DE3621131A1 - Kolbenkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenkraftmaschine mit mehreren rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse angeordneten Zylindern.

Es sind Kolbenkraftmaschinen mit mehreren rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse angeordneten Zylindern bekannt, deren Zylinderachsen sternförmig zur Symmetrieachse verlaufen. Die in den Zylindern verschiebbaren Hubkolben arbeiten über ein Kurbelgetriebe auf eine Abtriebswelle.

Die bekannten Kolbenkraftmaschinen haben, bezogen auf ihre Leistung, vergleichsweise große Abmessungen. Zudem sind zum Beherrschen der Massenkräfte Gegengewichte mit entsprechendem Auswuchtungsaufwand erforderlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenkraftmaschine anzugeben, die bei vergleichsweise hoher Leistung kleine Abmessungen hat und bei welcher freie Massenkräfte nicht auftreten.

Die angegebene Kolbenkraftmaschine kann mit entsprechender Ein- Auslaßsteuerung und Zünd- oder Einspitzeinrichtung als Verbrennungsmotor oder angetrieben als Pumpe gebaut sein.

Im Rahmen der Erfindung sind die Zylinder paarweise diametral und senkrecht zur Drehachse angeordnet. Das Getriebe zur Kupplung der Hubzylinder mit der Abtriebswelle umfaßt für jedes Zylinderpaar eine auf einer Kurbel der Abtriebswelle drehbar angeordnete zweite Kurbel gleicher Länge, die mit einer in Hubrichtung der Kolben verschiebbar geführten, die Kolben des Zylinderpaars miteinander verbindenden Kolbenstange drehbar verbunden ist. Die zweite Kurbel ist zweckmäßigerweise als kreisförmige Exzenterscheibe ausgebildet, an deren Umfang ein mit der Kolbenstange verbundener Lagerring gelagert ist, wobei der Durchmesser der Exzenterscheibe größer als die Länge der ersten Kurbel ist, um die Kurbelkräfte besser übertragen zu können. Wenn mehrere Zylinderpaare vorgesehen sind, sind die Hubrichtungen gegeneinander winkelversetzt, wobei die Exzenterscheiben zweckmäßigerweise fest miteinander verbunden sind.

In Ausgestaltung der Erfindung hat die Abtriebswelle in Längsrichtung nacheinander mehrere Kurbeln, welche winkelgleich radial versetzt angeordnet sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind es beispielsweise 2 Kurbeln, welche winkelversetzt 180° einander gegenüberliegen. Auf jedem Kurbelbereich sind je zwei Exzenterscheiben, deren Exzenter 180° winkelversetzt ist, wie bereits erwähnt als zweite Kurbel für die die Zylinderpaare verbindenen Kolbenstangen angeordnet.

Der einzelene Anschlußpunkt für einen Paarkolben wird durch die Doppelkurbelanordnung mit gleicher Kurbellänge geradlinig entsprechend der Abrollung einer Hypotrochoide 1 : 2 geführt.

Bei Anordnung von wenigstens zwei Kurbeln auf der Abtriebswelle und wiederum von zwei Exzenterkurbelscheiben auf jedem Kurbelbereich der Abtriebswelle sind vier Paarkolben angeschlossen. Durch den Winkelversatz von 90° der Zylinder, welche in zwei Ebenen angeordnet sind, werden je zwei Kolbenpaare mit gleicher Geschwindigkeit einander entgegengesetzt bewegt. Unwucht und freie Massenkräfte sind dadurch verhindert, wodurch hohe Drehzahlen möglich sind, welche zusätzlich zur kompakten Bauweise zu einer hohen Leistung bei geringem Motorgewicht beitragen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1: einen schematischen Axiallängsschnitt durch eine Kolbenkraftmaschine mit acht Zylindern, wovon je vier in einer Ebene angeordnet sind.

Fig. 2: einen schematischen Axialquerschnitt der Kolbenkraftmaschine nach der Fig. 1 bei der Linie A-B

Fig. 3: eine Prinzipdarstellung der Kolbenkraftmaschine im Querschnitt

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Kolbenkraftmaschine. Als Verbrennungsmotor symbolisch sind in den Köpfen der Zylinderköpfe als Ein- und Auslaß Tellerventile 1 dargestellt. Andere verbrennungsmotorspezifischen Teile sind der übersichtlichen Darstellung wegen nicht aufgeführt.

In einem Gehäuse 2, in Lagern 3 und 4 ist als Abtriebsorgan eine Kurbelwelle 5 drehbar angeordnet.

Die Kolbenkraftmaschine umfaßt paarweise diametral zur Drehachse 9 der Kurbelwelle 5 einander gegenüberliegende, gleichachsige Zylinder 11, hier vier Zylinderpaare.

Für jedes Zylinderpaar ist an dem von der Kurbelwelle 5 gleichachsig zur Drehachse 9 abstehenden Kurbelbereich 6 und 7 eine Kreisscheibe 12 exzentrisch zu der jeweiligen Kreisachse 13 gelagert.

Die Exzentrizität, d. h. der Abstand der Kreisachse 13 von der Kurbelachste 14, ist gleich dem Abstand der Kurbelachse 14 von der Drehachse 9 der Kurbelwelle 5 bemessen.

Die Kreisscheibe 12 bildet eine zweite Kurbel, deren Kurbelarmlänge gleich der Länge des Kurbelarms der Kurbelwelle 5 ist. Der Durchmesser der beiden Kreisscheiben 12 ist größer als die Kurbelarmlänge der Kurbelwelle 5, und die beiden Kreisscheiben 12 sind zweckmäßigerweise fest miteinander verbunden. An jeder der beiden Kreisscheiben 12 ist ein Lagerring 15 drehbar gelagert, von dem diametral gegenüberliegend Kolbenstangen 16 zu den Kolben 17 abstehen. Die Kolbenstangen 16 verbinden die Kolben 17 über den Lagerring 15 zu je einem Kolbenpaar 18.

Aufgrund der Exzentrizitätsabmessungen der Kreisscheiben 12 bewegen sich die Verbindungspunkte 19 der Lagerringe 15 und der Kolbenstangen 16 in Hubrichtung der Kolben 17 geradlinig auf einer die Drehachse 9 schneidenden Bahn. Die Kreisscheiben 12 sind bei um 90° gegeneinander versetzten Zylinderpaaren um 180° gegeneinander gedreht. Ein Getriebe dieser Art arbeitet besonders erschütterungsarm, da die Kolbenstangen 16 keine Schwenkbewegung ausführen. Durch Verdoppelung der Zylinderzahl und gegenläufigen Antrieb über das Getriebe lassen sich auch Unwuchtkräfte der hin- und hergehenden Kolbenpaare beherrschen.

Die Kurbelwelle hat zwei Kurbelbereiche 6 und 7, welche 180° zueinander versetzt sind, dadurch sind die Unwuchtgewichte an der Kurbelwelle gegenseitig aufgehoben.

Es könnten auch mehrere Kurbelbereiche auf einer Kurbelwelle sein, welche zueinander versetzt sind. Bei Ausführung mit nur einem Kurbelbereich ist ein entsprechendes Gegengewicht erforderlich. Die Kurbelbereiche 6 und 7 müssen auf der Kurbelwelle 5 zwangsläufig in der Axialrichtung der Kurbelwelle versetzt sein. Das bedingt auch eine Sternzylinderanordnung in zwei Ebenen 21 und 22, wobei vorteilhaft die Zylinder 11 bei der zwei Ebenenausführung in der Axialflucht der Kurbelwelle 5 hintereinandergesetzt sind. Dadurch wird erreicht, daß jeder Kolbenbewegung eine mit gleicher Geschwindigkeit entgegengesetzt verlaufende Kolbenbewegung gegenüber steht.

Bei der Sternzylinderanordnung in zwei Ebenen 21 und 22 und dem Winkelversatz von 90° arbeiten vier Paarkolben in acht Zylindern, je Kurbelwellendrehung ergeben sich daraus 16 Kolbenarbeitshübe, welche bei einem Viertaktmotor nacheinander ablaufend vier Arbeitshübe ermöglichen.

Diese nicht einfach erfaßbaren Bewegungsabläufe der Kolben sind in einer Prinzipdarstellung der Fig. 3 verdeutlicht, bei welcher der Ablauf auseinandergezogen in einer Ebene an einer Hypertrochoide dargestellt ist.

Wenn in einem Grundkreis 23 ein zweiter Kreis 24 mit dem Radiusverhaltnis 2 : 1 abrollt, bewegt sich jeder geometrische Punkt auf dem Radius des kleinen Kreises 24 auf einer Geraden, welche den Kreismittelpunkt 25 des Grundkreises 23 schneidet. Nach diesen, in der angegebenen Kolbenkraftmaschine nicht vorhandenen Kreisen 23, 24 arbeitet das erfindungsgemäße Getriebe. Der Kreismittelpunkt des Grundkreises 23 entspricht der Kurbelwelle 5 mit den 180° gegenüberliegenden Kurbeln 6, 7 und den Kurbelachsen 14. An den Kurbelachsen 14 sind jeweils zwei weitere Kurbeln, ebenfalls 180° zueinander versetzt angebracht. Diese entsprechen in der Wirkung den Exzenterscheiben 12. Alle Kurbeln sind gleich lang. An den Kurbeln 12 sind über die Lagerringe 15 drehbar diametral gegenüberliegend die Kolbenstangen 16 mit den Kolben 17 gelagert.

Beim Drehen der Kurbelwelle 5, 6, 7 in Drehrichtung 26 würde der kleine Kreis 24 in der Drehrichtung 27 abrollen und die Paarkolben 18 werden in den Zylindern 11, welche im Winkel von 90° zueinander stehen, geradlinig verschoben. Die jeweilige entsprechende Kolbenbewegungsrichtung ist mit Pfeilen dargestellt.

Claims (7)

1) Kolbenkraftmaschine mit mehreren rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse in einem Gehäuse angeordneten Zylindern, mit einer im Zentrum befindlichen drehbaren Kurbelwelle, mit welcher in den Zylindern befindliche Kolben verschoben werden können, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kurbelbereich (6, 7) der Kurbelwelle (5) für jedes Kolbenpaar (18) eine zweite Kurbel (12) drehbar gelagert ist, die im Abstand von der Kurbelachse (14) von der ersten Kurbel (6, 7) achsparallel drehbar mit der die Kolben (17) eines Kolbenpaares (18) verbindenden Kolbenstangen (16) verbunden ist und daß die Kurbelarmlängen der beiden Kurbeln (6, 7) und (12) gleich sind.

2) Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kurbel als kreisförmige Exzenterscheibe (12) ausgebildet ist, die mit radialem Abstand ihrer Kreisachse (13) von der Kurbelachse (14) der ersten Kurbel (6, 7) achsparallel exzentrisch an dieser gelagert ist, wobei die Exzentrizität der Kreisscheibe (12) gleich dem Abstand der Kurbelachse (14) von der Drehachse (9) ist und daß an der Kreisscheibe (12) ein über die Kolbenstange (16) mit den in dem Zylinderpaar verschiebbaren Kolbenpaar (18) verbundener Lagerring (15) um die Kreisachse (13) drehbar gelagert ist.

3) Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere um die Symmetrieachse gegeneinander 90° winkelversetzte Zylinderpaare vorgesehen sind und daß der Durchmesser der Exzenterscheiben (12) größer ist als die Kurbelarmlänge der ersten Kurbel (13 a) und daß die Exzenterscheiben (12) fest miteinander verbunden sind.

4) Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Kurbelwelle (5) mehrere Kurbelbereiche (6, 7) angeordnet sind.

5) Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von zwei Kurbelbereichen (6, 7) diese um 180° zueinander versetzt sind.

6) Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität der Exzenterscheiben (12) 180° versetzt ist.

7) Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von je zwei Zylinderpaaren in zwei Ebenen (21 und 22) in der Axialflucht der Kurbelwelle (5) zwei Zylinder (11) hintereinander gesetzt sind.