DE1143057B - Kolbenmaschine mit hin- und hergehendem und sich drehendem Kolben - Google Patents

Kolbenmaschine mit hin- und hergehendem und sich drehendem Kolben

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DE1143057B
DE1143057B DEF33307A DEF0033307A DE1143057B DE 1143057 B DE1143057 B DE 1143057B DE F33307 A DEF33307 A DE F33307A DE F0033307 A DEF0033307 A DE F0033307A DE 1143057 B DE1143057 B DE 1143057B
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Germany
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piston
rotating
pistons
cylinder wall
reciprocating
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DEF33307A
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Inventor
Heinrich Franke
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0079Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having pistons with rotary and reciprocating motion, i.e. spinning pistons

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

  • Kolbenmaschine mit hin- und hergehendem und sich drehendem Kolben Die Erfindung ist ihrer Gattung nach eine Kolbenmaschine mit hin- und hergehendem und sich drehendem Kolben, insbesondere eine Brennkraftmaschine, bei der die Gase über Öffnungen in der Zylinderwand und die durchbrochene, sich drehende Kolbenlaufläche in den Verbrennungsraum gesaugt und aus diesem ausgestoßen werden. Die Anzahl der Zylinder mit Kolben und ihre Anordnung kann beliebig sein. Eine derartige Kolbenmaschine kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor sein, der nach dem Viertakt-oder Zweitaktprinzip arbeitet. Eine Maschine dieser Gattung läßt sich aber auch als Kolbenkompressor verwirklichen.
  • Verbrennungsmotore nach dem Viertaktprinzip benötigen bekanntlich zusätzliche Bauelemente in Gestalt von Ventilen, die gesteuert werden müssen. Durch die Ventile ist in gewissem Maß die Drehzahlerhöhung begrenzt. Außerdem sind Ventile bekanntlich störanfällig. Maschinen der obengenannten Gattung haben den Vorteil, daß auf Ventile verzichtet werden kann, wodurch sich eine einfachere Bauart und Wirkungsweise ergibt.
  • Es ist eine Kolben-Brennkraftmaschine dieser Art bekanntgeworden, bei der der Kolben aus rotierenden und nicht rotierenden Teilen besteht. Zur Steuerung der Gase dient dabei eine während des Kolbenhubes sich drehende Platte an der oberen Kolbenseite. 1m Gegensatz zu dieser Ausführung ist eine Kolbenmaschine der oben umrissenen Gattung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einen oder mehrere gegen die Kolbenoberseite zu ausmündende Kanäle oder Einbuchtungen aufweist, die gegen die Kolbenlauffläche zu so weit offen sind, daß ihre untere Begrenzung die Oberkante der Zylinderwandöffnungen nicht überläuft, und daß die Absperrung des Hubraums beim Arbeits- und beim Verdichtungstakt in der Weise vonstatten geht, daß der volle Teil des in seiner Gesamtheit sich drehenden Kolbens die Öffnungen in der Zylinderwand unmittelbar oder unter Mithilfe von Kolbendichtungen absperrt.
  • Bei dem Gegenstand der angemeldeten Erfindung vollzieht sich also die Steuerung der Gase in der Weise, daß die in der Zylinderwand befindlichen Ein-und Austrittsöffnungen unmittelbar durch den vollen Teil des Kolbens überlaufen werden. Somit ist es durch die erfindungsgemäße Lehre möglich, zu einer einfacheren, robusteren Kolbenbauart zu kommen. Der Kolben hat keine gegeneinander beweglichen Teile, die einer Abdichtung bedürfen. Vielmehr werden bei der Kolbenmaschine gemäß der Erfindung die Gase im Zylinder zu gegebener Zeit mit den Eintritts-und Austrittsöffnungen in der Zylinderwand in direkte Verbindung gebracht, wodurch ein einfacher, schneller und verlustloser Gaswechsel stattfindet.
  • Gemäß der weiteren Erfindung ist eine Kolbenmaschine mit den vorgenannten Erfindungsmerkmalen gekennzeichnet durch zwei einander gegenüberliegende Kanäle am Kolben, denen zwei Ein- und zwei Austrittsöffnungen in der Zylinderwand entsprechen, wobei sich der Kolben bei einer doppelten Hin-und Herbewegung (ein Viertaktzyklus) um 180° gleichmäßig dreht. Die Anordnung der gegenüberliegenden Kanäle am Kolben hat den Zweck, den Kolben von Seitendrücken zu entlasten.
  • Da bei einer Maschine gemäß der Erfindung die Drehung des Kolbens zwingende Voraussetzung ist, enthält die weitere Erfindung eine zweckmäßige Lehre dafür, wie die Kolbendrehung herbeigeführt werden kann. Danach sind die Kolben drehbar auf in Hubrichtung geführten Kolbenlagern angeordnet, und diese Kolbenlager umfassen kreuzkopfartig auf der Kurbelwellenkröpfung sitzende Exzenterscheiben, wobei die Kolben jeweils durch ein auf der Exzenterscheibe umlaufendes außen- und innenverzahntes Zahnrad getrieben werden, in dessen Innenzahnkranz ein Ritzel der Kurbelwelle kämmt, dessen Zähnezahl von der halben Zähnezahl des Innenzahnkranzes abweicht, weil bei genau halber Zähnezahl des Ritzels nur eine geradlinige Hubbewegung, aber keine Drehung des Zahnrades erfolgt.
  • Diese Anordnung bringt eine mögliche Lösung zur Herbeiführung der Rotation des Kolbens. Diese Rotation kann aber auch durch andere Mittel bewirkt werden.
  • Die vorbeschriebene Art der Verbindung zwischen Kurbelwelle und Kolben hat folgende Vorteile: Die Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in die drehende Bewegung der Welle bringt einen störungsfreien Lauf des Motors mit und läßt eine weit größere Drehzahlerhöhung zu als bei Kolbenmaschinen mit Pleuelstange. Die linearen Bewegungen werden in kreisende aufgelöst. Es sind keine hin- und hergehende Massen vorhanden. In jeder Stellung der ausgewuchteten Kurbelwelle sind die Massen ausgeglichen. Dabei baut diese Konstruktion raumsparend und kompakt.
  • Zu der Art des Kolbenantriebs wird noch ausgeführt, daß auf einer Kurbelwellenkröpfung runde Exzenterscheiben drehbar angeordnet sind, deren Exzentrizität das gleiche Maß beträgt, das die Kröpfung gegenüber der Wellenachse aufweist. Die Exzenterscheiben sind zumindest paarweise gegeneinander versetzt und zumindest teilweise miteinander fest verbunden. Jede ist unter Wahrung ihrer Drehbarkeit gerade geführt, wobei die Richtung der Geradführung durch das Maß der Versetzung bestimmt ist. Zumindest eine der Scheiben steht unter dem Einfluß eines Kolbens oder eines sich gegenüberliegenden Kolbenpaares, dessen Bewegungsrichtung mit der Geradführung identisch ist. Zur Geradführung dient ein Kolbenlager, das die Exzenterscheibe kreuzkopfartig umschließt.
  • Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
  • Abb. 1 und 2 stellen Schnitte durch einen Motor dar mit vier kreuzweise angeordneten Zylindern. Abb. 1 ist ein Längsschnitt, Abb. 2 ein Querschnitt nach A -A der Abb. 1; Abb. 3 zeigt einen Zylinder mit vier verschiedenen Kolbenstellungen, einmal im Längs- und einmal im Querschnitt.
  • Die in Abb. 1 und 2 dargestellte Maschine weist zwei Kolbenpaare auf, die kreuzweise angeordnet sind. Das eine Kolbenpaar ist gegenüber dem anderen um ein Stück in Richtung der Kurbelwellenachse versetzt. Die radiale Versetzung der beiden Kolbenpaare beträgt 90°. Jedes Kolbenpaar, dem ein Zylinderpaar entspricht, besteht aus zwei sich um 180° gegenüberliegenden Einzelkolben. Bei dem einen Kolbenpaar sind die Kolben mit il, die Zylinder mit m1 bezeichnet, bei dem anderen Kolbenpaar die Kolben mit j2, die Zylinder mit m2. Das Kolbenpaar il und das Zylinderpaar ml sind in Abb. 1 und 2 geschnitten dargestellt. Das andere Kolben- bzw. Zylinderpaar j2, m., steht nach Abb. 1 senkrecht zur Zeichenebene und ist gestrichelt angedeutet. Nach Abb. 2 liegt das Kolben-und Zylinderpaar j2, m2 parallel zur Zeichenebene, jedoch hinter der Schnittebene.
  • Auf der Kröpfung f der zentral gelagerten Kurbelwelle e sind die beiden Exzenterscheiben g1 und g2 drehbar gelagert. Die Scheibe g1 ist dem Kolbenpaar j1, die Scheibe g2 dem Kolbenpaar j2 zugeordnet. In Abb. 2 ist die Exzenterscheibe g1 ihrer Höhe nach geschnitten zu erkennen. Die um 180° versetzte Stellung der anderen Exzenterscheibe g. ist dort gestrichelt angedeutet. Die Exzentrizität einer jeden Scheibe gegenüber der Kröpfung f ist genauso groß wie die Exzentrizität der letztgenannten gegenüber der Kurbelwellenachse, jedoch sind die Scheiben um 180° gegeneinander versetzt und stellen ein Teil dar.
  • Die Exzenterscheiben g1 und g2 sind von den Kolbenlagern il und i2 kreuzkopfartig umgeben. Die Kolbenlager il und i2 werden in Führungen hl und h2 jeweils in Richtung der Kolbenbewegungen gerade geführt. Entsprechend den Kolbenführungen sind auch die Geradführungen hl und h2 um 90° gegeneinander versetzt. Somit liegt die Geradführung des Kolbenlagers il gemäß Abb. 2 in der Zeichenebene. Die Führung h2 ist dort hinter der Zeichenebene zu erkennen, wo sie, gestrichelt angedeutet, um 90° versetzt ist.
  • Die Exzenterscheiben g1 und g. können sich wie ein Kreuzkopf in ihren Kolbenlagern drehen, dabei ist die Drehzahl gleich der Drehzahl der Kurbelwelle, jedoch ist die Richtung entgegengesetzt.
  • Erfindungsgemäß können auf einer Kurbelkröpfung an Stelle eines Exzenterpaares, wie es die Abbildungen zeigen, auch deren mehrere angebracht sein. Die Versetzung kann anstatt 180° einen beliebigen anderen Winkel haben. Die Exzenter brauchen nicht paarweise verbunden zu sein, die Verbindung kann sich auch auf mehr als zwei Exzenter erstrecken. Vorteilhaft ist es, die Exzenter so anzubringen, daß sie gegeneinander ausgeglichen sind. Jeweils sind Lage und Anordnung der Führungen auf Lage und Anordnung der Exzenter abzustimmen. Der Motor kann nach dieser Art mit einer Kurbelkröpfung als Ein-oder Mehrzylinder laufen. Es ist auch möglich, die Kurbelwelle mit mehreren Kröpfungen zu versehen, so daß jede gewünschte Zylinderzahl angebracht werden kann.
  • Die Kolben j sind drehbar mit den Kolbenlagern i verbunden. Die Rotation des Kolbens wird durch das Zahnrad n bewirkt, das innen mit den Zähnen der Kurbelkröpfung und außen mit der Verzahnung des Kolbens in Verbindung steht. An jedem Exzenter g,, g2 ist ein Zahnrad n gelagert und macht die Hubbewegung mit. Durch entsprechende Größe und Zähnezahl der einzelnen Zahnrädern ist jede erforderliche Umdrehungszahl des Kolbens zu erreichen. Die Rotation der Kolben kann auch durch andere Mittel bewirkt werden. Der auf- und abgehende und gleichzeitig drehende Kolben, der in dem Zylinder frei von Seitendrücken ist, findet immer neue Gleitflächen vor, wodurch der Motor eine lange Lebensdauer hat.
  • Der Gaswechselvorgang geschieht folgendermaßen (s. Abb. 3): Der Kolben j hat an der Lauffläche seitlich und nach oben offene Kanäle oder Einbuchtungen k, die durch die Rotation des Kolbens beim Auf- und Abwärtsgehen abwechselnd mit den Ein- und Auslaßschlitzen h, 1.@ in dem Zylinder m in Verbindung gebracht werden. Die Anzahl, Lage und Größe der Kanäle in dem Kolben muß zu der Anzahl, Lage und Größe der Ein- und Auslaßschlitze des Zylinders und der Umdrehungszahl des Kolbens in einem bestimmten Verhältnis stehen. Der Gaswechsel ist auch mit einem einzigen Kolbenkanal möglich. Damit einseitige Kolbendrücke vermieden werden, ist es aber von Vorteil, zum Ausgleich gegenüberliegende Kolbenkanäle anzubringen. Um eine gute Abdichtung zu erreichen, ist der Kolben oben und unten mit Dichtringen und seitlich an den Kanälen mit Dichtleisten zu versehen.
  • In Abb. 3 zeigen a, b, c und d je eine Draufsicht und einen Schnitt von einem Zylinder und Kolben eines Motors, der im Viertakt gesteuert wird. Es zeigt 3 a den Kolben j in oberer Stellung beim Beginn des Ansaugens. Der Kolben j ist mit den Kanälen k versehen. Die Ein- und Auslaßschlitze h, 1, sind vom Kolben j verschlossen. Nach der Zeichnung rotiert der Kolben im Uhrzeigersinn. Bei der Abwärtsbewegung und gleichzeitigen Rotation des Kolbens gleitet derselbe mit seinen Kanälen über die Einlaßschlitze 1, des Zylinders hinweg und hat am unteren Punkt bei 3 6 dieselben wieder verschlossen und den Ansaugtakt beendet. In 3 c hat der Kolben j in oberer Stellung den Verdichtungstakt und bei 3 d in unterer Stellung den Arbeitstakt beendet. Die Ein- und Auslaßschlitze des Zylinders bleiben hierbei durch den Kolben j verschlossen. Durch die weitere Rotation des Kolbens j beim Hinaufgehen werden die Auslaßschlitze 1z im Zylinder durch die Kolbenkanäle freigegeben, wobei die verbrannten Gase ausgeschoben werden. Bei 3 a sind in oberer Stellung die Auslaßschlitze wieder vom Kolben verschlossen, und die Arbeitsweise beginnt von neuem.
  • Die vorhergehend beschriebene Erfindung eignet sich auch als Kompressor zum Saugen und Drücken und als Kraftmaschine. Um bei Zweitaktmotoren ein unsymmetrisches Steuerdiagramm zu erreichen, kann man die rotierenden Kolben mit schrägen Steuerkanten versehen.
  • Die in den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Merkmale können einzeln oder miteinander kombiniert Anwendung finden.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Kolbenmaschine mit hin- und hergehendem und sich drehendem Kolben, insbesondere Brennkraftkolbenmaschine, bei der die Gase über öffnungen in der Zylinderwand und die durchbrochene, sich drehende Kolbenlauffläche in den Verbrennungsraum gesaugt und aus diesem ausgestoßen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einen oder mehrere gegen die Kolbenoberseite zu ausmündende Kanäle oder Einbuchtungen (k) aufweist, die gegen die Kolbenlauffläche zu so weit offen sind, daß ihre untere Begrenzung die Oberkante der Zylinderwandöffnungen nicht überläuft, und daß die Absperrung des Hubraums beim Arbeits- und beim Verdichtungstakt in der Weise vonstatten geht, daß der volle Teil des in seiner Gesamtheit sich drehenden Kolbens die Öffnungen in der Zylinderwand unmittelbar oder unter Mithilfe von Kolbendichtungen absperrt.
  2. 2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei einander gegenüberliegende Kanäle (k) am Kolben, denen zwei Ein- und Austrittsöffnungen (h, I,) in der Zylinderwand entsprechen, wobei sich der Kolben bei einer doppelten Hin- und Herbewegung (ein Viertaktzyklus) um 180° gleichmäßig dreht.
  3. 3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben drehbar auf in Hubrichtung geführten Kolbenlagern angeordnet sind, und daß diese Kolbenlager in an sich bekannter Weise kreuzkopfartig auf der Kurbelwellenkröpfung sitzende Exzenterscheiben (g1, g,) umfassen, wobei der Kolben jeweils durch ein auf der Exzenterscheibe (g1, g2) umlaufendes außen-und innenverzahntes Zahnrad (n) getrieben wird, in dessen Innenzahnkranz (f) ein Ritzel (fs) der Kurbelwelle kämmt, dessen Zähnezahl von der halben Zähnezahl des Innenzahnkranzes (f) abweicht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 725 239; österreichische Patentschrift Nr. 51834; französische Patentschriften Nr. 583 682, 626 418; USA.-Patentschrift Nr. 2 410 565.
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