DE4027533A1 - Verbrennungsmotor mit zwangsweise drehendem kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, bei dem durch Verbrennen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches der im Zylinder bzw. Brennraum bewegte Kolben, der über eine Stange mit der Antriebswelle verbunden ist, in mehreren Takten mechanisch Arbeit leistet bzw. in seine Ausgangslage zurückbewegt wird.

Bei den Verbrennungsmotoren unterscheidet man zwischen dem Gleichraumprozeß und dem Gleichdruckprozeß. Daneben gibt es noch weitere Verfahren, die mehr oder weniger zwischen den beiden genannten liegen und als Mitteldruckver­ fahren bekanntgeworden sind. Beim sogenannten Otto-Motor (Gleichraumprozeß) findet die Gemischbildung entweder vor Eintritt in den Brennraum oder im Brennraum selbst statt. Die Zündung des Gemisches erfolgt beim Otto-Motor über die Zündkerze, in Dieselmotoren durch Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes an der durch die Verdichtung erhitzten Luftladung. Bei den Motoren mit hin- und her­ gehenden Kolben wird der Brennraum aus dem Zylinderkopf, d. h. aus dem Zylinder und dem Kolben in dessen oberster Lage gebildet. Der Kolben ist über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle bzw. Antriebswelle verbunden, um so die Bewegungen des Kolbens auf die Antriebswelle zu übertragen. Abgesehen von der notwendigen aufwendigen Ausbildung der Kurbelwelle und der Pleuelstange und damit des gesamten Motorgehäuses muß der Kolben jeweils in seinen Endpunkten aus dem Stillstand wieder herausbewegt werden, was zu einem Leistungsverlust führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen pleuelfreien, erhöhte Leistungen erbringenden Verbrennungs­ motor zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben auf dem Außenmantel eine vorzugsweise sinusförmige verlaufende Rille aufweist, in die auf der Zylinderwand angeordnete Führungsbolzen eingreifen und daß der Kolben über eine Kolbenwelle mit der Antriebswelle verbunden ist.

Bei einem derart ausgebildeten Verbrennungsmotor wird der Kolben selbst in Drehbewegung gebracht und gehalten, so daß eine wesentlich einfachere Übertragung der mecha­ nischen Kräfte möglich ist. Je nach Ausbildung der Sinus­ kurve bzw. der entsprechenden Rille können bei einer Kolben­ umdrehung mehrere Takte ausgeführt werden. Die Führungs­ bolzen sind im Zylinder so angeordnet, daß sie in die Rille eingreifen bzw. an dieser entlanggleiten, so daß die durch die Verbrennung des Kraft-Luft-Gemisches erfolgenden Hübe zwangsweise in Rotation umgesetzt werden. Die Kolbenwelle, die sich mit dem Kolben dreht, ist zweckmäßig mit der An­ triebswelle gekoppelt, so daß die Drehbewegung gleichmäßig und kontinuierlich übertragen wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß der Kolben im oberen und unteren Totpunkt nicht zum Stillstand kommt, sondern vielmehr eine konti­ nuierliche Rotationsbewegung ausführt, die das Erreichen eines Totpunktes und einen Stillstand des Kolbens verhin­ dert.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kolben auf der Kolbenwelle verschiebbar angeordnet ist. Hierdurch kann die erreichte oder zu er­ reichende Verdichtung jeweils auf einfache Art und Weise eingestellt und verändert werden (z. B. durch Verstellung, vorzugsweise Exzenterverstellung der seitlichen Führungsbolzen).

Eine einwandfreie Übertragung zwischen Kolbenwelle und Antriebswelle ist gegeben, da erfindungsgemäß die Kolbenwelle ein im Kolben senkrecht verschiebbares, in Umfangsrichtung dagegen festgelegtes Mitnahmeteil aufweist. Sind Kolbenwelle und Antriebswelle beispielsweise über Kegel oder Stirnräder miteinander verbunden, ist aufgrund der geschilderten Ausbildung eine gleichmäßige Übertragung zwischen beiden Wellen gesichert.

Ein Verschleiß zwischen Führungsbolzen und Rille wird auf ein geringstmögliches Maß reduziert, wenn, wie erfin­ dungsgemäß vorgesehen, die rundum verlaufende Rille eine V-förmige Ausnehmung darstellt und daß die Führungsbolzen als Kugelkörper ausgebildet sind bzw. Kugeln sind. Diese Kugeln laufen damit nur auf geringstmöglichen Flächen, was darüber hinaus auch den Vorteil hat, daß ihre Bewegung (durch die erfindungsgemäße Zwangsdrehung) nur geringfügig beeinträchtigt wird, wodurch ein Verschleiß weitgehend ver­ hindert wird.

In der Regel ist es von Vorteil, wenn die Rille auf einem Kolben je zwei obere und untere Umkehrbögen aufweist. Durch diese Begrenzung der sinusförmigen Rille auf je zwei je Kolben ist nicht nur die auftretende Reibung in Grenzen gehalten, sondern gleichzeitig auch eine günstige Leistungs­ auslegung möglich. Die Leistung des Verbrennungsmotors erfordert gegenüber dem üblichen Hubkolbenmotor nur die halbe Anzahl der Zylinder, da z. B. bei einer Wellenumdrehung und der geschilderten Zahl von Sinuskurven ein Arbeitstakt erfolgt. Hieraus ergibt sich eine kompakte und leichte Bauweise eines derartigen Verbrennungsmotors.

Eine kontinuierliche Bewegung des Kolbens ist weiter dadurch sichergestellt, daß die Rille abgerundete Umkehr­ bögen aufweist. Hierdurch wird ein Totpunkt sicher vermieden und gleichzeitig eine sehr gleichmäßige Rotation des Kolbens erreicht.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausbildung der Erfin­ dung ist vorgesehen, daß der Kolben im Bereich der Rille geringfügig abgesetzt ausgebildet ist. Diese Ausbildung verringert die Reibung, wobei schon eine geringfügige Ab­ setzung des Mittelteils des Kolbens deutliche Vorteile erbringt.

Um die Führung des Kolbens zu vergleichmäßigen, sieht die Erfindung vor, daß der Rille je Kurve ein Führungsbolzen zugeordnet ist, so daß vorzugsweise zwei derartige Führungs­ bolzen über den Umfang und die Höhe des Zylinders verteilt angebracht sind.

Brennraum und Kolben sind über Frischöl schmierbar aus­ gebildet, was dadurch erreicht wird, daß Antriebsteil und Verbrennungsraum voneinander getrennt ausgebildet sind. Damit kann eine Dauerölfüllung im unteren Teil zum Einsatz kommen, was erhebliche Wartungsvorteile mit sich bringt.

Aufgrund der geschilderten Kraftübertragung zwischen Kolben und Kolbenwelle entsteht unterhalb bzw. im Kolben ein Hohlraum. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, daß der Raum unterhalb des Kolbens und auch in dem Kolben als Kompressions­ raum ausgebildet ist, die mit einem Verbrennungsluftspeicher verbunden sind. Gesteuert wird der Ein- und Austritt dieser Verbrennungsluft durch selbsteuernde Ventile, wobei eine Über­ tragung der Druckluft vom Kolben auf den Zylinder erfolgen muß. Durch die Vorkompression der Verbrennungsluft wird dann kein Lader benötigt, um optimale Leistungen zu erzielen, da in allen Drehzahlbereichen die benötigte Verbrennungs­ luft zur optimalen Leistung zur Verfügung steht.

Um bei den verschiedenen Arbeitstakten evtl. erwirt­ schafteten Überschuß an komprimierter Verbrennungsluft bevorraten zu können, sieht die Erfindung vor, daß der dem Kolben zugeordnete Verbrennungsluftspeicher als, vorzugsweise gekühlter Druckbehälter ausgebildet ist. Je nach benötigtem Leistungsbedarf kann aus diesem gekühlten Druckbehälter Ver­ brennungsluft entnommen und dem Brennraum zugeführt werden. Eine Mischung erfolgt dann im Brennraum.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein Verbrennungsmotor geschaffen ist, der eine wesent­ lich verbesserte Leistungsabgabe und Leistungshöhe aufweist, der im Aufbau vereinfacht ist und bei dem der Kolben konti­ nuierlich und ohne Vorgabe eines oberen und unteren Totpunktes auf- und abbewegt werden kann. Die Drehbewegung des Kolbens wird über die Kolbenwelle, die im unteren Teil des Motorgehäuses gelagert ist, auf die Antriebswelle über­ tragen, so daß eine günstige Leistungsübertragung gegeben ist. Die weitere Abgabe der Leistung erfolgt auf das nach­ folgende Getriebe über eine gebrauchsübliche Kupplung. Die Lager der Antriebswelle sind zur Verringerung der Rei­ bung als Kugel- bzw. Rollenlager ausgeführt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen

Fig. 1 einen Verbrennungsmotor vor dem Zündpunkt,

Fig. 2 den Verbrennungsmotor im Verdichtungs- und Zündzeitpunkt,

Fig. 3 den Verbrennungsmotor während des Verbren­ nungsvorganges,

Fig. 4 den Verbrennungsmotor im Zeitpunkt des Ausstoßens der Verbrennungsgase,

Fig. 5 den Kolben von unten gesehen,

Fig. 6 den Kolben im Schnitt und

Fig. 7 den Zylinder in vereinfachter Darstellung mit Führungsbolzen.

Bei dem in Fig. 1 wiedergegebenen Verbrennungsmotor (1) handelt es sich um einen vom Äußeren üblichen Motor mit Zylinder (2) und darin verschieblich angeordneten Kolben (3). Es handelt sich hier um einen Viertakter, weshalb zur weiteren Erläuterung die Fig. 2 bis 4 die weiteren Takte wiedergeben bzw. darstellen.

Der Brennraum (4) liegt zwischen Kolben (3) und der Wandung des Zylinders (2), während der untere Teil des Motorgehäuses (5) zur Aufnahme der Antriebswelle (6) dient. Die Antriebswelle (6) ihrerseits ist über die Kolbenwelle (7) mit einem endseitigen Zahnrad (8) mit dem Kolben (6) verbunden. Die Einzelheiten der Verbindung von Kolben (3) und Kolbenwelle (7) ist weiter hinten erläutert.

Bei der aus Fig. 1 ersichtlichen Position strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch über das geöffnete Einlaßventil (9) in den Brennraum (4) ein. Dieses Brennstoff-Luft-Gemisch (10) kann so lange einströmen, bis das Einlaßventil (9) über die Nockenwelle (11) wieder geschlossen ist (siehe Fig. 2).

Bei der aus Fig. 2 ersichtlichen Position wird durch Verkleinerung des Brennraumes (2) ein engbegrenzter Verdich­ tungsraum (15) geschaffen, in den über die Zündkerze (12) ein Zündfunke (14) eindringen kann, um das verdichtete Brennstoff-Luft-Gemisch (10) zu zünden.

Bei dem weiter oben beschriebenen Vorgang entsteht Wärme, die zumindest zum Teil dadurch abgeführt werden kann, daß der Zylinderkopf (16) mit Kühlräumen (17) umgeben ist, die von Kühlwasser durchströmt sind.

Aufgrund der Zündung im Verdichtungsraum (15) bzw. Brennraum (4) wird nun der Kolben (3) nach unten gedrückt, wobei er zwangsgedreht ist, wie weiter hinten noch erläutert ist, so daß diese Leistung über die Kolbenwelle (7) auf die Antriebswelle (6) mit der Zahnfläche (18) übertragen werden kann. Dabei ist die Kolbenwelle (7) so gelagert, daß das Zahnrad (8) immer gleichmäßig in die Zahnfläche (18) eingreifen kann.

Bei Fig. 3 hat der Kolben (3) seinen unteren Punkt erreicht, wobei nun über die Nockenwelle (20) gesteuert das Auslaßventil (19) öffnet. Dies erfolgt, weil über den Nocken der Nockenwelle (20) die Kraft der Ventilfeder (21) überspielt und der am Ende des Ventilschaftes (23) befind­ liche Ventilteller (22) aus seiner Dichtung herausgeschoben wird.

Mit dem Hochbewegen des Kolbens (3) wird nun das im Brennraum (4) befindliche Verbrennungsgas aus der Öffnung in die Leitung (24) hineingedrückt.

Weiter oben ist erwähnt, daß während des Auf- und Abbewegens eine Zwangsdrehung des Kolbens (3) erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, daß auf bzw. im Innenmantel (28) des Kolbens (3) eine sinusförmig verlaufende Rille (25) vorgesehen ist, in die der Zylinderinnenwand (27) zugeordnete Führungsbolzen (26) eingreifen. Bedingt durch diese Zwangsführung des Kolbens (3) muß dieser sich drehen, wodurch gleichzeitig auch die Kolbenwelle (7) mitgenommen wird, deren Zahnrad (8) dadurch in die Zahnfläche (18) eingreifend die Leistung auf die Antriebswelle (6) weiter­ gibt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Kolben (3), in den ein Mitnahmeteil (30) eingeführt ist und zwar genauer gesagt in eine senkrecht verlaufende Ausnehmung (31). Diese Ausnehmung (31 bzw. 34) ist so geformt, daß das Mitnahmeteil (30) zwar in senkrechter Richtung sich auf- und abbewegen kann, beim Drehen des Kolbens (3) aber automatisch mitge­ nommen wird.

Da es sich hier um einen Schnitt durch den Kolben (3) handelt, ist die Rille (25) nur in einem Teilabschnitt sichtbar. Sie verläuft aber, wie aus Fig. 1 bis 4 ersicht­ lich, als Sinuskurve jeweils mit einem bzw. mehreren oberen Umkehrbögen (32) und unteren Umkehrbögen (33). Bei dem aus Fig. 1 bis 4 ersichtlichen Ausführungsbeispiel sind es je zwei obere Umkehrbögen (32) und zwei untere Umkehr­ bögen (33).

Zur Verringerung der Reibung ist das Mittelteil des Kolbens etwas abgesetzt. Bei der aus Fig. 6 ersichtlichen Ausführung sind die oberen und unteren Absätze (35, 36) nur in einem relativ engen Bereich vorhanden, so daß sich ein sehr breiter abgesetzter Teil im Bereich des Außen­ mantels (28) ergibt. Diese Ausbildung ist auch für die Schmierung von Vorteil, zumal eine ausreichende Abdichtung zwischen Antriebsteil und Verbrennungsteil gegeben ist.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinder (2), wobei hier deutlich gemacht ist, daß über die Höhe und auch über den Umfang gesehen jeweils mehrere Führungsbolzen (26) zum Einsatz kommen. Sie werden von außen her in den Zylinder (2) eingesetzt, wozu Bohrungen (39) und Verschrau­ bungen (40) vorgesehen sind. Mit (41) ist der Zylinderraum bezeichnet, während (38) gemäß Fig. 6 der Raum ist, der innerhalb des Kolbens (3) sich volumenmäßig verändert, wenn der Kolben (3) auf der Kolbenwelle (7) sich auf- und abbewegt. Ein Druckausgleich mit dem großen Vorkompressionsraum (37) wird über die Bohrung (44) hergestellt. Die sich hier­ durch ergebende im Vorkompressionsraum (37), Verdichtung von Verbrennungsluft wird vorteilhaft ausgenutzt, wobei hier auf die zeichnerische Erläuterung von Einzelheiten verzichtet ist.

Anhand der Fig. 1 wird die bereits angesprochene Vor­ kompression der Verbrennungsluft dadurch erreicht, daß beim Abwärtsbewegen des Kolbens (3) im Vorkompressionsraum (37) die dort vorhandene und eingesaugte Verbrennungsluft zwangsweise verdichtet wird. Das Luftauslaßventil (43) ist dabei so einge­ stellt, daß es erst bei Erreichen vorgegebener Kompressions­ werte öffnet. Die komprimierte Verbrennungsluft, die vorher beim Aufwärtsbewegen des Kolbens (3) über das Lufteinlaßventil (42) in den Vorkompressionsraum (37) eingeströmt ist, wird dann über die Leitung (45) dem Druckbehälter (46) zugeführt. Über die Leitung (47) erreicht dann die komprimierte Verbrennungs­ luft den Brennraum (4), wenn dort ein Bedarf gegeben ist.

Die notwendige Kompression im Vorkompressionsraum (37) und auch zugleich eine Führung für die Kolbenwelle (7) wird durch das Lager (29) erreicht, das zugleich einen Abschluß zum Wellen­ raum (13) darstellt, das mit Öl gefüllt ist.

Aufgrund der Auf- und Abbewegung des Kolbens (3) verändert sich das Volumen des Raums (38) im Kolben (3), indem die Kolben­ welle (7) geführt ist. Um hier den nachteiligen Aufbau eines Druckpolsters zu vermeiden, ist dieser Raum (38) mit dem Vor­ kompressionsraum (37) über einen Verbindungsspalt (44) bzw. einer Bohrung verbunden.

Möglich ist es auch beim erfindungsgemäßen Verbrennungs­ motor, Verbrennungsgase teilweise in den Brennraum (4) zurück­ zuführen.

Fig. 1 zeigt das Ansaugen des Verbrennungsluftgemisches, Fig. 2 das Verdichten des Verbrennungsluftgemisches, Fig. 3 die Abwärtsbewegung des Kolbens und damit den Zeitpunkt der Leistung der Arbeit und Fig. 4 den Ausstoß des Ver­ brennungsluftgemisches, wobei diese einzelnen Arbeitstakte jeweils gleichzeitig dazu ausgenutzt werden, im Vorkompressions­ raum (37) bzw. (38) Verbrennungsluft zu komprimieren und dann dem Druckbehälter (45) zuzuführen, um sie dort zu speichern. Aufgrund der Taktverhältnisse wird in diesen Raum eine größere Menge an Verbrennungsluft eingegeben, so daß die Druckver­ hältnisse gezielt verändert werden und verbessert werden können.

Claims (11)

1. Verbrennungsmotor, bei dem durch Verbrennen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches der im Zylinder bzw. Brennraum bewegte Kolben, der über eine Stange mit der Antriebswelle verbunden ist, in mehreren Takten mechanische Arbeit leistet bzw. in seine Ausgangslage zurückbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) auf dem Außenmantel (28) eine, vorzugsweise sinusförmig verlaufende Rille (25) aufweist, in die auf der Zylinder­ innenwand (27) angeordnete Führungsbolzen (26) eingreifen und daß der Kolben über eine Kolbenwelle (7) mit der Antriebswelle (6) verbunden ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) auf der Kolbenwelle (7) verschiebbar angeordnet ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenwelle (7) ein im Kolben (3) senkrecht ver­ schiebbares, in Umfangsrichtung dagegen festgelegtes Mit­ nahmeteil (30) aufweist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rundumlaufende Rille (25) eine V-förmige Ausnehmung darstellt und daß die Führungsbolzen (26) als Kugelkörper ausgebildet sind.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille (25) auf einem Kolben (3) je zwei obere und untere Umkehrbogen (32, 33) aufweist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille (25) abgerundete Umkehrbögen (32, 33) auf­ weist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) im Bereich der Rille (25) geringfügig abgesetzt ausgebildet ist.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rille (25) je Kurve ein Führungsbolzen (26) zugeordnet ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brennraum (4) und Kolben (3) über Frischöl schmierbar ausgebildet sind.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkompressionsraum (37) unterhalb des Kolbens (3) und auch der Raum (38) in dem Kolben (3) als gemeimsamer Kompressions­ raum ausgebildet ist, der mit einem Verbrennungsluftspeicher verbunden ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kolben (3) zugeordnete Verbrennungsluftspeicher als gekühlter Druckbehälter (46) ausgebildet ist.