DE3705313A1 - Pendelkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Pendelkolbenmaschine gehört zu dem technischen Gebiet der Kolben-Verbrennungsmotoren, Kolbenverdichter und Kolbenpumpen.

Nach dem Stand der Technik aus "Strömungs- und Kolbenmaschinen" von H. Th. Wagner, K. J. Fischer, J.-D. v. Frommann; "Rotationskolben-Verbrennungsmotoren" von W.-D. Bensinger; "Naturwissenschaften und Technik" von Brockhaus und Besuch von einschlägigen Ausstellungen und Fachmessen, gibt es derzeit mit Ausnahme der Luftfahrt zum Hubkolben-Verbrennungsmotor keine Alternative, obwohl seine Nachteile allgemein bekannt sind.

Stellt man die beiden Kolbenmotorenarten mit umkehrender Bewegung und weiterführender Bewegung gegenüber, so fällt auf, daß die Nachteile des Hubkolbenmotors bzgl. Bauvolumen, Gewicht, Massenkräfte, Ventiltechnik und Kurbeltrieb beim Rotationskolbenmotor unter den Vorteilen zu finden sind und die relativen Vorteile des Hubkolbenmotors hinsichtlich Brennraumform, Brennraumkühlung, Abgastemperatur, Gasabdichtung und Dieseltauglichkeit negative Eigenschaften des Rotationskolbenmotors sind. Als entscheidender Vorteil für den Hubkolben-Verbrennungsmotor bleibt jedoch noch der sehr hohe Entwicklungsstand gegenüber dem Wankel-Motor.

Mit der Pendelkolbenmaschine wird ein Verbrennungsmotor vorgestellt, welcher bzgl. der genannten Vor- und Nachteile zwischen den beiden Motorenarten angesiedelt ist. So sind beispielsweise umkehrende Bewegung, Brennraumkühlung, Dieseltauglichkeit, Ventil- und Spültechnik typische Hubkolben-Merkmale, während Aufbau, Bauvolumen, Leistungsgewicht, doppelwirkender Kolben und Beschleunigungskräfte zum Rotationskolben tendieren. Dem Pendelkolbenmotor eigen sind neben dem Pendelprinzip, Brennraum- und Kolbenform, Kolben- und Mantelprofil, Kolbenführung, Kolben- und Pendelachs-Zugänglichkeit, Gasabdichtung, Schmierung, Kurbeltrieb mit Pendelarmbolzen-Verlagerung, Freikolbenprinzip und Trägheitsregelung.

Zu dieser Gegenüberstellung sei aus der Sicht des Erfinders bemerkt, daß die besonders markanten Vorteile des Hubkolben- wie des Rotationskolbenmotors für den Pendelkolbenmotor weniger positiv in Erscheinung treten, was jedoch auch für die gravierenden Nachteile gilt.

Zur Darstellung der Pendelkolbenmaschine wird auf die Patentansprüche 1-6 und auf die 9 Zeichnungen verwiesen.

Der feste Kolbendrehpunkt gewährleistet durch die beidseitig gelagerte Drehachse eine gute Kolbenführung und ermöglicht im Gegensatz zum Rotationskolben auch unterschiedliche Profile der Kolbenflanken und Mantellaufbahnen.

Bei geraden Profilen kann eine Mantelkonstruktion gewählt werden, welche im Aufbau dem Rotationskolbenmotor ähnlich ist und aus einem V-förmigen Ring - mit dem langen Bogen und dem kurzen Bogen - und den beiden Kopfteilen besteht. In diesem sind Brennkammermulden mit Zündkerzen oder Einspritzdüsen, Ventile oder Spülkanäle angeordnet (s. Fig. 2 - Bauteil 1). Zwei Seitenteile für die Abtrieb- und Ansaugseite mit je einer Durchgangsbohrung für die Pendelachse und Pendelachslager und evtl. Überströmkanälen sind mit dem Mantelring verschraubt. Dazwischen liegen die Manteldichtungen. Bei dieser Ausführung ist der Kolben mit der Pendelachse fest verbunden.

Wenn wenigstens ein Laufbahnprofil rund ist, besteht der Mantel mit dem langen Bogen und dem kurzen Bogen und den beiden Seitenteilen aus einem V-förmigen Block, in welchem sich die Pendelachsbohrungen mit Pendelachslager und evtl. Einlaß-, Auslaß- und Überströmkanäle befinden (s. Fig. 3 - Bauteil 2). Die beiden Mantelköpfe mit Brennkammermulden etc. sind mit den Mantelöffnungen und Kopfdichtungen verschraubt. Die Schlupf- oder Gleitflächen des Mantels bilden hier eine durchgehende metallische Einheit, vergleichbar mit einem kurzen gebogenen Profilrohr. Der Kolben besitzt bei dieser Konstruktion eine Keilnabe, in welche nach Einführung in den Mantel die Keil-Pendelachse durch Achsbohrung hindurch eingeschoben wird und so eine formschlüssige Drehmomentübertragung entsteht.

Der U-V-förmige Kolben hat eine gekrümmte lange und eine halbkreisförmige kurze Flanke. Dazwischen liegt sein Drehpunkt. Von der Seite gesehen sind die Kolbenflanken gerade, abgerundet oder halbkreisförmig. Offene oder mit Fenstern versehene Kolbenstirnflächen und Kolbenflanken können zur Kühlung und Schmierung der Gleitflächen dienen. Den Zugang zum Kolbeninnenraum gewährt die Pendelachsbohrung.

Zur Radial-, Stirnflächen- und Innendichtung am Kolben kann bei geraden Kolbenflanken-Konstruktionen mit abschraubbaren Seitenteilen auf die Anwendung von Wankel-Kreiskolben-Systemen mit Dichtleisten, -bolzen und -streifen zurückgegriffen werden. Für runde Kolbenflanken könnten Kolbenringe dem Profil angepaßt werden.

Die Schmierung der Kolbendichtteile wird für den Zweitaktmotor durch die Gemischführung gewährleistet. Der Viertaktmotor, oder Zweitaktmotor mit Einspritzung, besitzt eine vom Triebwerksraum getrennte Ölwanne, da das integrierte Kurbelgehäuse fehlt. Es könnte deshalb auch die Kreiskolben-Schmiertechnik angewendet werden. Eine weitere Möglichkeit der Ölzuführung bietet sich durch die Pendelachsbohrung zum Kolbeninnenraum. Eine Druckumlaufschmierung bespritzt von hier die Gleitflächen durch offene Kolbenflanken und -stirnflächen (Kolbenfenster) hindurch mit Öl, welches wie beim Hubkolbenprinzip von den Kolbenringen oder ähnlichen Dichtteilen abgestreift und in den Ölkreislauf zurückgeführt wird.

Die Spülung des einfach wirkenden Zweitaktmotors erfolgt im Prinzip nach der Kurbelkastenspülung des Hubkolbenmotors. In einer Kammer erfolgt das Verdichten, Verbrennen und Spülen und in der anderen Kammer das Ansaugen, Vorverdichten und Überströmen der Luft oder des Gemisches. Der Totraum (Vakuumraum) wird vom Kolbeninnenraum gebildet. Die Überströmkanäle befinden sich in den Seitenteilen (s. Fig. 2).

Beim doppelwirkenden Zweitaktmotor erfolgt die Spülung zweckmäßigerweise durch die Pendelachsbohrung, den Kolben und die Kolbenstirnflächen in die Überströmkanäle, welche sich in der Mitte der Seitenteile befinden und das Gemisch abwechselnd in die eine oder andere Kammer einströmen lassen (s. Fig. 3). Die Spülung des Freikolbenmotors erfolgt im Prinzip wie beim doppelwirkenden Zweitaktmotor.

Eine Aufladung des Zweitaktmotors kann durch die Verwendung von selbstätig öffnenden und schließenden Einlaßventilen erreicht werden. Nach Verschließen der Auslaßkanäle strömt die unter einem bestimmten Druck stehende Luft durch diese Ventile weiterhin in die Arbeitskammern ein, bis Druckgleichheit zwischen diesen und der Druckseite besteht.

Die Arbeitsweise des Einkammer-Zweitaktmotors

Ein Arbeitsspiel vollzieht sich während einer Kurbelwellenumdrehung in zwei Pendelausschlägen (Takten). Schwingt der Kolben in der Arbeitskammer her, d. h. von uT nach oT, bedeutet dies für die Vorverdichtungskammer ein Hinschwingen von oT nach uT.

1. Takt in der Arbeitskammer

Der Kolben bewegt sich von uT nach oT. Zu Beginn dieses Taktes wird noch durch die offenen Überströmkanäle aus der Vorverdichtungskammer Frischladung in die Arbeitskammer hineingedrückt. Dieser Vorgang hat bereits im letzten Teil des vorherigen Taktes begonnen. Die Frischladung verdrängt die noch in der Arbeitskammer befindliche verbrannte Restladung, die durch den Auslaßkanal zum Auspuff strömt. Die Kolbenkanten verschließen zunächst die Überströmkanäle und danach den Auslaßkanal. Jetzt beginnt die Verdichtung. Kurz vor oT erfolgt die Zündung.

2. Takt in der Arbeitskammer

Zunächst Arbeitstakt mit der Verbrennung und der Ausdehnung der Ladung bei gleichzeitiger Kolbenbewegung von oT nach uT. Vor Erreichen von uT wird zuerst der Auslaßkanal freigegeben. Die verbrannte Ladung kann entweichen, wodurch der Druck in der Arbeitskammer stark abfällt. Kurz danach werden die Überströmkanäle freigegeben. Die vorverdichtete Frischladung kann jetzt in die Arbeitskammer einströmen.

1. Takt in der Vorverdichtungskammer

Der Kolben bewegt sich von oT nach uT. Der Überströmkanal wird verschlossen. Die restliche Frischladung entspannt sich weiter und es entsteht ein Unterdruck in der Vorverdichtungskammer. Kurz vor uT wird der Einlaßkanal durch die Kolbenkante freigegeben. Die Frischladung kann einströmen.

2. Takt in der Vorverdichtungskammer

Der Kolben bewegt sich von uT nach oT. Zu Beginn dieses Taktes strömt noch Frischladung ein, bis der Einlaßkanal verschlossen wird. Jetzt beginnt die Vorverdichtung und das Frischgas wird durch die offene Kolbenseite in das Kolbeninnere gedrückt. Kurz vor oT werden die Überströmkanäle freigegeben, wodurch ein Teil der Ladung in die Arbeitskammer strömt.

Anwendungsgebiete von Pendelkolbenmaschinen Der Pendelkolben-Verdichter

Als Vorverdichter des Zweikammer-Zweitaktmotors und des Freikolbenmotors kann er mit oder ohne Ventile konstruiert werden. Verdichterkolben und Motorkolben sitzen auf einer Pendelachse.

Als doppelwirkender Handkompressor oder Handpumpe anwendbar, indem der verlängerte Pendelarm von Hand betätigt wird.

Als kompakter Elektro-Kompressor, welcher von einem nach dem Pendelprinzip arbeitenden Elektromotor angetrieben wird.

Der Einkammer-Zweitaktmotor

Zum Antrieb von Kleingeräten und Leichtfahrzeugen geeignet.

Zwei Motoreinheiten dieses Typs in einem Motor vereinigt ergeben den Zweikolben-Zweikammermotor. Dieser Typ ist infolge des unveränderten Kurbeltriebmechanismus unwesentlich größer als der Einkammer-Motor. Als leichter, laufruhiger "Zweizylinder-Zweitakter" ist er zum Antrieb von Geräten und Fahrzeugen geeignet.

Der Zweikammer-Zweitaktmotor

Von den Eigenschaften und dem Aufbau ist er dem Zweikolben-Zweikammermotor sehr ähnlich und ebenso verwendbar.

Der Freikolbenmotor

Er kommt mit einem Minimum an Mechanismus aus, da der Kurbeltrieb nicht benötigt wird. Seine abgegebene Druckenergie dient zum Antrieb von Abgasturbinen, Druckluftwerkzeugen und Rückstoßdüsen, welche Dreh- oder Beschleunigungsimpulse erzeugen.

Der Vierkammer-Viertaktmotor

Im Otto- oder Dieselbetrieb verwendbar. Als Motor für Fahrzeuge, Maschinen und Geräte geeignet. Im Vergleich zum 4-Zylinder-Viertaktmotor dürfte er kleiner, leichter, anpassungsfähiger und auch billiger werden.

Vorteile des Pendelkolbenmotors

Einfacher Aufbau, kleines Bauvolumen, geringes Gewicht.

Doppelwirkender Kolben, gute Kolbenführung durch 2fach gelagerte Drehachse, geringere Massenkräfte. Gute Möglichkeit der Kolbeninnenschmierung und Innenbelüftung. Kolbenflanken- und Mantellaufbahnprofil wählbar. Einwandfreie Brennraumabdichtung.

Ein Pendelarm und eine Pleuel für mehrere Arbeitskammern. Am Pendelarm tritt nur resultierende Kraft aller an den Kolben erzeugten Beschleunigungs- und Verzögerungsmomente auf.

Einfache Ausführung der Kurbelwelle für mehrere Arbeitskammern.

Selbstätig öffnende und schließende Einlaßventile ermöglichen eine Aufladung des Zweitaktmotors.

Die Trägheitsregelung sorgt beim Freikolbenmotor für ein von der Kolbenschwingungszahl unabhängiges Verdichtungsverhältnis.

Die Kombination Freikolbenmotor - Abgasturbine dürfte einige Nachteile des Kolbenmotors und der Turbine reduzieren, indem ein Teil der üblichen Verluste bei Kolbenverbrennungsmotoren in Form von Restdruck wegen der begrenzten Expansionsmöglichkeit im Brennraum und erhöhter Temperatur der Abgase, welche zusammen in der Regel bei 35% liegen, nutzbar gemacht werden kann. Zum anderen könnte der Betriebsdruck in kleinen Turbinen erhöht werden.

Besonders für den Viertaktmotor ermöglicht das regulierbare Verdichtungsverhältnis eine gute Anpassung des Triebwerks an die verschiedenen Bedingungen bzgl. Betrieb und Kraftstoff.

Eine völlige Neutralisierung der Massenkräfte, Dreh- und Kippmomente kann beim Viertaktmotor erreicht werden, indem 2 Motoren parallel zueinander in einem Block vereint und alle bewegten Teile und Abläufe gegenschwingend bzw. -läufig sind.

Nachteile

Erfahrungsmangel bzgl. Konstruktion, Herstellungskosten und Wirtschaftlichkeit.

Bauteile der Pendelkolbenmaschine

Mantel: 1 Mantelring mit Kopfteil  2 Mantelblock mit Seitenteilen (Zwischenteil)  3 langer Bogen  4 kurzer Bogen  5 Mantellaufbahn, Mantellaufbahnprofil  6 Mantelkopf  7 Manteldichtung, Kopfdichtung  8 Arbeitskammer, Brennkammermulde  9 Zündkerze, Einspritzdüse 10 Seitenteil-Abtriebseite, -Antriebseite 11 Seitenteil-Ansaugseite, -Verdichterseite 12 Zwischenteil 13 Auslaßkanal 14 Einlaßkanal 15 Überströmkanal 16 selbstätig öffnendes u. schließ. Auslaßventil 17 selbstätig öffnendes u. schließ. Einlaßventil Kolben:18 Kolben, Zweitakt-, Viertakt-, Verdichterkolben 19 Kurvenerzeugungs-, Dreh-, Kolbendrehpunkt 20 Kolbenflanken, Kolbenflankenprofil 21 lange Kolbenflanke, gekrümmte Kolbenflanke 22 kurze Kolbenflanke, halbkreisförm. Kolbenflanke 23 Kolbenstirnfläche 24 Kolbenseite, Kolbenmulde 25 Kolbennabe, Keilnabe 26 Kolbenöffnung, Kolbenfenster 27 Kolbeninnenraum, Totraum, Vakuumraum 28 Kolbenringe, -Bolzen, -Streifen, -Dichtleisten 29 Kolbenschwerpunktverlager., Trägheitsregelung Pendelachse:30 Drehachse, Pendelachse, Keil-Pendelachse 31 Pendelachsbohrung 32 Pendelachslager Kurbeltrieb:33 Pendelarm 34 Pendelarmbolzen, Pendelarmbolzen-Verlagerung 35 Pleuelstange 36 Kurbelwelle

Claims (8)

1. Die Pendelkolbenmaschine ist eine Kraft- und Arbeitsmaschine, deren veränderliches Volumen ähnlich dem Hubkolbenprinzip durch eine umkehrende Bewegung zustande kommt. Das Pendelkolbenprinzip eignet sich zur Konstruktion von Verbrennungsmotoren, Verdichtern und Pumpen.
2. Die Erfindung ist nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß
3. 1. sein Leistungsteil (Kolben) doppelwirkend ist, dessen Schwerpunkt um einen festen innenliegenden Kurvenerzeugungspunkt (Kolbendrehpunkt, Drehachse oder Pendelachse) in einem konstruktionsmäßig vorbestimmten, verstellbaren Winkel innerhalb eines V-förmigen ruhenden Mantels hin und her pendelt. Die Pendelachse in beiden Mantelseitenteilen gelagert ist und an der Abtrieb- bzw. Antriebseite aus dem Mantelblock zur Arbeitsentnahme oder zum Antrieb herausragt. Die Kolbenflächen während dieser Pendelausschläge an den Mantelflächen entlangschlupfen und die beidseitig des Kolbens befindlichen Arbeitskammern zueinander und zur Drehachse abdichten. Dabei brauchen stets nur zwei Körper zueinander abgedichtet werden. Die beiden Arbeitskammern an den den Kolbenseiten abgewandten Öffnungen von den Mantelköpfen mit Kopfdichtungen abgedichtet werden. Der feste Kolbendrehpunkt gerade, abgerundete oder halbkreisförmige Konstruktionen der Kolbenflanken- und Mantellaufbahnprofile ermöglicht, und zwar auch innerhalb eines Mantelblocks für den langen Bogen und den kurzen Bogen. Der Kurbeltrieb die hin und her gehenden Pendelausschläge der Drehachse über den Pendelarm mit dem Pendelarmbolzen auf die Pleuelstange und Kurbelwelle überträgt und in eine Drehbewegung umwandelt. Die Pendelarmbolzen-Verlagerung den Pendelausschlag des Kolbens und somit das Verdichtungsverhältnis in den Arbeitskammern verändert, indem der Pendelarmbolzen mechanisch oder hydraulisch zum oder vom Drehachsmittelpunkt verlagert wird.
4. 2. der Pendelkolben-Verdichter nach Anspruch 1 arbeitet und durch eine gemeinsame Pendelachse mit dem Motorenteil gekoppelt ist, oder fremd angetrieben wird.
5. 3. der Pendelkolben-Einkammer-Zweitaktmotor nach Anspruch 1 im Prinzip wie ein Einzylinder-Zweitaktmotor mit Kurbelkastenspülung funktioniert, wobei in einer Kammer die Verdichtung, Verbrennung und Spülung stattfindet und in der anderen Kammer das Ansaugen, Vorverdichten und Überströmen der Luft oder des Gemisches vollzogen wird. Der Totraum im Gegensatz zum Kurbelkasten beim Hubkolbenmotor, im Innenraum des Pendelkolbens liegt.
6. 4. der Pendelkolben-Zweikammer-Zweitaktmotor nach Anspruch 1 über die gemeinsame Pendelachse mit dem Verdichter gekoppelt ist. Die Spülluft oder das Gemisch durch den Verdichterkolben in die Pendelachsbohrung, den Zweitaktkolben und die Überströmkanäle in die Arbeitskammern gedrückt wird. Jeder Pendelausschlag des Kolbens von einem Expansionshub in einer Kammer eingeleitet und von einem Verdichtungshub in der anderen Kammer beendet wird, d. h. der Kolben fortlaufend zwischen beiden Druckgebilden hin und her schwingt. Selbstätig öffnende und schließende Einlaßventile im Kolben oder Mantel nach Verschließen der Ein- und Auslaßschlitze noch Luft oder Gemisch in die Arbeitskammern einströmen lassen und somit eine Aufladung des Zweitaktmotors ermöglichen.
7. 5. der Pendel-Freikolbenmotor nach Anspruch 1 und 4 wie ein doppelwirkender Zweitaktmotor mit Kraftstoffeinspritzung arbeitet, der Kurbeltrieb mit der mechanischen Veränderung des Verdichtungsverhältnisses jedoch entfällt. Die vom Motor verrichtete Arbeit deshalb ausschließlich thermo-dynamischer Art ist und nur zur Erzeugung von Gasdruck aus Luft und Abgasen besteht. D. h. daß vom Verdichterteil während des Spülvorganges möglichst viel Frischluft durch die Arbeitskammern gedrückt wird, um einerseits eine Fremdkühlung des Motors zu erübrigen und andererseits das Spülluftvolumen durch die weitere Erwärmung zu vergrößern. Die überschüssige Druckluft zur Außenkühlung des Motors dient und zusammen mit den aus den Auslaßschlitzen strömenden Abgasen und der erwärmten Frischluft in eine Druckleitung oder Druckkammer gelangt, wo eine Turbine die gesamte Druckenergie in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Die Trägheitsregelung das Verdichtungsverhältnis und die Schwingungsfrequenz unabhängig von den Zustandsgrößen Expansionsdruck : Masse-Trägheit (Beharrungsvermögen) : Verdichtungsdruck, d. h. Ladedruck : Schwingungsenergie, verändern läßt, indem ähnlich der Pendelarmbolzen-Verlagerung der Kolbenschwerpunkt zum oder vom Drehachsmittelpunkt verlagert wird. Dies zweckmäßigerweise innerhalb des Kolbens durch einen hydraulisch betätigten Kolben in einem Zylinder geschieht.
8. 6. der Pendelkolben-Vierkammer-Viertaktmotor nach Anspruch 1 aus zwei Pendelkolbeneinheiten in einem Motorblock gebildet wird. Die beiden Kolben auf einer Pendelachse sitzen und ihre Schwingungen deshalb zeitlich und räumlich synchron verlaufen. Das Kolbenpaar im Viertaktverfahren sich ähnlich dem doppelwirkenden Zweitaktmotor verhält und jeder Pendelausschlag von einem Expansionshub in einer der vier Kammern eingeleitet und von einem Verdichtungshub beendet wird und dies wechselseitig periodisch verläuft. Nach Anzahl und Anordnung der Mantelköpfe, Ventile, Nockenwellen etc. dieser Vierkammermotor mit einem Viertakt-Vierzylinder-V-Motor verglichen werden kann, und als Otto- oder Dieselmotor, Vergaser- oder Einspritzmotor, Saug- oder Kompressormotor betrieben und mit Luft oder Wasser gekühlt werden kann. Das Kolbeninnere durch die Pendelachsbohrung zugänglich ist und sich zur Schmierung und Kühlung eignet. Die Kolben an ihren Flanken und Stirnflächen mit Kolbenfenstern versehen werden können, durch diese Öl an die Mantellaufbahnen gespritzt wird, welches von den Kolbenringen, Dichtleisten oder Dichtstreifen abgestreift und in den Ölkreislauf zurückgeführt wird. Die Pendelachse 3fach, d. h. auch im Zwischenteil gelagert ist. Der Motor durch die variable Verdichtung sowohl im Otto- als auch im Dieselbetrieb genützt werden kann.