DE4229009A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Derartige Verbrennungsmotoren sind in einer Vielzahl von Bau­ formen bekannt, denen allen gemeinsam ist, daß der Kolben in einem stillstehenden Zylinder auf- und ab bewegt wird, wobei der Kolben mit einem Kurbelgetriebe in Form einer Kurbelwelle und einer Pleulstange verbunden ist und seine Antriebsleistung auf die Kurbelwelle überträgt. Bei Viertaktmotoren wird die Steuerung der Gas-Ein- und Auslasströmung mit Hilfe von Ventilen erreicht, wobei vier Takte des Kolbens (Ansaugen, Komprimieren, Explodieren und Ausstoßen der verbrannten Gase) bei zwei Um­ drehungen der Kurbelwelle einen Arbeitszyklus ergeben.

Bei Zweitaktmotoren wird in den meisten Fällen auf eine Ventil­ steuerung verzichtet und es werden durch den Kolben gesteuerte Überströmkanäle vom Kurbelwellengehäuse zum Verbrennungsraum hin verwendet. Da hierbei unvermeidbar Spülverluste auftreten, sind die Abgaswerte derartiger Zweitaktmotoren schlecht und der Wirkungsgrad ist nur in einem relativ geringen Drehzahlbereich optimal.

Bei allen diesen Motoren mit feststehendem Zylinder ergeben sich aufgrund der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens erhebliche unausgeglichene Massenkräfte, deren Ausgleich erst bei höherer Zylinderzahl gelingt oder mit Hilfe aufwendiger Ausgleichswellen und dergleichen vorgenommen werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungs­ motor der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau verringerte unausgeglichene Massenkräfte aufweist und mit dem sich ein hoher Wirkungsgrad erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verbrennungsmotors führt der Zylinder eine reine Drehbewegung aus, und auch die Bewegung des Kolbens erfolgt in Abhängigkeit von den gewählten geometrischen Verhältnissen im Wesentlichen auf einer Kreisbahn, so daß nur geringe unausgeglichene Massenkräfte verbleiben.

Diese unausgeglichenen Massenkräfte verringern sich weiterhin dadurch, daß der Kolben aufgrund der Linearführung der Kolben­ stange an dem dem Verbrennungsraum abgewandten Ende des Zylinders mit einer sehr geringen Höhe ausgebildet werden kann, die nur zur Erzielung einer ausreichenden Abdichtung ausreichend sein muß, da auf den Kolben aufgrund dieser Linearführung keine Kippkräfte wirken, die durch den Kolben selbst aufgenommen werden müssen.

Die zur Lagerung des Zylinders verwendete Hohlwelle kann vorzugsweise die Einlaß- und Auslaßkanäle enthalten.

Diese Hohlwelle kann vorzugsweise in Verbindung mit ihrer Lage­ rung Drehschieberventile bilden, die in Axialrichtung dieser Hohlwelle hintereinander oder in Umfangsrichtung der Hohlwelle versetzt angeordnet sind.

Auf diese Weise ist es beispielsweise beim Betrieb des Motors nach dem Zweitaktverfahren in einfacher Weise möglich, eine exakte Steuerung des Einlaß- und Auslaßvorgangs zu erzielen, so daß Überströmverluste verringert werden. Durch die doppelte Absperrung der Einlaß- und Auslaßkanäle durch den Kolben einerseits und durch die Drehschieberventile andererseits ergibt sich ein wesentlich verbessertes Abgasverhalten.

Eine weitere Verringerung der unausgeglichenen Massenkräfte kann dadurch erzielt werden, daß der Massenschwerpunkt in seinem oberen, dem Verbrennungsraum benachbarten Totpunkt im wesentli­ chen auf der zweiten Achse liegt, da in diesem Fall bei einer Anordnung der Hohlwelle am Mittelpunkt des Zylinders der Kolben eine nur geringfügig von Kreisbahnen abweichende Bewegung ausführt.

Die restlichen unausgeglichenen Massenkräfte können durch eine entsprechende Gewichtsverteilung auf den Zylinder und/oder dem Kurbelgetriebe leicht kompensiert werden.

Für die Konstruktion von Kolben und Zylinder können hierbei die beim Bau von konventionellen Verbrennungsmotoren entwickelten Verbesserungen hinsichtlich Kolben-und Zylinderkopf-Form benutzt werden, um eine Optimierung des Wirkungsgrades zu erzielen. Der Kurbelarm des Kurbelgetriebes kann vorzugsweise die Form einer Schwungscheibe aufweisen, an deren Umfangsbereich das freie Ende der Kolbenstange an einem Drehpunkt drehbar befestigt ist. Diese Schwungscheibe kann gleichzeitig ein Lüfterrad für die Zuführung von Kühlluft an den Zylinder bilden, wobei selbstverständlich auch ein getrenntes Lüfterrad verwendbar ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es weiterhin mög­ lich, mehrere Zylinder um den Umfang der Hohlwelle verteilt anzuordnen, wobei die freien Enden der Kolbenstangen dieser Zylinder mit einem gemeinsamem Kurbelgetriebe zusammenwirken.

In jedem Fall ist die Baulänge des erfindungsgemäßen Motors sehr gering, was in vielen Fällen von hoher Bedeutung ist.

Gleichzeitig ergibt sich aufgrund des vergleichsweise großen Kolbenhubes eine hohe Leistungsdichte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors, die die Grundprinzipien dieses Motors zeigt

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Bewegungsablaufes des Verbrennungsmotors nach Fig. 1,

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht des Zylinders und der Hohlwelle mit ihrer Lagerung, die weitere Einzelheiten der Verbrennungsgemisch- und Abgasführung zeigt,

Fig. 4 eine Ansicht entlang der Linie IV-IV nach Fig. 3,

Fig. 5 bis 12 Ansichten, die ein Beispiel für den Bewegungsablauf des Kolbens und des Zylinders sowie der Drehschieberventile zeigen,

Fig. 13, eine der Fig. 3 im wesentlichen entsprechende, teilweise geschnittene Ansicht des Zylinders und der Hohlwelle mit ihrer Lagerung, die eine weitere Ausführungsform der Drehschieberventile sowie der Verbrennungsgemisch- und Abgasführung zeigt.

In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des Verbrennungsmotors gezeigt, um das Grundprinzip dieses Motors zu verdeutlichen.

Der Verbrennungsmotor weist einen Zylinder 1 auf in dem ein Kolben mit einer Kolbenstange 3 geradlinig verschiebbar ange­ ordnet ist. Der Zylinder weist einen Zylinderkopf 21 auf, der beispielsweise mit einer Öffnung für eine Zündkerze 9 versehen sein kann, sofern es sich um einen fremdgezündeten Verbrennungs­ motor handelt. Das dem Zylinderkopf 21 gegenüberliegende Ende des Zylinders 1 ist durch eine Bodenwand 20 verschlossen, die eine Bohrung mit einer Führung für die Kolbenstange 3 aufweist. Der Zylinder 1 ist über eine mit seiner Seitenwand verbundene Hohlwelle 4 in einem Lagerbock 5 um eine erste Achse A drehbar, die die Längsachse des Zylinders schneidet und vorzugsweise in der Nähe des Massenschwerpunktes dieses Zylinders angeordnet ist.

Der Lagerbock 5 ist auf einer Halterungsstruktur, beispiels­ weise einer Grundplatte 10 befestigt, die einen zweiten Lager­ bock 7 trägt, der die Abtriebswelle 6 des noch näher zu er­ läuternden Kurbelgetriebes des Verbrennungsmotors lagert.

Dieser Kurbeltrieb weist außer der Abtriebswelle 6 auch einen Kurbelarm 8 auf, der bei der schematischen Darstellung in Form einer Schwungscheibe dargestellt ist, an deren Umfang das freie Ende der Kolbenstange 3 über ein Schwenklager 30 drehbar befestigt ist. Die Abtriebswelle 6 und damit die Schwungscheibe 8 drehen sich um eine zweite Achse B, die parallel zur ersten Achse A verläuft, jedoch gegenüber dieser versetzt ist. Das Ausmaß dieser Versetzung ist durch den gewünschten Kolbenhub des Kolbens 2 bestimmt, da dieser Kolbenhub gleich der doppelten Versetzung ist, wie anhand der Fig. 2 noch näher erläutert wird.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist noch eine ge­ kröpfte Welle 12 dargestellt, deren einer Wellenstummel entlang der Achse A an dem Zylinder 1 gelagert ist, während der andere Wellenstummel entlang der Achse B in der Abtriebswelle 6 und/ oder damit verbundenen Teilen drehbar gelagert ist. Diese gekröpfte Welle 12 ermöglicht eine Abstützung der der Hohlwelle 4 gegenüberliegenden Seite des Zylinders 1, sie kann jedoch vollständig entfallen, wenn die Lagerung der Hohlwelle 4 in dem Lagerbock 5 entsprechend lang und damit biegesteif ausgebildet ist.

In Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt, daß die Drehbewegung des Zylinders und des Kolbens zeigt. Die Drehrichtung des Kurbelarms 8 ist hierbei durch den Pfeil P angedeutet wobei diese Drehung wiederum um die Achse B erfolgt. Der Zylinder 1 kann sich um die Achse A drehen und die Kolbenstange 3 des Kolbens 2 ist am Punkt 30 mit dem freien Ende des Kurbelarmes verbunden. Die zweite Achse B fällt bei der dargestellten schematischen Ausführungsform im Wesentlichen mit dem Massen­ schwerpunkt des Kolbens 2 zusammen.

Bei einer Drehung des Kurbelarms in Richtung des Pfeils P bewegt sich dieser Massenpunkt zunächst auf dem mit C0 bezeichneten Kreisbogenabschnitt der dem Winkelbereich C am Umfang des Drehkreises des Kurbelarmes entspricht. Beim Weiterdrehen des Kurbelarmes bewegt sich der Massenschwerpunkt des Kolbens dann entlang der Kurbel D0 entsprechend dem Winkelbereich D am Drehkreis des Kurbelarmes und nachfolgend über den Bogenabschnitt A0 und den Bogenabschnitt B0, die den Anfangsabschnitten A beziehungsweise B entsprechen, zum Ausgangspunkt zurück.

Es ist zu erkennen, daß die Bewegung des Massenmittelpunkts des Kolbens damit im Wesentlichen auf Kreisbahnen verläuft, wobei die verbleibenden geringen Abweichungen zwischen den Kreisbahnen durch entsprechende Ausgleichsmassen kompensierbar sind.

In den Fig. 3 und 4 ist ein Beispiel einer Ausführungsform eines Zylinders gezeigt, der bei der Ausführungsform nach Fig. 1 Verwendung finden kann.

Der Kolben 1 ist an seiner Außenwand mit einer insgesamt mit 4 bezeichneten Hohlwelle verbunden, die in dem Lagerbock 5 durch nur schematisch angedeutete-Lager 51 gelagert ist. An der Verbindungsstelle zwischen dem Zylinder und der Hohlwelle 4 sind Durchbrechungen angeordnet, die von dem Kolben ausgehende Auslaßkanäle 40 bzw. in diesen mündende Einlaßkanäle 41 der Hohlwelle bilden. Die Hohlwelle weist eine Bohrung 42 auf, in die eine weitere durch eine Trennwand 46 unterteilte Hohlwelle 45 eingesteckt ist, die im wesentlichen stationär gehalten ist und um die sich die Hohlwelle 4 unter Abdichtung drehen kann. Die weitere Hohlwelle 45 weist Ventilschlitze 43, 44 auf, die in der insbesondere aus den Fig. 5 bis 12 ersichtlichen Weise benachbart zu einer radialen Kante der Trennwand 46 angeordnet sind, und die mit der Mündung des Auslaßkanals 40 bzw. des Einlaßkanals 41 der Hohlwelle bei vorgegebenen Drehstellungen der Hohlwelle ausrichtbar sind. Die weitere Hohlwelle 45 bildet durch die Trennwand 46 getrennte Fortsetzungen 47 bzw. 48 der Auslaß- bzw. Einlaßkanäle.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die mit dem Zylinder 1 verbundene Hohlwelle 4 von innen her zu lagern und die zu den Auslaßleitungen und Einlaßleitung führenden Ventilschlitze in dem Lagerbock 5 auszubilden, wobei selbstverständlich dann die freien Enden der Auslaß- und Einlaßkanäle 40 bzw. 41 der Hohlwelle 4 radial nach außen hin münden.

Wie dies insbesondere aus Fig. 4 zu erkennen ist, ist der Zylinder 1 mit einem Überströmkanal 31 versehen, der im Bereich der unteren Totpunktstellung des Kolbens ein Überströmen des in den Ansaugraum angesaugten Verbrennungsgemisches in den Verbrennungsraum ermöglicht.

In Fig. 5 ist eine in etwa der Fig. 1 entsprechende Ausgangsstellung dargestellt, wobei sich der Kolben 2 an seinem unteren Totpunkt befindet und sich die Auslaß- und Einlaßkanäle 40, 41 der Hohlwelle 4 an gegenüber den Auslaß- bzw. Einlaßschlitzen 43 bzw. 44 der weiteren Hohlwelle 5 versetzten Stellungen befinden, so daß die Drehschieberventile geschlossen sind.

Bei einer Weiterdrehung des Kurbelarmes 8 und des Zylinders 1 auf die in Fig. 6 gezeigte Stellung gelangt der Einlaßkanal 41 in Ausrichtung mit dem Einlaßschlitz 44, wobei der Überströmkanal 31 geschlossen ist, wodurch ein Unterdruck in dem Ansaugraum erzeugt wird.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Stellung ist der Einlaßkanal 41 noch weitgehend mit dem Einlaßschlitz 44 ausgerichtet, und der hinter dem Kolben entstandene Unterdruck saugt das Verbrennungsgemisch in den unteren, dem Verbrennungsraum abgewandten Ansaugraum des Zylinders 1 ein.

Gleichzeitig wird in dem Verbrennungsraum befindliches Verbrennungsgemisch komprimiert.

In Fig. 8 ist eine Stellung gezeigt, in der die Komprimierung des in dem Verbrennungsraum befindlichen Verbrennungsgemisches weitgehend abgeschlossen ist, wobei zu diesem Zeitpunkt der Einlaßkanal 41 gegenüber dem Einlaßschlitz 44 in der weiteren Hohlwelle 45 versetzt ist, so daß das Einlaßventil geschlossen ist.

Bei nachfolgender Weiterdrehung auf die Stellung nach Fig. 9 wird das in dem Verbrennungsraum befindliche Gemisch gezündet, wobei zu diesem Zeitpunkt ersichtlich beide Ventile geschlossen sind.

Der hierbei entstehende Verbrennungsdruck drückt den Kolben 2 in dem Zylinder 1 gemäß Fig. 10 nach unten, wobei zunächst noch beide Ventile geschlossen sind. Im Verlauf dieser Bewegung des Kolbens von Fig. 10 nach Fig. 11 gelangt die Mündung des Auslaßkanals 40 in Ausrichtung mit dem Auslaßschlitz 43 der weiteren Hohlwelle 45, so daß die verbrannten Gase ausströmen können.

Während der gesamten Bewegung des Kolbens 2 ausgehend von der Stellung nach Fig. 9 bis zur Stellung nach Fig. 11 wird weiterhin das in dem Ansaugraum befindliche neu angesaugte Verbrennungsgemisch komprimiert, und wenn die Kolben- Zylinderanordnung die Stellung nach Fig. 12 erreicht, so wird der Überstromkanal 31 zunehmend von dem Kolben 2 freigegeben, so daß das im Ansaugraum komprimierte Verbrennungsgemisch in den Verbrennungsraum einströmen kann. Gleichzeitig wird das durch den Auslaßkanal 40 und den Auslaßschlitz 43 gebildete Drehschieberventil zunehmend geschlossen, so daß das Überströmen unverbrannter Gase in den Auslaßkanal vermieden wird, insbesondere dann, wenn bei vollständiger Öffnung des Überströmkanals 31 das Auslaßventil 40, 43 bereits geschlossen ist.

Bei einer Weiterdrehung ausgehend von der Stellung nach Fig. 12 wird dann wieder die Ausgangsstellung nach Fig. 5 erreicht.

Die genaue Lage und Form der Auslaß- und Einlaßschlitze 43, 44 in der weiteren Hohlwelle 45 sowie die Drehstellung dieser Hohlwelle kann entsprechend optimiert werden, wobei es ggf. durch eine Verstelleinrichtung möglich ist, die Winkelstellung der weiteren Hohlwelle 45 zu ändern, wenn sich dies zur Erzielung eines optimalen Betriebsverhaltens des Verbrennungsmo­ tors als zweckmäßig erweist.

In Fig. 13 ist eine gegenüber Fig. 3 abgeänderte Ausführungs­ form der Hohlwelle und der mit dieser die Drehschieberventile bildenden Teile gezeigt.

Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Hohlwelle einen massiven inneren Abschnitt oder Kern 64, der über eine Flanschplatte 68 und ggfs. über eine Antiwärmescheibe 69 mit dem Außenumfang des Zylinders 1 über Schrauben 70 verschraubt ist. Der massive Wellenabschnitt 64 ist über Lager 62 in dem Lagerbock 5 gelagert. Die Flanschplatte 68 und ggf. die Antiwärmescheibe 69 sind von den vom Zylinder 1 ausgehenden Ansaug- bzw. Auslaßkanälen 60 bzw. 61 durchquert, die sich in einem den Kern 64 konzentrisch umgebenden Hohlteil 66 der Hohlwelle fortsetzen und sich zur Außenfläche dieses Hohlteils erstrecken, an der sie in Form von zweckmäßig geformten Öffnungen oder Schlitzen münden.

Der Hohlteil 66 ist drehbar in einem stationär, beispielsweise an dem Lagerbock 5 gehalterten Drehschieberventilteil 65 unter Abdichtung gelagert, wobei dieser Drehschieberventilteil mit den Mündungen der Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 60 bzw. 61 an der Außen­ fläche des Hohlteils 66 zusammenwirkende Schlitze und Ansaug- bzw. Abgasöffnungen 63, 67 aufweist, die in Axialrichtung der Hohlwelle 4 hintereinander versetzt angeordnet sind.

Der Hohlteil 66 umgibt den massiven Wellenabschnitt oder Kern 64 vorzugsweise unter Bildung eines Luftspaltes, um die thermische Beanspruchung dieses massiven Wellenabschnitts 64 zu verringern.

Claims (11)

1. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben linear entlang der Längsachse des Zylinders beweglich angeordnet ist und der Einlaß- und Auslaß-Kanäle für das Verbrennungsgemisch bzw. die Abgase aufweist, mit einem Kurbelgetriebe, das über eine Kolbenstange mit dem Kolben verbunden ist und eine Abtriebswelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinder (1) um eine erste quer zu seiner Längsachse verlaufende Achse (A) mit Hilfe einer Hohlwelle (4) drehbar gelagert ist, deren Innenraum über mindestens eine Öffnung in der Zylinder-Seitenwand mit dem Innenraum des Zylinders (1) in Verbindung steht, wobei die Hohlwelle (4) die Einlaß- und Auslaßkanäle (40, 41; 60, 61) aufnimmt,
daß die Kolbenstange (3) an dem dem Verbrennungsraum gegenüber­ liegenden Ende des Zylinders (1) geradlinig in einer Bohrung einer dieses Ende des Zylinders (1) verschließenden Wand (20) unter Abdichtung geführt ist,
daß die Abtriebswelle (6) des Kurbelgetriebes um eine zweite Achse (B) drehbar ist, die parallel zur ersten Achse (A) verläuft, jedoch gegenüber dieser versetzt ist, und
daß das Kurbelgetriebe einen mit der Abtriebswelle (6) verbun­ denen Kurbelarm (8) aufweist, dessen freies Ende mit dem freien Ende der Kolbenstange (3) drehbar verbunden ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (4) einen Einlaßkanal (40; 60) und einen Auslaßkanal (41, 61) aufweist und mit ihrer Lagerung Drehschieberventile für die Einlaß- und Auslaßkanäle bildet.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieberventile für Einlaß und Auslaß in Axialrichtung der Hohlwelle hintereinander angeordnet sind.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (4) einen innenliegen­ den massiven Wellenabschnitt (64) aufweist, der in Lagern (62) um die erste Achse (A) drehbar gelagert ist, daß der massive Wellenabschnitt (64) im Bereich zwischen dem Zylinder (1) und den Lagern (62) von einem Hohlteil (66) umgeben ist, in dem die Einlaß- bzw. Auslaßkanäle (60, 61) ausgebildet sind, die zum Außenumfang des Hohlteils hin münden, und daß der Außenumfang des Hohlteils (66) abgedichtet drehbar in einer stationären Ventilhülse (65) angeordnet ist, die zusammen mit dem Hohlteil (66) die Drehschieberventile bildet.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlteil (66) den massiven Wellenabschnitt (64) unter Bildung eines radialen ringförmigen Luftspaltes umgibt.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieberventile so steuerbar sind, daß ein Teil der am Ende des Ausstoßvorganges ausgestoßenen verbrannten Gase erneut angesaugt und nachverbrannt wird.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung zwischen den ersten und zweiten Achsen (A, B) gleich dem halben Kolbenhub ist.

8. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenschwerpunkt des Kolbens (2) ins einem oberen, dem Verbrennungsraum benachbarten Totpunkt im wesentlichen auf der zweiten Achse (B) liegt.

9. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelarm (8) des Kurbelgetrie­ bes die Form einer Schwungscheibe aufweist.

10. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Kolben- Zylinderbaugruppen am Umfang einer gemeinsamen Hohlwelle angeordnet ist.

11. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) außen Kühlrippen trägt, die in Längsrichtung des Zylinders schraubenartig ausgebildet sind und eine Ventilatorwirkung bei der Drehung des Zylinders um die erste Achse (A) aufweisen.