, 7, welcher besonders günstig Wärmedehnungen der Bauteile zueinander kompensiert, wodurch der Verschleiß an den Zylinderwänden reduziert wird.
Die Abtriebswelle 10 ist in den Deckeln 1, 3 jeweils über Radiallager 20 und über Axiallager 19 drehbar abgestützt. Dabei sind die Radiallager 20 von der Schrägscheibe 11 ausgehend in einem größeren Abstand vorgesehen als die Axiallager 19. Durch den großen Abstand kann die Steifigkeit der Abtriebswelle 10 maximiert werden.
Der Motor besteht u. a. aus Komponenten, welche die Gasverteilung des Luft-Kraftstoff-Gemisches regeln. Dafür weist jede Zylindergruppe 12, 13 Einlässe 21, 32 mit Einlasskanälen 28, 29 auf, durch die das noch unverbrannte und unkomprimierte Gemisch angesaugt wird. Der Einlass 21, 32 ist durch ein Ventil 51 verschließbar und befindet sich im Bereich unter dem Kolben 4, welcher durch die Kolbenwand abgedeckt ist, wenn sich der Kolben 4 im unteren Totpunkt befindet. Der Kolben 4 ist als Hohlkolben ausgebildet und weist eine Kolbenwand auf, die zusammen mit der Zylinderwand, dem Deckel 1, 3 mit den Naben 39, 40 und der Nabe 53 einen Vorverdichtungsraum begrenzt. In der Zylinderwand ist ein Überströmkanal 23, 31 ausgebildet, der durch die untere Überströmöffnung 54 im Vorverdichtungsraum und durch die obere Überströmöffnung 52 im Brennraum das Luft-Kraftstoff-Gemisch leitet. Der Kolben 4 weist eine Überströmöffnung 50 auf, die mit dem Überströmkanal 23, 31 kommuniziert, wenn der Kolben im Bereich des unteren Totpunktes ist. Durch den Auslass 22, 33 und den Auslasskanal 26, 30 wird das verbrannte Gemisch ausgestoßen, wobei der Auslass 22, 33 näher am unteren Totpunkt liegt als die obere Überströmöffnung 52 des Überströmkanals 23, 31.
Das Zündsystem muss die paarweise Zündung des komprimierten Brennstoffgemischs in den Zylindern 12, 13 in Übereinstimmung mit dem Arbeitsablauf des Motors gewährleisten: (1z – 1·z) – (2z – 2·z) – (3z – 3·z); (4z – 4·z), (siehe 1, 12, 13), wobei 1z die Nummer eines Zylinders der rechten Gruppe ist, und 1·z die Nummer eines Zylinders der linken Gruppe, analog 2z – 2·z usw. Das Schmiersystem der Kolbengruppen erfolgt nach dem Prinzip von Zweitaktkolbenmotoren aufgrund des Gemischs von Öl mit Benzin im Verhältnis 1:25. Kolbenstangen 6, 7, Lager 9 der hin- und hergehenden Kupplungsteile 8 und die Lager 19, 20 der Abtriebswelle 10 werden durch teilweises Eintauchen der Schrägscheibe 11 in Öl geschmiert. Bei der Rotation der Abtriebswelle 10 wird das Öl von der Schrägscheibe 11 innerhalb des zylindrischen Gehäuses 2 des Motors zerstäubt. Das Kühlsystem arbeitet mit Luft (siehe 1, 2) mit Hilfe von Flügelrädern 24, 25, die auf der Abtriebswelle 10 angeordnet sind.
Die Arbeitweise des Zweitaktmotors besteht aus Prozessen, welche gleichzeitig oberhalb des Kolbens im Brennraum und unterhalb des Kolbens im Vorverdichtungsraum stattfinden. Die Hauptprozesse in chronologischer Reihenfolge sind dabei das Ansaugen, das Vorverdichten, das Verdichten, das Verbrennen und das Ausstoßen.
Das Ansaugen wird gesteuert durch die die Schrägscheibe 11, die durch ihre Rotation über die Lager 9, das Kupplungsteil 8, die Kolbenstange 6, 7 den Kolben 4 in Richtung des oberen Totpunkts bewegt. Dadurch entsteht unter dem Kolben 4 ein Unterdruck und frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch das Einlassventil 51 in den Vorverdichtungsraum gesaugt.
Nach Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens 4 schließt das Ventil 51 den Einlass und die Abwärtsbewegung des Kolbens 4 in den unteren Totpunkt verdichtet gleichzeitig das Luft-Kraftstoff-Gemisch, wobei durch die Nabe 53 das Volumen unter dem Kolben 4 derart verkleinert ist, das ein hoher Vorverdichtungsdruck erreicht wird. Wenn die Überströmöffnung 50 im Kolben 4 mit dem Überströmkanal 23, 31 in Überdeckung kommt, wird dadurch das vorverdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum oberhalb des Kolbens 4 gepresst.
Bei der anschließenden Bewegung des Kolbens 4 in den oberen Totpunkt wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet und gezündet, wodurch die Verbrennungsgase den Kolben 4 wieder in Richtung des unteren Totpunktes drücken und die Kraft durch die Kolbenstange 6, 7 und das Kupplungsteil 8 mit den Lagern 9 auf die Schrägscheibe 11 übertragen wird und diese zur Rotation anregt. Gleichzeitig beginnt unter dem Kolben 4 ein neuer Zyklus indem unter dem Kolben 4 neues Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt wird.
Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 4 wird neues Gemisch in den Brennraum gedrückt, wobei kurzzeitig die obere Überströmöffnung 52 zusammen mit dem Auslass 22, 33 kommunizieren kann und damit durch das Einströmen in den Brennraum gleichzeitig das verbrannte Gemisch durch den Auslass gedrückt wird.
Die Prozesse laufen nacheinander in allen um die Abtriebswelle 10 angeordneten Zylindern ab, um eine gleichmäßige Belastung der Schrägscheibe 11 und eine gleichmäßige Drehmomentabgabe der Abtriebswelle 10 zu ermöglichen.
Mit dem Ventil 51 ist es somit möglich, das Ansaugvolumen relativ und absolut zu vergrößern. Die relative Vergrößerung ergibt sich durch den zeitlichen Gewinn, der entsteht, wenn der Einlass 21, 32 verschlossen wird, bevor die Kolbenwand den Einlass 21, 32 verschließt. Durch diesen Vorsprung kann das Gemisch bereits ab dem oberen Totpunkt des Kolbens 4 darin gehindert werden, wieder zurück in den Einlasskanal 28, 29 zu strömen, wodurch die verwendbare Gemischmenge vergrößert wird. Der absolute Volumengewinn ergibt sich daraus, dass der Einlass 21, 32 beliebig weit in Richtung des unteren Totpunktes verschoben werden kann. Der Einlass 21, 32 kann auch ganz an das Ende das Zylinders am unteren Totpunkt angebracht werden. Dadurch vergrößern sich das gesamte Ansaugvolumen und die Menge des angesaugten Luft-Kraftstoff-Gemisches, wodurch der Motor bei gleicher Baugröße eine größere Leistung aufweist.
Durch die Schrägscheibe 11, die einen veränderlichen Abstand zwischen den Laufbahnen 15, 16 aufweist, ist sichergestellt, dass bei den Laufbahnabschnitten, die senkrecht zur Abtriebswelle 10 verlaufen, der Abstand der Laufbahnen 15, 16 das Maximum beträgt. In den dazwischen liegenden Bereichen wird der Abstand dann verkleinert, um die parallel zur Abtriebswelle 10 gemessenen Abstände der Wälzkörper der Lager 9 konstant zu halten.
Bezugszeichenliste

1, 3: Deckel
2: Gehäuse
4: Kolben
5: Kolbenring
6,7: Kolbenstange
8: Kupplungsteil
9: Lager Kupplungsteil
10: Abtriebswelle
11: Schrägscheibe
12, 13: Zylindergruppe
14: Lagersitz
15, 16: Laufbahn
17: Achse Wälzkörper
18: Nabe Kolbenstange
19: Axiallager Abtriebswelle
20: Radiallager Abtriebswelle
21, 32: Einlass
22, 33: Auslass
23, 31: Überströmkanal
24, 25: Flügelrad
26, 30: Auslasskanal
27: Zündkerzen
28, 29: Einlasskanal
35: Kolbenscharnier
36: Entlüftung
37, 38: Halterung
39, 40: Nabe Kolbenstange
41: Führungsnut
42: Kompensatorfeder
43, 44: Teilungsbereich
45: Kolbenstange
46, 47: Nabe
48: Bohrung
49: Nabe Schrägscheibe
50: Überströmöffnung
51: Ventil
52: Obere Überströmöffnung
53: Konzentrator
54: Untere Überströmöffnung

Claims

Zweitakt-Schrägscheibenmotor mit einem Gehäuse (2), einer Abtriebswelle (10) mit einer damit verbundenen Schrägscheibe (11), wenigstens einem Zylinder (12, 13), wobei der Zylinder (12, 13) wenigstens einen Brennraum und einen Ansaugraum aufweist, und mit wenigstens einem Kolben (4), der in dem jeweiligen Zylinder (12, 13) angeordnet ist, und sich in diesem reziprok bewegt, einer Kolbenstange (6, 7), zum Übertragen der im Brennraum erzeugten Antriebskraft vom Kolben (4) auf die Schrägscheibe (11), wobei der Kolben (4) als Hohlkolben ausgebildet ist, und der Kolben (4) mit der Außenseite den Brennraum zumindest abschnittsweise begrenzt und mit der Innenseite den Ansaugraum zumindest abschnittsweise begrenzt, und wobei der Zylinder (12, 13) im Bereich des Ansaugraumes wenigstens einen zeitweilig verschließbaren Einlass (21, 32) aufweist, und einen Überströmkanal (23, 31), durch den der Ansaugraum und der Brennraum zumindest zeitweilig verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (21, 32) unabhängig von der Kolbenstellung im Zylinder (12, 13) verschließbar ist.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (21, 32) durch ein Ventil (51) verschließbar ist.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (23, 31) im Zylinder gegenüberliegend zu einer Nabe (53) der Kolbenstange (6, 7) angebracht ist, und der Kolben (4) zeitweilig in den Bereich zwischen dem Einlass (23, 31) und der Nabe (53) bewegt wird.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (51) ein Rückschlagventil ist.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (51) druckgesteuert ist.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (51) von einer Steuerung kontrolliert ist.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (6, 7) über ein Kupplungsteil (8) mit der Schrägscheibe (11) verbunden ist, und die Schrägscheibe (11) elliptische Laufbahnen (15, 16) zur Abstützung des Kupplungsteils (8) aufweist, die senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet sind, wobei die Laufbahnen (15, 16) im Wesentlichen eine Rinnenform, bevorzugt im Querschnitt eine Kreissegmentform, aufweisen.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungsteil (8) die Schrägscheibe (11) umgreift, und Lager (9) aufweist, die zwischen dem Kupplungsteil (8) und der Schrägscheibe (11) in den Laufbahnen (15, 16) gelagert sind, wobei die Lager (9) mit Kompensatorfedern (42) abgestützt sind und die Lager (9) einen kleineren Radius aufweisen als die Laufbahnen (15, 16), wobei der Radius der Lager (9) bevorzugt um wenigstens einen Prozent kleiner ist.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungsteil (8) mit einer Kulissenführung (41), bevorzugt mit einer Kreuzkopfführung im Gehäuse (2) verschieblich geführt ist.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (10) axial und radial im Gehäuse gelagert ist, bevorzugt mittels Radial- und Axiallagern, wobei die Radiallager (20) in axialer Richtung der Abtriebsachse (10) von der Schrägscheibe (11) ausgehend weiter außen vorgesehen sind als die Axiallager (19).
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Kontaktpunkte der Lager (9) mit der Schrägscheibe (11) derart durch die Dicke der Schrägscheibe (11) eingestellt wird, dass der in axialer Richtung gemessene Abstand der Lager (9) zueinander konstant ist.
Verfahren zum Betreiben eines Zweitakt-Schrägscheibenmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) im unteren Totpunkt den Einlass (21, 32) mit einem Bereich der Kolbenwand verschließt, beim Bewegen vom unteren in den oberen Totpunkt durch die Hubbewegung ein Luft-Kraftstoff-Gemisch ansaugt, und unabhängig von der Kolbenstellung zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt der Einlass (21, 32) verschlossen wird, wobei der Kolben (4) oberhalb des Einlasses (21, 32) ist, und durch die Bewegung vom oberen zum unteren Totpunkt das angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert und im unteren Totpunkt durch den Überströmkanal (23, 31) das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum strömt.
Zweitakt-Schrägscheibenmotor mit einer Abtriebswelle (10) mit einer damit verbundenen Schrägscheibe (11), auf die Antriebskräfte aufgebracht werden, einem Kolben (4), und einer Kolbenstange (6, 7) zum Übertragen der erzeugten Antriebskraft auf die Schrägscheibe (11), einem Kupplungsteil (8) zwischen der Kolbenstange (6, 7) und der Schrägscheibe (11), wobei das Kupplungsteil (8) die Schrägscheibe (11) umgreift, und Lager (9) aufweist, die zwischen dem Kupplungsteil (8) und der Schrägscheibe (11) auf Laufbahnen (15, 16) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Laufbahnen (15, 16) der Schrägscheibe (11) angepasst wird an den sich im Betrieb ändernden Abstand zwischen den Kontaktpunkten der jeweiligen Lager (9) des Kupplungsteils (8).
Zweitakt-Schrägscheibenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Laufbahnen (15, 16) auf der Schrägscheibe (11) durch den sich einstellenden Abstand der Lager (9) zueinander festgelegt ist nach der Formel L_pα = L₀ – 2[ r(1 – sinα) / sinα], wobei L_pα der Abstand der Laufflächen (15, 16) parallel zur Abtriebswelle (10) ist, L₀ der Abstand der Laufflächen (15, 16) am oberen und unteren Totpunkt ist, r der Radius der Wälzkörper der Lager (9) ist und α der Winkel der Kontaktpunkte der Lager (9) gemessen zur Abtriebswelle (10) ist.