DE3610108A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, insbesonders zur Verwendung in Kraftfahrzeuqen. Derartige Motoren sind seit über 100 Jahren bekannt und in unzähligen Varianten vorgeschlagen oder gebaut worden, so daß sich eine nähere Beschreibung des Prinzips er­ übrigt. Am bekanntesten und fast ausschließlich in der Praxis benutzt ist der Hubkolbenmotor, der jedoch gra­ vierende Nachteile hat, die bis heute nicht zufrieden­ stellend behoben werden konnten. Vor allem sind die oszillierenden Massen nachteilig, da sie Unwuchten auf­ weisen, die zu Schwingungen führen. Außerdem ist es energietechnisch gesehen widersinnig, zunächst eine Linearbewegung zu erzeugen, die dann in eine Rotations­ bewegung umgesetzt werden muß. Man benötigt also Hub­ kolben, Pleuelstangen zum Umsetzen der Bewegung und Kurbelwellen. Außerdem erzeugen die Pleuelstangen Seiten­ kräfte, die schädliche Reibungen an den Zylinderwänden bewirken.

Die Hubkolbenmotore arbeiten meist im Viertakt und be­ nötigen Ventile, da die Zylinder während des Arbeits­ taktes für die Zufuhr des Brennstoffes verschlossen und für den Abzug der verbrannten Reste wieder geöffnet werden müssen. Die Ventilsteuerung ist bekanntlich sehr kritisch und aufwendig, was auch die Drehzahl des Motors begrenzt.

Mit dem Kreiskolbenmotor hatte man geglaubt, diese Nach­ teile und Schwierigkeiten überwinden zu können, doch hat die Praxis gezeigt, daß auch dieser Motor Nachteile hat, die eine Verdrängung des Hubkolbenmotors nicht zuließen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Ver­ brennungsmotor zu schaffen, der von dem Prinzip des Hub­ kolbenmotors abweicht und daher auch nicht dessen Nachteile aufweist. Die Erfindung geht auch einen ganz anderen Weg als bei dem bekannten Kreiskolbenmotor und vermeidet da­ her viele Schwierigkeiten, die bei diesem Motor auftreten.

Die Erfindung betrifft demnach einen Verbrennungsmotor, der insbesonders nach dem bekannten Viertaktprinzip, nämlich Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen, arbeitet. Die Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruches gekennzeichnet.

Vorteile der Erfindung:

Als wichtigster Vorteil ist zu nennen, daß der neue Motor keine oszillierenden Hubbewegungen des Kolbens ausführt, die in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden müßten. Man benötigt deshalb auch keine Pleuelstangen, die die oben genannten schädlichen Seitenkräfte erzeugen. Da der Kolben sich gleichmäßig dreht und nur eine virtuelle Gleitbewegung ausführt, ist es auch nicht nötig, ihn ständig zu be­ schleunigen bzw. abzubremsen. Ferner werden die vier Motortakte in einem Arbeitstakt erzielt, wobei die An­ triebswelle (Kurbelwelle) sich doppelt so schnell dreht wie die Zylinder, d.h. in einem Arbeitstakt dreht sich der Zylinder um 180° und die Kurbelwelle um 360°.

Durch die paarweise Anordnung der Zylinder und Kolben mit synchronem Antrieb wird erreicht, daß während der gesamten 360°-Umdrehung der Kurbelwelle Kraft auf diese übertragen wird. Im Vergleich hierzu benötigt man bei den herkömmlichen Viertakt-Motoren für einen Arbeits­ takt zweimal 360°-Umdrehungen der Kurbelwelle, wobei die Kraftübertragung aber nur während 180°, d.h. bei einem Viertel des Arbeitstaktes erfolgt.

Ferner weist der neue Motor auch keine Ventile auf, so daß alle mit ihnen verbundenen Nachteile und Schwierig­ keiten vermieden sind, und die Einlaßöffnung für das Kraftstoffgemisch und die Auslaßöffnung für die Reste des verbrannten Gemisches können relativ groß sein.

Durch die Verwendung von zwei versetzten Zylindersystemen erhält man keine Totpunktsituation und damit eine optimale Kraftverteilung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung beispielsweise erläutert wird.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den neuen Motor

Fig. 2 den Schnitt A-A der Fig. 1

Fig. 3 und Fig. 4 den Arbeitsablauf des Motors gemäß Schnitt B-B der Fig. 1

Fig. 5 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel und seinen Arbeitsablauf.

Der Aufbau des Motors wird zunächst anhand der Fig. 1 und Fig. 2 erläutert. Wie man sieht, besteht der Motor aus einem oberen Teil A, dem sogenannten Arbeitsteil, und dem unteren Teil B, dem sogenannten Versorgungsteil.

Die Bedeutung von Arbeits- und Versorgungsteil wird weiter unten erläutert. Die beiden Motorteile sind identisch und spiegelbildlich zusammengefügt. Es genügt daher, nur den einen Motorteil zu beschreiben, wobei für den zweiten Motorteil die gleichen Bezugs­ zeichen eingetragen sind.

Aufbau des Motors:

Der Motor weist eine Welle 1 auf, auf der zwei, um 180° gegeneinander versetzte Exzenterscheiben 2 und 3 sitzen, die in die senkrecht zur Welle 1 liegenden Kolben 4 und 5 eingreifen, wobei letztere um 90° geqeneinander ver­ dreht sind und in den Zylindern 6 bzw. 7 virtuell gleiten. Die Zylinder 6 und 7 sind in den Rotor 8 dicht eingelassen, der sich um die virtuelle Achse C, die in einer zur Welle 1 parallelen Ebene liegt und gegenüber der Welle 1 in der Bildebene nach unten bzw. nach oben versetzt ist, auf den Laqern 9 und 10 dreht. Die Ex­ zenterscheiben 2 und 3 sind in dem Kolben 4 bzw. 5 über das Nadellager 11 (Fig. 2) gelagert, so daß beim Drehen der Welle 1 die Exzenterscheiben an dem Nadel­ lager 11 abrollen und die Kolben 4 und 5 in Drehung ver­ setzen. Wegen der versetzten Welle 1 und Achse C ent­ steht hierbei eine Über- bzw. Untersetzung von 1 : 2 bzw. 2 : 1, so daß sich bei einer Drehung des Rotors 8 um 180° die Kolben 4 und 5 um 360° und damit die Exzenterwellen 1 um 360° drehen. Die hier erreichte Über- bzw. Untersetzung folgt dabei dem im deutschen Patent 31 06 464 geschützten Prinzip. Die Bedeutung dieser Übersetzung wird weiter unten im Zusammenhang mit dem Funktionsablauf erläutert.

Die Rotoren 8 sind von einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse 12 bzw. 13 umgeben, wobei das Gehäuse 12 einen Einlaufstutzen 14 und das Gehäuse 13 einen Auslaufstutzen 15 aufweist. Die Rotoren 8 können sich in den Gehäusen 12 und 13 drehen. Wie man ferner sieht, ist die Wandung des Gehäuses 12 auf der linken Seite auf einem Umfang von et­ wa 180° dünner als am übrigen Umfang, während diese Ver­ dünnung bei dem Gehäuse 13 auf der rechten Seite vorhan­ den ist. Hierdurch entstehen Ansaug- bzw. Auslaßschlitze 16 bzw. 17. Durch diese unterschiedliche Wandstärke entsteht der Hohlraum 16 bzw. 17 für die Aufnahme des Kraftstoff­ gemisches bzw. der Verbrennungsrückstände.

Die beiden Gehäuse 12 und 13 sind dicht miteinander ver­ bunden. Die Zylinder 6 und 7 weisen Durchbrüche 18 und 19 auf, so daß der Kraftstoff in die Zylinder eindringen bzw. wieder austreten kann. Auf der linken Seite des Motors (Fig. 2) ist die Zündkerze 20 angedeutet. Die beiden Ex­ zenterwellen 1 sind über das Getriebe 21, 22 miteinander gekoppelt, so daß ein synchroner Umlauf mit verkehrtem Umlaufsinn erfolgt.

Arbeitsweise des Motors:

Die Funktion und Arbeitsweise des Motors wird anhand der Fig. 3a-3e und 4a-4e erläutert.

Der untere Teil des Motors wird als Versorgungsteil und der obere Teil als Arbeitsteil bezeichnet, was aus der folgenden Erläuterung klar wird.

Es wird angenommen, daß der Rotor 8 (Fig. 3a) dea Arbeits­ teils mittels eines Anlassers in Richtung des Pfeils 23 in Dehnung versetzt wird. Dann drückt beispielsweise der Zylinder 4 auf die Exzenterscheibe 2 und versetzt so die Exzenterwelle 1 in gleicher Richtung in Umdrehung, wie durch den Pfeil 24 angedeutet ist. Über das Getriebe 21, 22 werden der Rotor 8 und die Welle 1 des Vorbereitungsteils in umgekehrter Richtung angetrieben, wie die Pfeile 29 und 30 zeigen.

Dabei wird über den Stutzen 14 Kraftstoffgemisch in den Bereich 16 angesaugt. In dem Zylinderraum 25 soll sich schon Kraftstoffgemisch befunden haben. Wie die Fig. 3b bis 3d erkennen lassen, wird mit weiterer Umdrehung des Zylinders 4 der Raum 25 immer kleiner, da der Kolben 4 in dem Hohlzylinder 6 virtuell gleitet, so daß das in dem Raum 25 befindliche Kraftstoffgemisch verdichtet wird. Der Zylinderraum 26, der an der entgegengesetzten Seite des Kolbens 4 liegt, wird bei dieser Drehbewegung immer größer und gestattet über den Durchbruch 18 den Eintritt des Kraftstoffgemisches. Wenn der Rotor eine Drehung von 180° vollführt hat, was man an dem Pfeil 23 in Fig. 3e erkennt, zeigt der Pfeil 24, daß die Exzenterwelle 1 360° zurückgelegt hat. Nach dieser 360°-Drehung des Kol­ bens 4 (Fig. 3e) ist der Raum 25 am kleinsten und das Kraftstoffgemisch am stärksten verdichtet. In dieser Stellung stehen sich die Durchbrüche 18 und 19 der Zylinder 6 gegenüber, so daß das verdichtete Kraftstoffgemisch in den Arbeitsteil des Motors übergeben werden kann. Die Stellung der Fig. 3e entspricht also der Stellung der Fig. 3a, nur daß alle Kolben eine 180°- und die Exzenterwellen eine 360°-Umdrehung gemacht haben, d.h., daß wie bei herkömmlichen Motoren ein kompletter Viertakt in einem Arbeitstakt durchge­ führt wurde, nämlich Ansaugen des Kraftstoffgemisches bis zum Ausstoßen der verbrannten Restbestände.

Dies wird bei der Beschreibung der Stellungen des Arbeits­ teiles deutlich.

Gemäß Fig. 3a war angenommen, daß beim Starten mit dem An­ lasser im Versorgungsteil Kraftstoffgemisch vorhanden war; dann ist auch im Arbeitsteil das Kraftstoffgemisch so weit verdichtet, daß es gezündet werden kann, wenn der Kolben 4 b in den Bereich der Zündkerze 20 gedreht wird (Fig. 3b). Beim Zünden wird Kraft auf den Kolben 4 b in Richtung des Pfeiles 31 ausgeübt, die über die Exzenterscheibe 2 b die Welle 1 b in Drehung versetzt. Beim weiteren Drehen des Rotors 8 b bzw. des Kolbens 4 b gelangt der Zylinderraum 27 mit der Öffnung 28 in den Bereich des Auslaufschlitzes 17, so daß das verbrannte Kraftstoffgemisch ausgestoßen werden kann. In Fig. 3e ist wieder die Ausgangsstellung mit um 180° verdrehtem Rotor 8 b und um 360° verdrehter Exzenter­ welle 1 dargestellt. Das Erreichen der Ausgangsstellung bedeutet also einen Arbeitstakt; während dieses Arbeits­ taktes sind jedoch die vier Takte eines Verbrennungs­ motors durchgeführt worden.

Wie man ferner erkennen kann, treten keine oszillierenden Bewegungen der Kolben auf, die in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden müßten. Die Kolben 4 a und 4 b drehen sich kontinuierlich und führen nur virtuell eine Hubbewegung aus, so daß auch keine Beschleunigungs- bzw. Abbrems­ kräfte erforderlich sind.

Durch die Kopplung der beiden Motorenteile über das Ge­ triebe 21, 22 wird der Versorgungsteil synchron von dem Arbeitsteil angetrieben.

Wie anhand der Fig. 1 und 2 erläutert wurde, hat jeder Motorteil zwei um 90° gegeneinander verdrehte Kolben, in die die Exzenterscheiben 2, 3 eingreifen.

Fig. 4a - 4e zeigen nun den Arbeitsablauf des zweiten Kolben­ paares, der sich ohne weiteres aus den Darstellungen in Zu­ sammenhang mit der Beschreibung der Fig. 3a-3e ergibt.

In der Ausgangsstellung liegen die Kolben 5 a und 5 b waage­ recht; im Arbeitsteil ist das Ansaugen des Kraftstoffge­ misches in den Zylinderraum 33 schon im Gange, während in dem Zylinderraum 32 die Verdichtung schon fortgeschritten ist. Im Arbeitsteil hat die Zündung schon stattgefunden, und die Verbrennungsrückstände werden über den Auslauf­ stutzen 15 ausgetrieben. Beim weiteren Drehen des Kolbens ergeben sich dann die oben zu Fig. 3a-3b beschriebenen Abläufe.

Wie aus der Patentschrift 31 06 464 bekannt ist, hat die Verwendung von zwei gegeneinander versetzten Exzenter­ scheiben den Vorteil, daß die Kraftübertragung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle optimal ist. Dies ist auch hier der Fall. Ferner ergibt sich der Vorteil, daß ständig Kraftstoffgemisch angesaugt wird und daß die Kraftüber­ tragung auf die Antriebswelle für das Kraftfahrzeug auf vollen 360° stattfindet.

Die Beschreibunq hat ferner gezeigt, daß keine Ventile und keine Pleuelstange erforderlich sind, da keine Hin- und Herbewegung auftritt, die in Rotationsbewegung umge­ setzt werden müßte.

Die erforderlichen Abdichtungen sind nicht besonders beschrieben, da diese vom Fachmann in geeigneter Weise durchgeführt werden können.

Das beschriebene Beispiel kann selbstverständlich noch in mannigfacher Weise mit dem Wissen des Fachmannes modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen; insbe­ sonders können das Material und die Formgestaltung abgewan­ delt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aber, wenn man die Stirnseiten der Kolben des Arbeitsteils des neuen Motors plan ausbildet, wie es auch aus den Figuren des beschriebenen Beispiels zu ersehen ist. Die Kolben des Vorbereitungsteils sind nämlich an ihren Stirnseiten ge­ krümmt, so daß sie an der Innenseite des Rotors 8 form­ schlüssig anliegen können. Die planparallele Ausbildung bringt den Vorteil, daß der Übergaberaum im Arbeitsteil größer ist und somit das verdichtete Kraftstoffgemisch besser übernommen werden kann.

Wie weiter oben gesagt, soll die Anordnung der Zündkerze 20 so sein, daß sich eine optimale Zündung des Kraftstoffge­ misches ergibt. In diesem Sinne geht eine andere Weiterbil­ dung der Erfindung dahin, die Nullstellung der beiden Systeme im Vorbereitungs- und Arbeitsteil nicht exakt spiegel­ bildlich symmetrisch zu machen, sondern die Nullstellung in dem Arbeitsteil um 45° im Uhrzeigersinn zu verdrehen. Diese Anordnung bringt den Vorteil, daß während einer 45°-Drehung des Zylinders des Arbeitsteils eine Nach- bzw. eine Zusatz­ verdichtung stattfindet, so daß die Zündung im optimalen Zeitpunkt erfolgen kann.

Es ist selbstverständlich auch möglich, bei dem neuen Motor eine Einspritzung des Kraftstoffes vorzusehen. Dabei ist es zweckmäßig, die Einspritzdüse so anzuordnen, daß die ange­ saugte Luft schon etwas verdichtet ist, wenn die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt.

Zur Veranschaulichung der beiden letztgenannten Weiterbil­ dungen dienen die Fig. 5a-5e.

Aus der Erläuterung gemäß den Fig. 3 und 4 läßt sich der Ablauf bei dem Einspritzmotor leicht erkennen. Der Rotor 34 des Vorbereitungsteils dreht sich im Sinne des Pfeils 35 (Fig. 5a). Nach etwa 45° Drehung (Fig. 5b) ist die über den Stutzen 36 angesaugte Luft schon etwas verdichtet; in diesem Bereich erfolgt dann die Einspritzung des Kraft­ stoffes, wie man an der Einspritzdüse 37 erkennen kann. Der weitere Ablauf ist dann wie vorstehend beschrieben. Man erkennt auch hier, daß sich die Exzenterwelle 38 bzw. die Exzenterscheibe 39 um 360° gedreht hat, wie der Pfeil 40 zeigt, während der Rotor 30 sich nur um 180° gedreht hat, wie der Pfeil 31 zeigt.

Claims (5)

1. Verbrennungsmotor, insbesondere Vier-Takt-Motor mit Zylindern und Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor aus
zwei identischen Motorteilen (Vorbereitungsteil B, Arbeitsteil (A) besteht mit jeweils folgendem Aufbau:
zwei parallele, um 90° gegeneinander verdrehte Zylinder (6, 7) mit je einem in ihnen virtuell gleitenden Kolben (4, 5),
je eine zu den Seitenwänden der Zylinder mittig in den Kolben angeordnete Exzenterscheibe (2, 3), wobei die beiden Exzenterscheiben (2, 3) um 180° gegenein­ ander versetzt auf einer ortsfest gelagerten Exzenter­ welle (1) sitzen und in kreisförmigen Aussparungen der Kolben abrollen können,
einen Rotor (8) mit einer zur Exzenterwelle parallelen aber versetzten Drehachse (C) in welchen die Zylinder (6, 7) fest eingebettet sind, und
daß jeder Rotor (8) von einem zylindrischen Gehäuse (12, 13) umgeben und in diesem drehbar gelagert ist und die beiden Gehäuse (12, 13) spiegelbildlich mit­ einander fest und dicht verbunden sind, und
daß jeder Rotor (8) an den Stirnseiten des Kolbens eine Ein- (18) bzw. Austrittsöffnung (19) aufweist,
daß ferner die Wandstärke der Gehäuse (12,13) auf etwa 180° ihres Umfanges reduziert ist, so daß Ansaug- bzw. Auslaß­ schlitze (16, 17) zwischen Gehäuse (12, 13) und Rotor (8) ent­ stehen, an denen die Einlaß- (14) bzw. Auslaßstutzen (15) für das Kraftstoffgemisch bzw. die Verbrennungsrückstände angesetzt sind, wobei die beiden Stutzen (14,15) bezüglich des Umfangs der Gehäuse um 180° versetzt sind, und daß schließlich im Arbeitsteil (A) die Zündkerze (20) angeordnet ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der Kolben des Arbeits­ teils (A) planparallel ausgebildet sind.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellung der Kolben bzw. Zylinder des Arbeits­ teils (A) um etwa 45° im Uhrzeigersinn gegenüber der Nullstellung der Kolben bzw. Zylinder des Vorbereitungs­ teils (B) verdreht ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Vorbereitungsteil (B) Einspritzdüsen (33) für den Kraftstoff vorgesehen sind.

5. Verbrennunqsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen (33) um etwa 45° entgegen dem Uhr­ zeigersinn versetzt sind.