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Vorrichtung zum Antreiben einer Abtriebswelle
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben eines Läufers
mittels eines Kolbens und zwischengeschalteter Getriebeteile.
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Allgemein bekannt sind die sogenannten Otto-Motoren.
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Dort wird eine Kurbel- bzw. Nockenwelle über mehrere Kolben angetrieben,
deren Kolbenbewegung radial zur Wellenachse verläuft. Nachteilig hat sich hier herauscestellt,
dass einmal um eine bestimmte Leistung des Motors Zl erreichen mehrere Kolben vorgesehen
sein müssen, wobei jeder Kolben seinen eigenen Zylinder, seine eigenen Ein- und
Auslässe und auch seine eigene Zündanlage besitzt. Zum andern ist die Kraftübertragung
in radialer Pichtung auf eine Nockenwelle immer verbesserungsbedürftig. Die Otto-Motoren
sind als Hubkolbenmaschinen
oder Kreiselkolbenmotoren ausgebildet
und arbeiten im Viertakt- oder Zweitaktverfahren. Das Viertaktverfahren umfasst
das Ansaugen, Verdichten, Zünden und Verbrennen, sowie Ausschieben.
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Des weiteren ist der Kreiskolbenmotor bekannt, dessen Kolben eine
stetig kreisende Bewegung ausführt. Als Ausführungsform sei hier der Wankelmotor
erwähnt, bei dem ein in einem trochoidenförmigen Gehäuse exzentrisch gelagerter
Drehkolben, der die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat, umläuft, indem er sich
um einen Mittelpunkt dreht, der selber gleichzeitig eine Drehbewegung ausführt.
Der Arbeitsvorgang nach dem Viertaktverfahren findet in den zwischen Drehkolben
und Gehäusewand liegenden Arbeitsräumen statt, die sich vergrössern und verkleinern
und mit Hilfe von Ein- und Auslassschlitzen in der Gehäusewand, die vom Drehkolben
gesteuert werden, den Ladungswechsel durchführen, also ansaugen, verdichten, expandieren
und ausschieben. Die Vorteile des Kreiskolbenmotors gegenüber dem Hubkolbenmotor
liegen insbesondere in der geringeren Anzahl von Bauteilen, im Wegfall von hin-
und hergehenden Massen, im Wegfall von Ventilantrieb, geringere Baugrösse und geringeres
Gewicht. Andererseits sind sie jedoch mit erheblichen Herstellungskosten und einer
aufwendigen Abdichtung belastet, weisen einen ungünstigen Brennraum mit hohen Wärmeverlusten
auf und haben insbesondere einen hohen Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
und HC im Abgas.
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Der Erfinder hat sich zum Ziel gesetzt, ein neues Antriebsaggregat
zu entwickeln, welches mit einer geringen Anzahl an Bauteilen arbeitet und dennoch
einen sehr
hohen Wirkungsgrad hat, leicht und kompakt ist, und ohne
Nocken- und Kurbelwelle auskommt. Insbesondere soll auch die Oberflächenreibung
für den Kolben verringert werden, dagegen die Arbeitstakte vervielfacht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass der Kolben aus zwei Kolbenteilen
besteht, welche miteinander Verbrennungskammern bilden. Beide Kolbenteile drehen
um eine gemeinsame Achse, wobei die Weite der Verbrennungskammern veänderbar ist.
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Hierzu hat sich am wirkungsvollsten die Ausbildung eines Kolbenteils
als Zylinderabschnitt mit einem Segmentausschnitt erwiesen, in den der zweite Kolbenteil
als Segmentabschnitt eingesetzt ist, wobei der Winkel des Segmentausschnitts grösser
ist als der Winkel des Segmentabschnitts. Durch diese Winkelunterschiede wird die
Weite der Verbrennungskammer bestimmt, wodurch ebenfalls selbstverständlich die
Leistung des Motors verändert werden kann. Beim Umlaufen der beiden Kolben teile
um 3600 soll ebenfalls ein Viertakt durchgeführt werden, nämlich Ansaugen, Verdichten,
Zünden, Ausstossen. Bevorzugt ist dieser Viertakt zumindest zweimal je Drehung um
3600 vorgesehen, jedoch ist eine Erhöhung denkbar und liegt ebenfalls im Rahmen
der Erfindung.
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Bevorzugt sollen die Kolbenteile so geformt sein, dass sie nacheinander
zumindest einen Zylinderabschnitt und einen Segmentabschnitt aufweisen. Selbstverständlich
kann diese Anordnung auch vervielfacht werden. Jedem Zylinder- bzw. Segmentabschnitt
ist dann ein Zylinder-bzw. Segmentabschnitt des anderen Kolbenteils zugeordnet.
Auf diese Weise entsteht ein Kolben, welcher ein
prismaartiges Aussehen
hat.
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Für die Kraftübertragung soll jeder Kolbenteil mit einem Planetenzahnrad
verbunden sein, welches wiederum eine kraftschlüssige Verbindung mit einem Sonnenrad
eingeht, das an den Läufer gekoppelt ist. Dies ist ein weiterer entscheidender Punkt
der Erfindung, da hier die übliche Kurbelwelle entfällt. Das Planetengetriebe ist
bereits eine Stufe des Getriebes selbst. Deswegen kann die ganze Antriebseinheit
sehr kompakt gebaut werden.
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Die Konstruktionsteile sind sehr einfach gestaltet, in der Mehrheit
zylinderförmig. Der Lauf des Motors ist turbinenartig und vibrationsarm, die Kolbengeschwindigkeit
relativ gering, Dichtungsprobleme treten keine auf. Insgesamt lässt der Motor eine
hohe Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit erwarten.
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Infolge der minimalen Reibungsflächen und des Leistungsgewichtes wird
der Motor auch in den Bereich der Hochleistungstriebwerke Zugang finden, wie zum
Beispiel der Renn- und Flugtriebwerke. Auch so ausgestaltete Dieselmotoren sind
denkbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zelchnun; diese zeigt in Figur 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen
Antrieb;
Figur 2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Kolbenteils,
Figur 3 eine Draufsicht auf den Kolbenteil nach Figur 2; Figur 4 eine perspektivische
Ansicht des Kolbenteils nach Figur 2; Figur 5 einen Querschnitt durch einen zusammengesetzten
Kolben aus zwei Kolbenteilen; Figur 6 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise
des erfindungsgemässen Antriebs.
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Nach Figur 1 sind, hier nur schematisch, jedoch in den Figuren 2 bis
6 näher gezeigte, Kolbenteil 1 und 2 einer Antriebseinheit R von einem zylindrischen
Gehäuseteil 3 umfangen. Dieses Gehäuseteil 3 ist einerseits von einer Stirnplatte
4 mittels Befestigungselemente 5 verschlossen, welche mittig eine Rundbohrung 6
zur Aufnahme eines Lagers 7 aufweist. In diesem Lager 7 dreht ein axialer Zapfen
8 einer Scheibe 9, welche mittels Schrauben 10 fest mit dem einen Kolbenteil 2 verbunden
ist. Den anderen Kolbenteil 1 berührt die Scheibe 9 nicht; hier durchsetzt lediglich
ein Anschlagbolzen 11 ein Langloch 12, um eine axiale Bewegung von Kolbenteil gegenüber
Kolbenteil 2 zuzulassen.
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Gegenüber der Scheibe 9 ist der Kolbenteil 1 mit einer Drehscheibe
14 fest verbunden, welche jedoch den Kolbenteil 2 nicht berührt. Die Verbindung
zwischen Drehscheibe 14 und Kolbenteil 1 wird über ein Kniehebelelement
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bewirkt, welchem andernends exentrisch ein Zahnrad 16 aufgesetzt ist. Auch der Kolbenteil
2 ist über ein Kniehebelelement 17 exzentrisch mit einem Zahnrad 18 verbunden, wobei
in der Drehscheibe 14 eine Ausnehmung 19 eine Bewegungsfreiheit des Kniehebelelements
17 zulässt. Beide Zahnräder 16 und 18 stehen mit einer Innenzahnung 38 eines mit
dem Gehäuseteil 3 fest verbundenen Ringes 39 in Eingriff und umlaufen zugleich ein
Sonnenrad 20, welches mit einer Abtriebswelle 21 verbunden ist, so dass letztendlich
diese Abtriebswelle 21 mit dem aus den beiden Zahnrädern 16, 18 gebildeten Planetensatz
eine kraftschlüssige Verbindung eingeht.
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Diese Kraftschlüssigkeit der Innenzahnung 38 mit den ahnrädern 16,
18 und dem Sonnenrad 20 bewirkt den geregelten Umlauf der Kolbeneinheit 1 und 2
zwangsläufig und steuert sinngemäss die vier Takte Ansaugen, Verdichten, Zünden,
Ausstossen während einer Umdrehung von 3600. Dementsprechend ist auch das Verhältnis
dieser Teile zueinander von grosser konstruktiver Bedeutung.
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Die Abtriebswelle 21 dreht axial in einem Lager 22 in der Drehscheibe
14. Weitere Lager 23 und 24 für den Läufer 21 und Zahnradachsen 25 sind in einer
Drehscheibe 26 vorgesehen, welche in einem Hauptlager 27 angeordnet ist, das die
Drehscheibe 26 gegenüber einer weiteren Gehäuseschale 28 abstützt. Diese Gehäuseschale
28 ist einerseits mit dem Gehäuseteil 3 verschraubt, andererseits von einer Endplatte
30 abgedeckt, welche ein weiteres Drehlager 29 für die Abtriebswelle 21 enthält.
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Außerdem durchsetzt die Endplatte 30 eine Kurbel 31 in weiteren Lagern
32 und 33, welche mit einem Zahnrad 34 eine Antriebsscheibe 35 kämmt.
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In dem Gehäuseteil 3 sind im übrigen vier Gewindebohrungen 36 zum
Einsetzen von Zündkerzen und je zwei gestrichelt angedeutet Ein- und Auslassschlitze
37 vorgesehen.
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Jedes Kolbenteil 1 und 2 besteht, wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt,
aus einem Zylinderabschnitt 40, mit einem Segmentausschnitt 41 und einem angesetzten
oder angeformten Segmentabschnitt 42. Ein Winkel w des Segmentausschnitts 41 ist
grösser als ein Winkel v des Segmentabschnitts 42 um die gemeinsame Kolbenachse
A.
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Das Verhältnis der Winkel w und v zueinander bestimmt mit die Leistung
des Antriebs, da ein fertiger Kolben aus zwei spiegelbildlich angeordneten Kolbenteilen
1 und 2 besteht und so vier Verbrennungskammern 43 gebildet sind, von denen in Figur
5 nur zwei angedeutet werden. Je grösser der Unterschied zwischen beiden Winkeln
w und v ist, um so grösser ist auch die Verbrennungskammer 43 bzw. der Oeffnungswinkel
z.
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Im übrigen zeigt Figur 5 eine Modifikation eines Kolbens, bei welchem
im Zylinderabschnitt 40 am Grunde des Segmentausschnitts 41 eine Rinne 44 eingeformt
ist, in welcher der Segmentabschnitt 42 mit einem Wulstkeder 45 ruht. Dem Wulstkeder
45 ist eine Scheitelnut 46 eingeformt, welche eine nicht gezeigte Dichtungsleiste
aufr.ehmen kann, deren Funktionen einem bekannten Kolbenring ähneln.
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figur 6 zeigt nun die Arbeitsweise des Kolbens eines Vierkammerläufers,
wobei nur das Zusammenspiel eines 7xFlinderabschnitls 40 mit einem Segmentabschnitt
42 dargestellt ist. Insgesamt sind für den ganzen Kolben
betrachtet
jedes nachfolgend beschriebene Element doppelt vorhanden. Bei einer Drehung um 3600
sind für jede Verbrennungskammer zwei Arbeitstakte (Verdichtungs- und Explosionstakte)
vorgesehen, wobei die Zündanlage mit 48 angedeutet ist. Im Rahmen der Erfindung
liegt aber auch, die Zündkerzen an einer Innenfläche im Segmentausschnitt 41, das
heisst in der Verbrennungskammer 43 anzuordnen, wodurch die Verbrennung, allerdings
auf Kosten einer guten Zugänglichkeit zu den Zündkerzen, verbesteht wird.
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Weiterhin sind sich jeweils gegenüberliegend Auslässe 49 sowie Einlässe
50 vorgesehen.
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Die I. Stellung nach Figur 6 zeigt, dass in die eine Verbrennungskammer
43a Kraftstoff eingesaugt wird, während bei der anderen 43b gerade die Zündung erfolgt.
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Hierdurch wird die Kammer 43b geöffnet, dagegen die Kammer 43a verdichtet,
während die Kolbendrehbewegung um die Achse A beschleunigt wird. Beide Kammern gelangen
in die II. Position. Die Brenngase können aus der Kammer 43b in den Auslass 49 entfernt
werden, gleichzeitig erfolgt die Zündung in der Kammer 43a. Die Gase aus dieser
Zündung werden wiederum aus der Kammer 43a durch den nachfolgenden Auslass entfernt,
wobei neuer Brennstoff in die Kammer 43b eingesaugt wird, wie dies die III. Position
zeigt. In der IV. Position wird die Kammer 43b wieder gezündet, während die Kammer
43a den Auslass 50 passiert. In der V. Position erfolgt eine Zündung der Kammer
43a, während die Kammer 43b am Auslass 49 vorbeiläuft. Und schliesslich steht die
Kammer 43a auf Auslass 49, wenn die Kammer 43b wieder ansaugt.
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Die nächste Position ist wieder die I. Position. Damit
ist
eine Drehung um 3600 vollzogen, die entsprechend notwendigen Veränderungen der Kammern
43a bzw. 43b werden insbesondere von der Zündung und von der Bewegung der Zahnräder
16 und 18 durchgeführt.
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Insgesamt werden pro Umdrehung zweiunddreissig Takte geleistet, wovon
acht Arbeitstakte sind. Dies sind sechs Arbeitstakte mehr als bei einem bekannten
Otto-oder Wankelmotor bei wesentlich geringerer Oberflächenreibung, da ein entsprechender
Otto- oder Wankelmotor eine etwa 40 bis 50 % grössere Kolbenfläche aufweisen müsste.
Die Kolbengeschwindigkeit ist wesentlich tiefer als bei den bisher bekannten Motoren
und zwar etwa um 20 bis 30 %. Maximal wird eine Kolbengeschwindigkeit von 8 bis
10 m/sec notwendig sein.
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Der Ein- und Auslass erfolgt zwangsläufig durch die Rotordrehung mit
hoher Ansaug- und Spülleistung. Dort sind keine beweglichen Teile, wie Ventile,
vorhanden, welche gewartet werden müssen.
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Die ganze Antriebseinheit kann in entsprechenden Hohlräumen mit Wasser
oder Oel gekühlt werden.