-
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.