DE1905244A1

DE1905244A1 - Vollstaendig ausgewogene,doppelt wirkende Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE1905244A1
Application number: DE19691905244
Authority: DE
Inventors: Kenjiro Ishida; Takashi Matsuda
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 1968-01-30
Filing date: 1969-01-30
Publication date: 1969-08-07
Also published as: FR2000962A1; CH475470A; SE349115B; GB1263171A; US3563223A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine und sie bezieht sich im besonderen auf eine vollständig ausgewogene bzw. im Gleichgewicht befindliche Kolbenmaschine mit einer oder mehreren, linear hin- und hergehenden Kolbenstangen und mit einem drehenden und umlaufenden Kurbelmechanismus.

Bekannte Kolbenmaschinen mit einem üblichen Kurbelmechanismus haben eine oder mehrere Kolbenstangen, die in einer senkrecht zur Drehachse gelegenen Ebene bei jeder Drehung der Kurbel schwingen, so dass es sehr sohwierig ist, die der Verbrennungskammer gegenüberliegende Seite des Kolbens als Kompressionsraum oder als eine weitere Verbrennungskammer zu benutzen. Ferner können die unausgewogenen Kräfte, die durch die Trägheit der hin- und hergehenden Masse der üblichen Maschine erzeugt werden, theoretisch nicht ausgewogen oder ins Gleichgewicht gebracht werden, so dass mit dieser bekannten Maschine üblicherweise Probleme hinsichtlich der Vibration zusammenhängen.

Die vorliegende Erfindung verwendet einen bekannten Kurbel-

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mechanismus mit einem Kurbelradius ε , der um seine Achse dreht und um die andere Achse in einer Entfernung um den Betrag der Exzentrizität ε von seiner Achse in zur Drehung der Kurbelwelle entgegengesetzter Richtung umläuft, um eine linear hin- und hergehende Bewegung der mit dem Kurbelzapfen, der einen Hub von ke hat, verbundenen Kolbenstange zu bewirken. Der Kurbelmechanismus enthält ferner ein Ausgleichsgewicht der Masse m., welches direkt auf der entgegengesetzten Seite des Kurbelzapfens in einem Abstand R₁ von seiner Achse angeordnet ist, und ein weiteres Ausgleichsgewicht von der Masse m₂, das mit einem exzentrischen Zapfenlager direkt auf der gegenüberliegenden Seite der Kurbelwelle in einem Abstand R„ von ihrer Achse verbunden ist, uns einen Umlauf der Kurbel zu bewirken. Beide Ausgleichsgewichte sind derart bestimmt, dass sie den Formeln me = m. R. und (m + m. + m~) ^ε = ^mo ^R2 genügen, worin m die hin— und hergehende Masse, m„ die drehende Masse ( drehende Masse des drehenden Teils mit Ausnahme der gleichwertigen hin- und hergehenden Masse und der Ausgleichsmasse), ε der Kurbelradius oder das Mass der Exzentrizität sind. Auf diese Weise enthält die Maschine eine linear hin- und hergehende Kolbenstange und sie ist theoretisch ausgewogen oder im Gleichgewicht.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist, eine doppelt wirkende Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei auf beiden Seiten des Kolbens eine Verbrennungskammer vorgesehen ist, und welche vollständig in bezug auf Ungleichgewichts- oder Unwuchtkräfte ausgewogen ist»

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine doppelt wirkende Brennkraftmaschine zu schaffen, die zwei miteinander fluchtende Zylinder und vollkommen gerade hin- und hergehende, einstückig auszubildende Stangen aufweist, wobei die Unterseite der Kolben als Vorkompressionsraum der Zweitaktmaschine verwendet wird und wobei die Unwuchtkräfte vollständig ausgewogen sind.

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Nach einem Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält eine vollständig ausgewogene Kolbenmaschine ein Gehäuse, wenigstens einen Zylinder mit einem Zylinderkopf, wobei der Zylinder «it dem Gehäuse fest verbunden ist, mit dem Zylinder verbundene Wände, um einen Raum zwischen dem Zylinderkopf und dem Gehäuse zu begrenzen, einen Kolben, der in dem Zylinder gleitend aufgenommen ist und den Zylinderraum in zwei Arbeitsräume durch seine beiden Stirnflächen unterteilt, eine Kolbenstange, die mit ihrem einen Ende mit dem Kolben verbunden ist und gleitend an den mit dem Zylinder verbundenen Wänden anliegt, eine Kurbel, die wenigstens einen Kurbelzapfen aufweist, der mit dem anderen Ende der Kolbenstange unter einem Kurbelradius ε verbunden ist, wenigstens ein exzentrisches Zapfenlager, das von dem Gehäuse drehbar getragen ist und Trageinrichtungen aufweist, die die Kurbeln drehbar tragen, und zwar um den gleichen Betrag der Exzentrizität ε _f Einrichtungen, die mit der Kurbel und dem exzentrischen Zapfenlager zusammenarbeiten, um die Kurbel und das Zapfenlager mit derselben gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit und in zueinander entgegengesetzter Richtung zu drehen sowie um eine linear hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange zu bewirken, sowie Ausgleichsgewichteinrichtungen, um den oben erwähnten vollständigen Ausgleich herzustellen.

Weitere und besondere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen noch hervortreten,

Fig. i zeigt einen Längsschnitt nach der Linie 1 - i in der Fig. 2 einer doppelt wirkenden, vollständig ausgewogenen Einzylinder-Zweitakt-Kolbenmaschine mit einem Kurbelwellen-Planetenantrieb-System durch eine exzentrische Zahnradanordnung bzw. Getriebeanordnung entsprechend einem ersten AusfUhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie 2 - 2 in der Fig. i.

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Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer doppelt wirkenden, vollständig ausgewogenen Einzylinder-Zweltakt-Kolbenmaschine vom mit einem Kurbelwellen—Planetenantrieb-System durch ein inneres Getriebe gemäss einem zweiten Ausfiihrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung*

Flg. k ist ein Schnitt naoh der Linie k - k in der Fig. 3·

Fig· 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine doppelt wirkende, vollständig ausgewogene Zweitakt-Kolbenmasohine mit einander gegenüberliegenden Zylindern (Boxer-Motor) und mit einem·Kurbelwellen-Planetenantrieb—System durch ein exzentrisohes Getriebe naoh einem dritten AusfUhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung·

Fig. 6 ist ein Schnitt naoh der Linie 6 - 6 in der Fig. 5·

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt einer doppelt wirkenden, vollständig ausgewogenen Zweitakt-Kolbenmasohine mit einander gegenüberliegenden Zylindern .und einem Kurbelwellen-Planetenantrieb-System durch ein inneres Getriebe.naoh einem vierten Aueführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 8 ist ein Schnitt naoh der Linie 8 - 8 in der Flg. 7,

Die Masohine naoh den Fig· 1 und 2 hat einen mit einem Zylinderkopf ß versehenen Zylinder 1, der mit dem Gehäuse über einen unteren Zylinderkopf k verbunden ist. Ein Kolben ist gleitend in dem Zylinder 1 aufgenommen, um eine obere und eine untere Verbrennungskammer 2¹ bzw· 4¹ zu begrenzen und er ist durch einen Kolbenbolzen 6 mit dem oberen Ende einer linear hin- und hergehenden Kolbenstange 7 verbunden, die obere und untere Dichtungsringe 8 bzw. 9 aufweist, die sich gleitend gegen eine mittlere Öffnung des unteren Zylinderkopfes 4 anlegen. Die Kolbenstange 7 ist mit ihrem unteren Ende mit einem Kurbelzapfen IO einer Kurbel ii verbunden« Die

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Kurbel 11 hat zwei Kurbelarme 12 und 13» die mit dem Kurbelzapfen verbunden sind, und sie hat Kurbellagerzapfen Ik und 15» die drehbar über Nadellager 16 und 17 in exzentrischen Zapfenlagern 18 bzw. 19 gehalten sind. Die exzentrischen Zapfenlager 18 und 19 sind mit Öffnungen für die Aufnahme der Nadellager 16 und 17 mit einem Mass einer Exzentrizität ε von ihrer Achse versehen, welche dieselbe Länge hat wie der Kurbelradius, und sie sind drehbar über Lager 20 und 21 in dem Gehäuse 3 gehalten, um um eine mittlere Achse O in der entgegengesetzten Richtung und mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Kurbel 11 zu drehen.

Um eine Drehbewegung und einen Umlauf der Kurbel 11 sowie eine linear hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange 7 zu bewirken, sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist, Zahnräder vorgesehen. Ein Zahnrad 23 ist am äusseren Ende der Kurbel 11 befestigt, während Zahnräder 24 und 25 fest mit den äusseren Endteilen der exzentrischen Zapfenlager 18 bzw. 19 verbunden sind. In dem Gehäuse 3 ist eine Welle 26 drehbar gelagert, die mit einem exzentrischen Zahnrad 27 verbunden ist, das eine Exzentrizität mit dem Mass ε aufweist und welches mit dem Zahnrad 23 kämmt. Das Zahnrad 27 hat die gleiche Anzahl von Zähnen wie das Zahnrad 23, während Zahnräder 28 und 29 mit der gleichen Zähnezahl wie die Zahnräder 2k und 25 mit Zahnrädern 30 und 31 in Eingriff sind, welche an einer weiteren, vom Gehäuse 3 getragenen Welle 32 befestigt sind. Die Zahnräder 28 und 29 sind ebenfalls mit der Welle verbunden. Mit den Zahnrädern 2k und 25 sind auch die Zahnräder 30 und 31 in Eingriff, so dass die exzentrischen Zapfenlager 18 und 19 in der entgegengesetzten Richtung zur Drehung der Kurbel 11 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit drehen. Mit der Welle 32 ist ein Zahnrad 33 verbunden, das mit einem Zahnrad ^k kämmt, welches auf einer Kickstarter-Welle 35 befestigt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Zylinder 1 als Zwei-

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takt-Sohlitzspülmaschine ausgebildet. Somit weist der Zylinder 1 eine Auslassöffnung 37 und Einlassöffnungen 38 und 39 auf, die durch ein Drehventil 40 gesteuert sind. Der Aussenkreis des Drehventils 40 weist Zähne auf, die mit einem Zahnrad 42 über ein leerlaufendes, im Gehäuse 3 gelagertes Zahnrad 41 kämmen, wobei das Zahnrad 42 mit dem exzentrischen Zapfenlager 19 fest verbunden ist. Die Einlassöffnungen 38 und 39 stehen über ein Roots—Gebläse 43 mit einer einen Vergaser 45 aufweisenden Einlassleitung 44 in Verbindung. An dem oberen Zylinderkopf 2 bzw. an dem unteren Ende des Zylinders 1 sind Zündkerzen 46 und 47 vorgesehen.

Ausgleichsgewichte mit einer Gesamtmasse m. sind mit den Kurbelarmen 12 und 13 in einem Abstand R^ von der Achse des Kurbelzapfens 10 um die Achse P drehend auf der entgegengesetzten Seite des Kurbelzapfens 10 angeordnet» Weitere Ausgleichsgewichte mit einer Gesamtmasse m₂ sind mit den exzentrischen Zapfenlagern 18 und 19 auf der entgegengesetzten Seite der Kurbellagerzapfen 14 und 15 in einem Abstand R₂ von deren Achse angeordnet. Die Massen m. und m₂ sind so bestimmt, dass sie die Formeln m ε = m^R^ und (m + m, + m~) ε = m₂ R₂ erfüllen, in welchen m die hin- und hergehende Masse, m„ die drehende Masse und ε das Mass der Exzentrizität der exzentrischen Zapfenlager 18 und 19 sowie der Radius der Kurbel ist. Damit ist die Maschine vollständig ausgewogen.

Die Arbeitsweise der in den Fig. 1 und 2 gezeigten, doppelt wirkenden Zweitakt-Maschine ist folgendermassen:

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist die obere. Verbrennungskammer 2¹ am oberen Totpunkt und die untere Verbrennungskammer 4¹ am unteren Totpunkt gelegen. In der oberen Verbrennungskammer 2· erfolgt nun eine Verbrennung und der Kolben 5 wird abwärts gedrüokt. Die mit dem Kolben 5 verbundene Kolbenstange 7 wird ebenfalls abwärts bewegt. Wie in Fig, 2 durch Pfeile dargestellt ist, wird die Energie des Verbrennungsgases auf

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die Kurbel 11 übertragen und in eine Drehung der Kurbel 11 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um die Aohse P umgewandelt· Das mit dem äusseren Ende der Kurbel 11 verbundene Zahnrad 23 dreht mit der Kurbel 11 im Uhrzeigersinn, um das exzentrische Zahnrad 27 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit ur entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, da die Zahnräder 23 und 27 die gleiohe Anzahl an Zähnen haben. Durch die Drehung des exzentrischen Zahnrads 27 drehen die Zahnräder 28 und 29 sowie die Welle und erzeugen eine Drehung der Zahnräder 30 und 31 im Uhrzeigersinn um die Welle 32· Damit drehen die Zahnräder 24 und 25 sowie die exzentrischen Zapfenlager 18 und 19, die über die Lager 20 und 21 vom Gehäuse 3 getragen sind und über die Nadellager 16 und 17 mit derselben Exzentrizität ε die Kurbel 11 tragen, mit der gleiohen Winkelgeschwindigkeit ω um die mittlere Aohse 0 entgegen dem Uhrzeigersinn· Somit dreht die Kurbel 11 um ihre Aohse P und sie läuft gleichzeitig um die andere Aohse 0 mit einer Exzentrizität ε von der Aohse P in entgegengesetzter Richtung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit ω um, so dass der Punkt A oder die Aohee dee Kurbelzapfens 10 mit dem Kurbelradius ε linear hin- und hergeht, um eine linear hin- und hergehende Bewegung mit den Hub 4ε der Kolbenstange 7 zu bewirken. Die Bewegung wird auf die Abtriebswelle 32 als Drehbewegung übertragen.

Wenn der Kolben 5 sioh abwärts bewegt, öffnet er zuerst die Auslassöffnung 37 und durch die Einlassöffnung 38 wird frisohes Gas durch das Gebläse 43 aufgeladen. Nachdem die Einlassöffnung 39 durch den Kolben 5 verschlossen ist, wird in der unteren Verbrennungskammer 4· das frisohe Gas komprimiert, bis es durch die Zündkerze 47 entzündet wird·

Zur gleiohen Zeit dehnt sich das Verbrennungsgas In der oberen Verbrennungskammer 2¹ bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 5 aus, bis die Auslassöffnung 37 durch die obere Stirnfläche des Kolbens 5 geöffnet wird, um das verbrauchte Gas auszulassen. Wenn der Kolben 5 die Einlassöffnung 38 öffnet, wird frisohes Gas in die Verbrennungskammer 2¹ zur

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Spülung dieser Kammer eingeführt.

Da die Kolbenstange 7 linear hin- und hergeht, kann ein gegen Gas dichter Abschluss zwischen dem unteren Zylinderkopf 4 und der Kolbenstange 7 leicht durch bekannte Dichtungsringe 9 hergestellt werden. Das in der unteren Verbrennungskammer verbrannte Gas erzeugt einen aufwärts gerichteten Druck auf den Kolben 5. Auf diese Weise werden in der oberen und in der unteren Verbrennungskammer 2¹ bzw. 4¹ der Ansaug-, Kompressions—, Verbrennungs-, Auslass- und SpUlvorgang mit einer Phasenverschiebung von 180° durchgeführt, um eine doppelt wirkende Zweizylinder—Brennkraftmaschine zu bilden«

Die Einlasssteuerung für das frische Gas wird von dem Drehventil 40 durchgeführt, das in diesem Fall mit der gleichen Drehung wie das exzentrische Zapfenlager 19 über die Zahnräder 41 und 42 angetrieben ist. Um ein gutes Spülen und Aufladen zu bewirken, ist das Gebläse ,43 in der Einlassleitung 44 vorgesehen, da in den Verbrennungskammern 2^f und 4¹ kein Saugdruok erzeugt wird.

Die Fig« 3 und 4 zeigen ein zweites AusfUrhungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein inneres Getriebe verwendet wird, um eine linear hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange zu bewirken und um das Merkmal der vollständigen Ausgewogenheit entsprechend der vorliegenden Erfindung zu erfüllen.

In diesem Fall ist wieder aus Gründen der Klarheit eine doppelt wirkende Einzylinder-Zweitakt-Brennkraftmaschine gezeigt, jedoch kann eine doppelt wirkende Viertakt—Maschine ebenso leicht hergestellt werden_e Der obere Teil der Maschine ist der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Maschine gleichartig und es sind die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder gleichartige Teile verwendet.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, ist im Zylinder i ein

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Kolben 5' aufgenommen, der eine obere und eine untere Verbrennungskammer 2' bzw, 4¹ begrenzt, wobei der Kolben einstückig mit einer Kolbenstange 7¹ dargestellt Ist. In der Praxis kann jedoch der Kolben 5¹ mit der Kolbenstange 7' in gewünschter Weise verbunden sein. Das untere Ende der Kolben— stange 7' ist auf dem Kurbelzapfen 10' drehbar gelagert, der einstückig mit den Kurbelarmen 12' und 13' der Kurbel II¹ ausgebildet sein kann, Kurbellagerzapfen 14' und 15' sind über Nadellager l6^! und 17' von exzentrischen Zapfenlagern 18¹ und 19' getragen, die ihrerseits über die Lager 20' und 21' in dem Gehäuse 3¹ aufgenommen sind.

Auf jeder Seite der Kurbelarme 12' und 13^! sind auf der gleichen Achse P Zahnräder 50 und 51 mit der Kurbel Ii¹ verbunden, die einen Teilkreisdurchmesser 2ε haben, welcher das Doppelte des Kurbelradius oder das Doppelte der Exzentrizität der exzentrischen Zapfenlager ist, Innenliegende Zahnräder 52 und 53 kämmen mit den Zahnrädern 50 und 51 und haben einen Teilkreisdurchmesser 4 ε , der gleich dem Hub der Kolbenstange 7' ist und das Doppelte des Teilkreisdurohmessers der Zahnräder 50 und 51 ist. Die Zahnräder 52 und sind mit dem Gehäuse 3¹ verbunden. Mit dem äusseren Ende der exzentrisohen Zapfenlager 18' bzw, 19* sind Zahnräder 54 und 55 verbunden. Das eine der Zahnräder 54 und 55 oder beide stehen im Eingriff mit einem anderen Zahnrad oder mit anderen Zahnrädern, die jedoch nioht gezeigt sind, um eine ebenfalls nicht dargestellte Abtriebswelle anzutreiben. Das Drehventil 40 ist über ein Zahnrad 56, das von einer im Gehäuse 3¹ gelagerten Welle 57 gehalten ist, angetrieben und ein mit dem Zahnrad 55 in Eingriff stehendes Zahnrad 58 ist durch das Zapfenlager 19¹ gehalten.

Für den Ausgleich der Maschine sind Ausgleichsgewichte mit einer Gesamtmasse m, an den Kurbelarmen 12^f und 13' auf der entgegengesetzten Seite des Kurbeizapfens 10' mit einem Abstand H. von der Achse des Kurbelzapfens 10 um die Achse P drehend befestigt, Weitere Ausgleichsgewichte mit einer

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Gesamtmasse in_u sind an den exzentrischen Zapfenlagern 18' und 19' auf der gegjtiüberliegendon Seite der Kurbelliigörzapfen lh¹ und 15* um die Achse 0 drehend im Abstand R₂ von deren Achse befestigt, Die Massen m. und m_? sind wie vorher so bestimmt, dass sie die oben erwähnten Formeln mE = m.ß, und (m + Hi₁ + Mi₇) ε = Mi₀R₀ erfüllen, in welchen in die hin- und hergehende Masse und ni„ die drehende Masse ist. Damit ist die Maschine vollständig ausgewogen,

Die Arbeitsweise der doppelt wirkenden Zweitalct-Maschine, die in den Fig. 3 und 4t gezeigt ist, ist folgenderinassen:

In der oberen Verbrennungskammer 2¹ erfolgt die Verbrennung und der Kolben 5' sowie die Kolbenstange ?' werden abwärts bewegt. Die Kurbel II¹ und die daran befestigten Planetenräder 50 und 51 drehen im Uhrzeigersinn um die Achse P, Zur gleichen Zeit sind die Plane teilrad er 50 und 51 mit den festen inneren Zahnrädern 52 bzw. 53 in Eingriff und laufen um die Achse 0 entgegen dem Uhrzeigersinn um. Damit wirken die exzentrischen Zapfenlager 18* und 19' als Planetenträger für die Planetenräder 50 und 51» die mit derselben Winkelgeschwindigkeit ω wie die Kux'bel II¹ drehen. Da der Teilkreisdurchmesser der inneiiliegenden Zahnräder 52 und 53 ^lt ^ε ist und das Doppelte zu dem der Planetenräder 50 und 5i beträgt, geht die Kolbenstange 7¹ linear entlang der Längsachse des Zylinders 1 hin und her. Die Abtriebswelle kann mit einem der oder mit beiden Zahnrädern 54t und 55 verbunden sein, die an den exzentrischen Zapfenlagern 18^! bzw, 19' befestigt sind. Ein geringer Teil der Antriebskraft wird vom Zahnrad 55 über das Zahnrad 58, die Welle 57 und das Zahnrad 56 auf das Drehventil kO übertragen, um den Einlass des frischen Gases durch die Einlassleitung ^lik zu steuern, die mit dem Vergaser 45 und dem Gebläse kj für die Einlassöffnungen 38 und 39 versehen ist.

Die Verbrennung und das Spülen in der oberen und unteren Ver-

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brennungskammer 2¹ bzw. 4¹ sind gleichartig zu der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Maschine,

In den Pig. 5 und 6 ist eine doppelt wirkende, vollständig ausgewogene Zweitakt-Kolbenmaschine mit einem Kurbelwellen-Planetenantrieb-System über ein exzentrisches Getriebe mit einander gegenüberliegenden Zylindern entsprechend einem dritten Ausfürhungsbelspiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Die Maschine enthält konzentrisch einander gegenüberliegende Zylinder 101 und 102, die jeweils mit dem Gehäuse 103 fest verbunden sind. Die Zylinder 101 und 102 haben Einlassöffnungen 104 und 105, Auslassöffnungen 106 und 107 sowie Spülöffnungen 108 und 109. Jeder der Zylinderköpfe 110 und 111 hat eine Zündkerze 112 und 113f die an den Zylindern befestigt ist. In den Zylindern 101 und 102 sind Kolben 114 und 115 aufgenommen, die an einem Ende von jeweils linear hin- und hergehenden Kolbenstangen 116 und 117 befestigt sind, welche mit einem Kurbelzapfen 118 einer Kurbel 119 mit einem Kurbelradius ε verbunden sird.

Auf diese Weise sind die Verbrennungskammern 120 und 121 zwischen den Zylinderköpfen 110 und ill und den Kolben 114 und 115 gebildet. Die Unterseiten der Zylinder 101 und 102 sind durch gasdichte Dichtungen 124 und 125» die in den Wänden 122 und 123 befestigt sind, abgedichtet, während die Kolbenstangen 116 und 117 gleitend gegen die Dichtungen 124 und 125 anliegen. Damit sind zwischen den Wänden 122 und 123 und den unteren Stirnflächen der Kolben 114 und 115 Vorkompressionsräume 126 und 127 begrenzt.

Die Kurbel 119 besteht aus Kurbelarmen 130 und 131» einem Kurbelzapfen 118 und aus Kurbellagerzapfen 132 und 133, die über Nadellager 138 und 139 in den exzentrischen Zapfenlagern 136 und 137 drehbar gehalten sind. Die exzentrischen Zapfenlager 136 und 137 sind mit Öffnungen 134 und 135 für die Aufnahme der Nadellager 138 und 139 mit einer Exzeutri-

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zität ε von ihrer Aohse versehen, welche das gleiche Mass hat wie der Kurbelradius, und sie sind in dem Gehäuse 103 durch Lager 140 und 141 drehbar gehalten.

Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, ist mit dem äusseren Ende der Kurbel 119 ein Zahnrad 145 verbunden, das mit einem exzentrisohen Zahnrad 146 in Eingriff ist, das die gleiohe Zähnezahl wie das Zahnrad 145 hat und auf einer Welle 147 befestigt ist, welche im Gehäuse 103 gelagert ist.

Auf der Welle 147 1st ein weiteres Zahnrad 148 befestigt, das mit einem der Zahnräder 149 und 150, die auf der Welle 151 befestigt sind, in Eingriff ist. Zahnräder 152 und 153 kämmen mit den Zahnrädern 149 und 150 und haben die gleiohe Zähnezahl wie das Zahnrad 148, und sie sind auf den exzentrisohen Zapfenlagern 136 bzw. 137 befestigt. Mit der Welle 151 kann eine nicht dargestellte Abtriebswelle verbunden sein. Ebenso können mit dem exzentrisohen Zapfenlager 137 ein Generator und/oder ein Starter verbunden sein«

Die Arbeitsweise der in den Fig. 5 und 6 dargestellten, doppelt wirkenden Zweitakt-Maschine ist folgendermassen:

Der Kolben 114 ist in der Darstellung am unteren Totpunkt der Verbrennungskammer 120 und der Kolben 115 1st im oberen Totpunkt der Verbrennungskammer 121. Damit wird die Verbrennungskammer 120 gespült, wenn die Auslassöffnung 106 und die Spülöffnungen 108 beide offen sind. Der Vorkompressionsraum 126 ist am oberen Totpunkt und die komprimierte Frischluft wird durch die Spülöffnungen 108 der Verbrennungskammer 120 zugeführt. Der Vorkompressionsraum 127 des unteren Zylinders 102 ist am unteren Totpunkt und durch die Einlassöffnung 105 wird frisohes Gas dem Raum zugeführt· Nun erfolgt in der Verbrennungskammer 121 die Verbrennung, um den Kolben 115 und die Kolbenstange 117 anzutreiben.

Da die Kolben 115 und 114 und die Kolbenstangen 117 und II6

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linear entlang einer Längsachse der Zylinder 102 und 101 hin- und hergehen, werden die Kolbenstange 116 und der Kolben direkt durch die Kolbenstange 117 aufwärts bewegt· Die antreibende Kraft wird auf die Kurbel 119 in einer Weise, die zu der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Masohine gleichartig ist, übertragen und diese dreht im Uhrzeigersinn, Wie in Fig. 6 dargestellt ist, wird die Drehung auf das Zahnrad 145 übertragen, so dass eine Drehung des exzentrischen Zahnrads 146 entgegen dem Uhrzeigersinn mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit, eine Drehung der damit verbundenen Welle 147, eine Drehung des mit der Welle 147 verbundenen Zahnrads 148 und eine Drehung im Uhrzeigersinn der Zahnräder 149 und 150 auf der Welle 151 hervorgerufen wird, welche wiederum die Zahnräder 152 und 153» die an den exzentrischen Zapfenlagern 136 bzw» 137 befestigt sind mit der gleiohen Winkelgeschwindigkeit wie das Zahnrad 145 entgegen dem Uhrzeigersinn drehen· Damit drehen die Kurbel 119 sowie die exzentrischen Zapfenlager I36 und 137 in entgegengesetzter Richtung mit der gleiohen Winkelgeschwindigkeit, um eine linear hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstangen II6 und 117 zu bewirken.

Wenn der Kolben 115 sich naoh oben bewegt, dehnt sieh das Verbrennungsgas aus, und wenn der Kolben 115 die Auslassöffnung 107 öffnet, wird das Verbrennungsgas ausgelassen· Der Kolben 115 komprimiert frisches, in den Vorkompressionsraum 127 eingeführtes Gas, nachdem die Einlassöffnung 104 durch den Koben verschlossen worden ist. Wenn dann der Kolben 115 die Spülöffnungen 108 öffnet, wird das in dem Vorkompressionsraum 127 komprimierte Gas der Verbrennungskammer 121 zugeführt, um die Verbrennungskammer zu spülen und aufzuladen.

Zur gleiohen Zeit wird für die Verbrennungskammer 120 duroh den Kolben 114 im Zylinder 101 der Kompressionshub durchgeführt. Nachdem der Kolben 114 die Spülöffnung 108 und die

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Auslassöffnung 106 verschlossen hat> wird das frische Gas in der Verbrennungskammer 120 durch den Kolben 114 komprimiert und das komprimierte Gas wird durch die Zündkerze 112 in passendem Zeitverhältnis gezündet» Nachdem der Kolben die Öffnung 104 geöffnet hat, wird duroh diese Einlassöffnung frisches Gas zugeführt.

Damit werden der obere und der untere Zylinder 101 bzw· 102 als Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine mit 180 Phasenverschiebung betrieben, wobei jeder einen Vorkompressionsraum hat, der als üblicher Kurbelgehäuse-Kompressionsraum wirkt. Da in diesem Fall jedoch die Maschine mit zwei Zylindern versehen ist, kann die übliche Kurbelgehäuse-Kompression niemals verwendet werden. Ferner kann das Kompressionsverhältnis der Vorkompressionsraume 126 und 127 unabhängig nach Wunsoh bestimmt werden und das Schmiermittel-Mischungsverhältnis kann sehr niedrig sein. Auoh können, da die Kolbenstangen 116 und 117 linear ohne jegliche Relativbewegung hin- und hergehen, die Kolbenstangen miteinander verbunden sein, so dass der tragende Bereich des Kurbelzapfens 118 sehr klein gehalten werden kann. Hieraus folgt, dass damit eine sehr kompakte und wirkungsvolle Zweitakt-Maschine geschaffen wird.

Da der Kolben 114, die Kolbenstangen 116 sowie 117 und der Kolben 115 linear als ein einstückiges Teil ohne jede Relativbewegung hin- und hergehen, kann die Maschine als eine Tandem-Maschine mit zentralem Ausgang angesehen werden, die als altmodische Dampfmaschine oder als doppelt wirkende Maschine mit einem langen Kolben, dessen beide Stirnseiten den Verbrennungskammern 120 bzw. 121 gegenüberliegen, betrachtet werden kann. Wie leioht zu erkennen ist, benötigt die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Tandem-Maschine keine lange schwingende Kolbenstange sowie Kurbelmechanismus und die Masohine ist vollständig ausgewogen, so dass die Maschine bequem und vorteilhaft für viele Anwendungszwecke als Zweitakt- oder Viertakt-Maschine, als Kompressor oder als Pumpe

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geeignet ist. Als eine doppelt wirkende Maschine nehmen zwei unabhängige Zylinder einen langen Kolben mit einer starren Kolben- bzw_e Verbindungsstange auf, so dass die erwünschte Charakteristik, wie das Merkmal der Vorkompressionsspülung, auf beiden Flächen des Kolbens ohne jegliche Begrenzung vorgesehen werden kann, die bei bekannten, doppelt wirkenden Masohinen unvermeidbar ist. Damit kann eine sehr kompakte Maschine mit einer hohen Ausgangsleistung geschaffen werden.

In den Fig. 7 und 8 ist eine vollständig ausgewogene Zweitakt-Kolbenmaschine mit einander gegenüberliegenden Zylindern und mit einem Kurbelwellen-Planetenantrieb-System durch ein inneres Getriebe geraäss einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Die in den Fig. 7 und 8 gezeigte Zylindereinheit der Maschine ist aus Gründen der Klarheit vollständig gleichartig der in den Fig. 5 und G gezeigten, so dass die gleichen Bezugszeichen für gleichartige Teile verwendet sind.

Die Zylinder 101 und 102 sind fluchtend miteinander an dem Gehäuse 103* befestigt, so dass die mit dem Kurbelzapfen 118' einer Kurbel 119 · verbundenen Kolbenstangen 116 und 117 linear entlang der Längsachse der Zylinder 101 und 102 hin- und hergehen.

Die Kurbel 119¹ besteht aus Kurbelarmen 130¹ und 131¹» aus einem Kurbelzapfen 118' und aus Kurbellagerzapfen 132' und 133¹. Bei dieser Ausführungsform sind Zahnräder i60 und l6l mit einem Teilkreisdurchmesser 2ε mit den Kurbellagerzapfen 132^f bzw. 133¹ verbunden. Über Nadellager 138' und 139' sind die Kurbellagerzapfen 132' und 133' drehbar mit den exzentrischen Zapfenlagern 136' bzw. 137' verbunden. Die exzentrisohen Zapfenlager 136' und 137' sind mit Öffnungen 134¹ und 135¹ für die Aufnahme der Nadellager 140¹ und 141* mit einer Exzentrizität ε von ihrer Achse versehen, die dasselbe Mass hat wie der Kurbelradius, und sie sind über Lager 140' und 141' drehbar von dem Gehäuse 103· getragen.

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Innere Zahnräder l62 und 163, die mit den Zahnrädern 16O und 161 in Eingriff sind und einen Teilkreisdurohmesser 4ε haben, sind konzentrisch an den exzentrischen Zapfenlagern I36¹ und 137' befestigt. Ferner sind an den exzentrischen Zapfenlagern 136^f und 137' Zahnräder 164 und I65 befestigt, die mit der nicht dargestellten Abtriebswelle* oder mit nicht dargestellten Hilfseinrichtungen verbunden sind.

FUr den Ausgleich der Maschine sind an den Kurbelarmen und an den exzentrischen Zapfenlagern Ausgleichsgewichte entsprechend dem vorher beschriebenen gleichartigen Vorgang und Verfahren befestigt, wodurch ein vollständiger Ausgleich bzw. Gleichgewichtszustand erhalten wird.

Die Arbeitsweise der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Maschine ist fοIgenderniassen:

Bei diesem AusfUhrungsbeispiel ist der Kolben 114 des Zylinders 101 in der Verbrennungskammer 120 am oberen Totpunkt und es erfolgt die Verbrennung. Die Verbrennungsenergie wird auf den Kolben 114 übertragen, um diesen abwärts zu drücken, wodurch die Kolbenstange II6 die Kolbenstange 117 ohne jegliche Relativbewegung zueinander versohiebt, und damit wird der Kolben 115 als einstückiges Teil ebenfalls abwärts bewegt. Die lineare Bewegung der Kolben und der Kolbenstangen wird auf die Kurbel 119* übertragen, so dass diese um die Achse P dreht, womit die Flanetenräder 16Ο und I6I entlang der daran kämmenden inneren Zahnräder I62 und 163 drehen. Damit drehen der Planetenträger oder die exzentrischen Zapfenlager 136¹ und 137* auf der Achse 0 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit und in entgegengesetzter Richtung zu den Zahnrädern 160 und i6l, und es dreht die Kurbel 119'. Damit wird folglich eine linear hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstangen 116 und 117 hervorgerufen.

Die Arbeitsweise der Zweitakt-Spülbrennkraftmaschine mit dem Vorkompressionsraum und mit den beiden Zylindern 101 und 102 ist vollkommen gleichartig zu der Arbeitsweise der in den

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Fig. 5 und 6 gezeigten Maschine.

Das Tandem- oder doppelt wirkende Merkmal, das oben beschrieben worden ist, wird ebenfalls auf die in den Pig, 7 und 8 gezeigte Maschine angewendet.

Da die Kolbenmaschine gemäss der Erfindung als Einzylindermaschine vollständig im Gleichgewicht bzw, ausgewogen ist, können Mehrzylinder-Maschinen sehr leicht ebenso als vollständig ausgewogene Maschinen hergestellt werden, so dass
die Anzahl und die Anordnung der Zylinder nach Wunsch bestimmt werden kann, um die erforderliohe Charakteristik zu erhalten oder um die Maschine auf begrenztem Raum unterzubringen bzw» anzuordnen.

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Claims

Patentansprüche :

1. Vollkommen ausgewogene Kolbenmaschine, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (3)» durch wenigstens einen mit dem Gehäuse fest verbundenen Zylinder (l) mit einem Zylinderkopf (2), durch mit dem Zylinder verbundene Wände (4) zur 'Begrenzung eines Raumes zwischen dem Zylinderkopf (2) und dem Gehäuse (3)» durch einen in dem Zylinder gleitend aufgenommenen und den Zylinderraum in zwei Arbeitsräume (2¹, 4¹) durch seine beiden Stirnflächen unterteilenden Kolben (5)» durch eine mit ihrem einen Ende mit dem Kolben (5) verbundene und gleitend an den mit dem Zylinder (i) verbundenen Wänden (4) anliegende Kolben- oder Verbindungsstange (7), durch eine Kurbel (-11) mit wenigstens einem Kurbelzapfen (lO), von denen jeder mit dem anderen Ende der Kolben- oder Verbindungsstange (7) unter einem Kurbelradius ε verbunden ist, durch wenigstens ein von dem Gehäuse (3) drehbar getragenes exzentrisches Zapfenlager (18, 19), das Trageinrichtungen (16, 17) aufweist, die die Kurbel (ll) mit dem gleichen Mass der Exzentrizität ε drehbar tragen, durch mit der Kurbel (ll) und den exzentrischen Zapfenlagern (18, 19) zusammenarbeitende Einrichtungen (23 - 34), um die Kurbel (li) und die Zapfenlager (l8, 19) mit derselben gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit in zueinander entgegengesetzter Richtung zu drehen sowie um eine linear hin— und hergehende Bewegung der Kolbenstange (7) zu bewirken, durch Ausgleichsgewichteinrichtungen mit einer Gesamtmasse m., die an der Kurbel (ll) auf der entgegengesetzten Seite des Kurbelzapfens (lO) in einem Abstand R. von seiner Achse (A) befestigt sind, durch weitere Ausgleichsgewichteinrichtungen mit einer Gesamtmasse m₂» die an dem exzentrischen Zapfenlager (l8, 19) auf der entgegengesetzten Seite der Trageinriohtungen (l6, 17) in einem Abstand R₂ von seiner Achse (0) befestigt sind, wobei die beiden Ausgleiohsge-

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Wichteinrichtungen derart bestimmt sind, dass sie die Formeln me = Hi₁R₁ und (m + In₁ + m,) ε = nigRg erfüllen, wobei m die hin- und hergehende Masse und m- die drehende Masse ist, so dass durch die hin— und hergehende Masse erzeugte Unwuchtkräfte ausgewogen sind,

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (l) ferner wenigstens einen mit den Arbeitsräumen (2¹, 4¹) in Verbindung stehenden, den Arbeitsräumen ein Strömungsmittel zuführenden Einlass (38, 39) aufweist, und dass mit den Arbeitsräumen (2*, 4¹) in Verbindung stehende Auslasseinrichtungen (37) vorgesehen sind, die das Strömungsmittel aus den Arbeitsräumen abführen.

3· Kolbenmaschine -aach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (l) ferner Zündeinrichtungen (46, 47) enthält, von denen je eine mit einem der Arbeitsräume (2*, 4¹) verbunden ist, und daes die Auslasseinriohtungen eine Auslassöffnung (37) aufKW-is^n,- dass die Kolbenmaschine als doppelt wirkende Kolbenmaschine arbeitet.

4. Vollkommen ausgewogene Kolbenmaschine, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (103)» durch wenigstens ein Paar von fest mit dem Gehäuse verbundenen Zylindern (lOl, 102) mit Zylinderköfpen (HO, Ul), wobei jedes Zylinderpaar auf beiden Seiten des Gehäuses zueinander entgegengesetzt miteinander fluchtend befestigt ist, duroh in jedem der Zylinder (lOi, 102) gleitend aufgenommene Kolben (114, 115), die zwischen ihrer einen Seite und den Zylinderköpfen (HO, lii) einen Raum (120, i2l) begrenzen, durch mit ihrem einen Ende mit den Kolben (114» 115) verbundene Kolbonstangen (li6, 117), wobei die Kolben und die Kolbenstangen in je einem Zylinderpaar als eine Einheit hin- und hergehen, durch Kurbeleinrichtungen (119) mit wenigstens einem Kurbelzapfen (118) entsprechend der Anzahl der Zylinderpaare auf einem Kurbelradius ε , wobei der

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Kurbelzapfen (ll8) drehbar mit den Kolbenstangen (ll6, 117) verbunden ist, durch.wenigstens ein drehbar in dem Gehäuse (103) gelagertes, exzentrisches Zapfenlager (136, 137), das Trageinrichtungen (138, 139) aufweist, die die Kurbeleinrichtungen (119) mit dem gleichen Mass der Exzentrizität ε tragen, durch mit den Kurbeln (119) und mit dem exzentrischen Zapfenlager (136, 137) zusammenarbeitende Einrichtungen (145 - 153J I60 - I63), um die Kurbeln (119) und Zapfenlager (136, 137) mit derselben gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit sowie in zueinander entgegengesetzter Richtung zu drehen und um eine linear hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstangen (Ho, 117) zu erzeugen, durch Ausgleiohsgewichteinrichtungen mit einer Gesamtmasse m., die mit der Kurbel (119) auf der entgegengesetzten Seite des Kurbelzapfens (lie) in einem Abstand R₁ von seiner Achse (A) befestigt sind, durch weitere Ausgleichsgewichteinrichtungen mit einer Gesamtmasse m₂» die mit dem exzentrischen Zapfenlager (136, 137) auf der entgegengesetzten Seite der Trageinrichtungen (138, 139) in einem Abstand R„ von seiner Achse (θ) befestigt sind, wobei die beiden Ausgleichsgewichteinrichtungen derart bestimmt sind, dass sie die Formeln m e = m.R. und (m + m. + m_) ε = nipRp erfüllen, worin m die hin- und hergehende Masse und m, die drehende Masse ist, so dass durch die hin- und hergehende Masse erzeugte Unwuohtkräfte ausgewogen.sind.

5· Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen für das Zusammenarbeiten mit den Kurbeln und dem exzentrischen Zapfenlager ein erstes, mit den Kurbeln (119) verbundenes Zahnrad (l45| 160), eine erste und eine zweite, drehbar von dem Gehäuse (103) getragene und parallel zur Achse der Kurbeln angeordnete Welle (147, 151), ein exzentrisohes, auf der ersten Welle (147) befestigtes Zahnrad (146) mit der gleichen Anzahl von Zähnen wie in dem ersten damit in Eingriff stehenden Zahnrad (145) und mit einer Exzentrizität ε , ein zweites, auf der ersten Welle (147) befestig-

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tes Zahnrad (l48), ein drittes, auf der zweiten Welle (151) befestigtes, mit dem zweiten Zahnrad (l4t8) in Eingriff stehendes Zahnrad (149; 150) und ein viertes, mit wenigstens einem der exzentrischen Zapfenlager (136, 137) verbundenes Zahnrad (l52j 153) mit der gleichen Anzahl von Zähnen wie die des zweiten Zahnrads (148), wobei das vierte Zahnrad (152; 153) mit dem dritten Zahnrad (l49j 150) in Eingriff ist, aufweisen.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (l60 - I63) für das Zusammenarbeiten mit den Kurbeln (119¹) und dem exzentrischen Zapfenlager (136¹, 137^!) ein Planetenrad (i6Oj 161) mit einem Teilkreisdurchmesser 2 ε , das auf der Kurbel befestigt ist, aufweisen und dass innere Zahnräder (l62j 163), die an dem Gehäuse (IO3¹) befestigt sind, konzentrisch zu dem exzentrischen Zapfenlager (136¹, 137¹) angeordnet sind, einen Teilkreisdurchmesser 4ε haben und mit dem Planetenrad (16Ο5 I61) in Eingriff sind.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch k_f dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine ferner mit jedem der Zylinder (lOl, 102) verbundene Wände (122, 123) enthält, die einen weiteren Raum (126, 127) zwischen dem Gehäuse (103¹) und der anderen Seite d"es Kolbens (liA, 115) begrenzen und gleitend gegen die Kolbenstangen (II6, 117) anliegen.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, daduroh gekennzeichnet, dass die Zylinder (lOl, 102) ferner mit diesem weiteren Raum in Verbindung stehende Einlasseinrichtungen (104, 105), mit dem Raum (120, 121) zwischen Zylinderkopf (ilO, 111) und Gehäuse (103) in Verbindung stehende Auslasseinrichtungen (106, 107), mit beiden Räumen in Verbindung stehende Spüleinrichtungen (IO8, 109) und mit dem Raum zwischen Zylinderkopf und Gehäuse verbundene Zündeinriohtungen (112, 113) enthält, so dass die Kolbenma-

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sohine als Zweitakt—Spül—Brennkraf^maschine mit einem Vorkompressionsraum und mit einer Phasenverschiebung von 180° für jedes Zylinderpaar arbeitet.

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