DE68914852T2

DE68914852T2 - Brennkraftmaschine mit rohrförmigem drehschieber.

Info

Publication number: DE68914852T2
Application number: DE68914852T
Authority: DE
Inventors: Akira Hagiwara
Original assignee: OSHIMA KENSETSU KK
Current assignee: OSHIMA KENSETSU KK
Priority date: 1989-03-24
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2009-12-02
Also published as: WO1990011432A1; EP0464201B1; EP0464201A1; KR0144452B1; DE68914852D1; KR920701617A; EP0464201A4; US5191863A

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehventil-Brennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 und 8.
Die Britische Patentanmeldung GB-A-2 129 4BB offenbart eine Drehventil-Brennkraftmaschine mit einem Maschinenblock, einem Einlass in dem Maschinenblock zum Ansaugen eines Brennstoffsgemischs, einem Auslass in dem Maschinenblock zum Abgeben des Brennstoffgemischs, einem drehbar in dem Maschinenblock gelagerten zylindrischen Drehventil, welches an einem Ende hermetisch abgedichtet (geschlossenes Ende) und am anderen Ende offen ist sowie im Inneren eine zylindrische Fläche aufweist, einer Öffnung in der äusseren Umfangswandfläche des Drehventtils zur Herstellung einer Verbindung mit dem Einlass beim Einlassen und mit dem Auslass beim Ausstossen, einem Zahnrad an einem Ende des Drehventils, einem Kolben, der gleitend in dem Zylinderraum des Drehventils angeordnet ist, einer Kurbelwelle, die mit dem Kolben über eine Verbindungsstange verbunden ist, einem Kurbelzahnrad auf der Kurbelwelle, das mit dem Zahnrad kämmt,und einem Zylinderkopf an einem Ende des Drehventils als einstückiges Teil mit diesem zur Gasabdichtung.
Die WO-A-88/01682 beschreibt eine Drehventil-Brennkraftmaschine mit gegenüberliegenden Kolben mit einem Maschinenblock, einem Einlass in dem Maschinenblock zum Absaugen eines Brennstoffsgemischs, einem Auslass in dem Maschinenblock zum Abgeben des Brennstoffgemischs, einem drehbar in dem Maschinenblock gelagerten Drehventil, welches an beiden Enden offen ist und im Inneren eine zylindrische Fläche aufweist, einer Öffnung in der äusseren Umfangswandfläche des Drehventtils zur Herstellung einer Verbindung mit dem Einlass beim Einlassen und mit dem Auslass beim Ausstosen, Zahnradtrieben zum Drehen des Drehventils, zwei Kolben, die gleitend in dem zylindrischen Raum des Drehventils einander gegenüberliegend beiderseits der Öffnung angeordnet sind, sowie zwei Kurbelwellen, die mit den beiden Kolben über zwei Verbindungsstangen verbunden sind.
Ventilmechanismen zum Einlassen und Ausstossen des Brennstoffgemischs lassen sich grob in drei Kategorien einteilen, nämlich Teller-, Schieber- und Drehventile. Der weitgehendst in Brennkraftmaschinen eingesetzte Tellerventilmechanismus weist im allgemeinen eine Ventilbetätigung sowie einen entsprechenden Antrieb für diese auf. Die Ventilbetätigung umfasst einen Nocken, der das Öffnen und Schliessen des Ventils steuert, einen Übertragungsmechanismus zum Übertragen der Nockenbewegung sowie eine Einrichtung zur Umwandlung der Nockenbewegung in eine Bewegung zum Öffnen und Schliessen des Ventils. Der Antrieb ist ein Mechanismus zum Antreiben der Nockenwelle synchron mit der Drehung der Kurbelwelle.
Zur Zeit gelangen in Abhängigkeit von den Leistungscharakteristika der Maschine, der Konfiguration der Verbrennungskammer, der Wartungsfreundlichkeit, den Herstellungskosten usw. Tellerventilmechanismen in verschiedenen Ausführungen kommerziell zum Einsatz. Diese lassen sich grob unterteilen in stehende Ventile, die hauptsächlich in Allzweckmaschinen verwendet werden, und in hängende Ventile, welche in KFZ- Motoren und dergleichen zum Einsatz kommen. Antriebe sind in Zahnrad-, Ketten- und Synchronriemenausführung vorgesehen. Schieberventileinrichtungen sind so konzipiert, dass eine auf der Innenoberfläche eines Zylinders befindliche Hülse nach oben und unten bzw. drehend angetrieben wird und hierdurch das Öffnen und Schliessen der Ein- und Auslässe bewirkt.
Das Drehventil ist ein Mechanismus, der in einem Teil des Ein-/Auslasskanals oder der Verbrennungskammer einen Rotor aufweist, der zur Herstellung einer Verbindung mit den Einund Auslässen in Drehung versetzt wird. Schieberventile können wie beispielsweise in der Japanischen Gebrauchsmusterschrift Nr. 368237 (JP, Z2, 36823) sowie der Japanischen Gebrauchsmuster-Auslegungsschrift Nr. 25-5704 (JP, Y1, 25-5704) beschrieben ein Drehventil beinhalten, in dem eine Hülse zum Öffnen und Schliessen der Ein- und Auslässe gedreht wird. Mit derartigen Schieberventilen ausgestattete Verbrennungsmaschinen bieten eine Reihe von Vorteilen wie einen hohen Lüftungswirkungsgrad für Einlass und Ausstoss aufgrund eines verhältnismässig grossen Ventilbohrungsquerschnitts, einen relativ einfachen Aufbau des Ventilmechanismus und einen geringeren Geräuschanfall.
Angesichts gewisser Probleme, die da sind die Sicherstellung einer dauerhaften Luftabdichtung zwischen Schieber und Zylinderblock sowie Schmierung der drehenden Kontaktflächen, Reibungsverluste usw., sind Brennkraftmaschinen mit Schieberventilen zur Zeit jedoch ausser für besondere Verwendungszwecke nicht im praktischen Einsatz. Die vorbeschriebene Drehventil-Brennkraftmaschine ist Stand der Technik und mit dem Nachteil behaftet, dass es bisher unmöglich war, das Verdichtungsverhältnis auf ein hohes Niveau zu bringen, da keinerlei Möglichkeit bestand, Gasleckagen vollständig auszuschalten und die erforderliche Schmierung mit der zum Zeitpunkt der Entwicklung dieser vorbekannten Maschine verfügbaren Schiniertechnik zu bewirken.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung, die auf dem vorbeschriebenen Stand der Technik basiert, dient der Lösung der folgenden Aufgaben:
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuartigen Drehventil-Brennkraftmaschine, die weder Einlass- noch Auslassventile aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Drehventil-Brennkraftmaschine, die so konzipiert ist, dass ein verbesserter Einlass- und Ausstosswirkungsgrad gewährleistet ist.
Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Drehventil-Brennkraftmaschine mit einer wirksameren Abdichtung für das Drehventil.
Darüberhinaus dient die vorliegende Erfindung der Schaffung einer Drehventil-Brennkraftmaschine, bei welcher die Kolbenkonstruktion so verbessert ist, dass der Abgas-Ausstosswirkungsgrad erhöht wird.
Die Erfindung dient ausserdem der Schaffung einer Drehventil-Brennkraftmaschine mit einer so beschaffenen Zylinderkopfkonstruktion, dass ein verbesserüer Einlass- und Aus-Stosswirkungsgrad erzielt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Drehventil-Brennkraftmaschine mit gegenüberliegenden Kolben, die konstruktiv so ausgebildet ist, dass sich das Verdichtungsverhältnis mit einem Zylinder geringen Hubraums erhöhen lässt.
Schliesslich dient die Erfindung noch der Schaffung einer Drehventil-Brennkraftmaschine mit gegenüberliegenden Kolben, die so beschaffen ist, dass die Dichtwirkung beim Schieberventil vergrösset wird.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1, 2 und 8.
Erfindungsgemäss ist ein Dichtring (40) vorgesehen, der um die Öffnung (5) herum angeordnet ist und durch Zentrifugalkraft, die durch Drehung des Drehventils erzeugt wird, in Berührung mit der inneren Umfangswandfläche (7) gedrückt wird zur Bewirkung einer Gasabdichtung am Einlass (10) und am Auslass (15).
Vorgesehen ist eine federnde Ausstosseinrichtung zum Ausstossen des Auspuffgases, das in dem Drehventil (83) während des Auspuffzyklus des Kolbens (P) verbleibt, durch den Federdruck einer Feder (34), die zwischen dem Kolben (P) und der Verbindungsstange (30) zur Verbindung des Kolbens (P) und der Kurbelwelle (20) liegt. Durch diese Anordnung wird der Ausstosswirkungsgrad verbessert.
Vorzugsweise ist die federnde Ausstosseinrichtung mit Anschlägen (35) und (36) versehen, die verhindern, dass der Kolbenkörper (33), der den Kolben (P) bildet, über einen vorgegebenen Abstand hinaus gegen die Feder (34) bewegt wird.
Ein oberer Kolben (50) ist vorzugsweise am Maschinenblock (1) über eine Feder (66) so befestigt, dass er nur in Axialrichtung des Drehventils (3) beweglich ist, und in das Drehventil (3) eingefügt. Diese Konstruktion verbessert den Ausstosswirkungsgrad.
Eine weitere Verbesserung erfährt der Ausstosswirkungsgrad durch die Anordnung eines oberen Kolbens (50) zwischen dem Drehventil (3) und dem Maschinenblock (1), der mit einer Feder (87) und einem Lager (86) versehen sowie drehbar und in Axialrichtung des Drehventils (3) beweglich ist.
Bei Anordnung einer Anschlagfläche (67), die verhindert, dass der obere Kolben (P) über einen vorgegebenen Abatand hinaus gegen die Feder (66) bewegt wird, ist die Konstruktion sogar noch wirkungsvoller.

XURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es bedeuten:
Figur 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Ausstosseinrichtung einer Drehventil-Brennkraftmaschine;
Figur 2(a), 2(b), 2(c) und 2(d) Anordnungen einer Gasabdichtung für eine Öffnung;
Figur 3 eine Schnittansicht auf der Linie III-III in Figur 1, die einen Öleinlass eines Drehventils aufzeigt;
Figur 4 eine Abwicklung, aus der die Form eines Auslasses und eines Einlasses hervorgeht;
Figur 5 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform, in welcher eine Zündkerze in der Seitenwandfläche des Drehventils angeordnet ist;
Figur 6(a) und Figur 6(b) Darstellungen eines weiteren Beispiels des Drehventils;
Figur 7 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Drehventil-Brennkraftmaschine;
Figur 8 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Drehventil-Brennkraftmaschine, deren Ausstosswirkungs grad durch Einbau einer Feder in einen Kolben verbessert ist;
Figur 9(a) und 9(b) Schnittansichten zur Darstellung der Arbeitsweise des Kolbens der fünften Ausführungsform;
Figur 10 eine Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform;
Figur 11 eine Schnitansicht einer siebten Ausführungsform; und
Figur 12 eine Schnittansicht einer achten Ausführungsform.

BESTE ART DER AUSPÜHRUNG DER ERFINDUNG

Erste Ausführungsform:

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung seien nunmehr beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Drehventil- Brennkraftmaschine. Als Maschinenblock 1 dient ein hohles Zylindergehäuse aus einem Gussmaterial der im Motorenbau üblichen Art. Der Zylinderblock 1 weist an seinem unteren Ende ein Kurbelgehäuse 2 mit einer darin befindlichen Kurbelwelle 20 auf. Ein zylindrisches Drehventil 3 ist drehbar in dem Maschinenblock 1 gelagert.
Ein Kegelrad 4 ist mit dem Drehventil 3 an einem Ende desselben verbunden, wobei das Kegelrad 4 getrennt vom Drehventil 3 hergestellt und nach dem Fräsen der Verzahnung mit diesem zusammen montiert werden kann. Der mittlere Teil des Drehventils 3 ist mit einer Öffnung 5 ausgestattet, die von der Bohrungsseite aus gesehen elliptisch und vom Ausgang aus gesehen kreisrund ist (siehe Figur 2). Die äussere Umfangswandfläche des Drehzylinderventils 3 ist mit einer Vielzahl einteilig mit dem Ventil ausgebildeter radialer Flügel 6 bestückt, die Pumpenschaufeln zur Umwälzung von Kühlwasser vergleichbar sind und relativ zur Drehachse des Drehventils 3 einen bestimmten Steigungswinkel aufweisen. Diese Flügel 6 sind jedoch nicht grundsätzlich erforderlich, sondern nur dann vorzusehen, wenn der Kühlwirkungsgrad verbessert werden soll.
Der Maschinenblock 1 ist versehen mit einem Einlass 10 und einem Aus lass 15, wobei die Lage der Öffnungen des Einlasses 10 und Auslasses 15 so gewählt ist, dass diese dem Maschinenzyklus, d.h. Ansaugen, Verdichtung, Expansion und Ausstoss, synchron mit der Drehung der Öffnung 5 entsprechen.
Der Bereich zwischen Drehventil 3 und Maschinenblock 1 ist ein Hohlraum, der in Form einer Kühlwasser aufnehmenden Kühlkammer 8 zur Kühlung des Drehventils 3 ausgebildet ist. Die Kühlkammer 8 ist mit einem Kühlmedium zur Kühlung der äusseren Umfangsfläche des Drehventils 3 gefüllt.
Weiterhin sind die beiden Enden des Drehventils 3 in entsprechenden Lagern 9 drehbar gelagert. Die Lager 9 sind aus hitze- und korrosionsfestem Material hergestellt und zur Aufnahme von Axialbelastungen ausgelegt. Die Kurbelwelle 21 weist auf einen Zapfen 21 in der Mitte sowie zwei Arme 22 an den beiden Enden, die auf beiden Seiten des Zapfens 21 einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jeder Arm 22 mit einem gegenüber dem Zapfen 21 exzentrischen Schaft 23 versehen ist. Jeder Schaft 23 wird durch ein Lager 24 im Inneren des Kurbelgehäuses 2 abgestützt.
Ein entweder einstückig mit der Kurbelwelle ausgebildetes oder als separates Teil hergestelltes Kurbelzahnrad 26 sitzt auf einem Ende der Kurbelwelle 20. Bei diesem Kurbelzahnrad 26 handelt es sich um ein Kegelrad, das mit dem Kegelrad 4 an einen Ende des Drehventils 3 kämmt und dieses antreibt. Das Übersetzungsverhältnis des Kurbelzahnrads 26 zum Kegelrad 4 beträgt 1:2, d.h. das Kegelrad 4 macht eine Umdrehung je zwei Umdrehungen des Kurbelzahnrads 26.
Das eine Ende einer Verbindungsstange 30 ist drehbar mit dem Zapfen 21 der Kurbelwelle 20 verbunden, während in das andere Ende der Verbindungsstange 30 und in einen Kolbenkörper 33 ein Kolbenbolzen (nicht dargestellt) eingefügt ist. In entsprechende Nuten auf dem äusseren Umfang des Kolbenkörpers 33 sind zwei Druckringe 37 und ein Ölring 38 eingesetzt.
Die Figuren 2(a), 2(b), 2(c) und 2(d) zeigen die Konstruktion und Form eines Dichtringes 40 für die Öffnung 5 des Drehventils 3, wobei die Figur 2(a) eine Schnittansicht der Öffnung 5 des Drehventils 3 in einer senkrecht zur Achse verlaufenden Ebene, die Figur 2(b) eine in Richtung des Pfeils b in Figur 2(a), d.h. von der Bohrung aus, zu sehende Ansicht, die Figur 2(c) eine in Richtung des Pfeils c in Figur 2(a), d.h. von der Aussenseite aus, zu sehende Ansicht und die Figur 2(d) eine Schnittansicht auf der Linie d-d in Figur 2(c) darstellen.
Wie aus diesen Figuren ersichtlich, weist die Öffnung 5 an dem einen der Bohrung des Drehventils 3 benachbarten Ende eine elliptische, am Auslassende jedoch eine kreisrunde Form auf. Ist das der Bohrung benachbarte Ende der Öffnung 5 kreisrund, so vergrössert sich die Abmessung der Öffnung 5 in Bewegungsrichtung des Kolbens P mit dem Ergebnis, dass sich das Verdichtungsverhältnis verringert. Anders gesagt verhindern die Druckringe 37 auf dem Kolben P Gasdurchtritte in den Fällen, wo eine Verdichtung über die Öffnung 5 hinaus stattfindet.
Ein Dichtring 40 befindet sich in der äusseren Umfangswandfläche 19 des Drehventils 3 sowie auf dem Umfang der Öffnung 5. Der Dichtring 40 ist rund und weist eine zylindrische gekrümmte Oberfläche zur Anpassung an die äussere Umfangswandfläche 19 des Drehventils 3 auf. Über den Umfang der Öffnung 5 in der äusseren Umfangswandfläche 19 verläuft eine Ringnut 41, in welche der Dichtring 40 eingepasst ist und die mit einem Ölzulauf 42 in Verbindung steht.
Zwischenzeitlich befindet sich die Ringnut 41 in Verbindung mit einem Ölablauf 43. Ölzulauf 42 und Ölablauf 43 sind über entsprechende Axialbohrungen im Drehventil 3 mit dem Inneren des Kurbelgehäuses 2 verbunden. Das Kurbelgehäuse 2 ist mit Motoröl gefüllt, das durch die Kurbelwelle 20 ständig umgerührt wird.
Mit der Drehung des Drehventils 3 wird das Motoröl über einen Öleinlass 44 (siehe Figur 3) zugeführt und das in der Ringnut 41 befindliche Überschussöl über den Ölablauf 43 in das Kurbelgehäuse 2 zurückgeleitet. Man beachte, dass der Öleinlass 44 der Bohrung des Drehventils 3 tangential gegenüberliegt, um den Öleinlauf zu vereinfachen (siehe Figur 3).
Inzwischen weist der Dichtring 40 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt sowie Öldurchgangsöffnungen 45 auf, die in vorgegebenen Abständen auf dem Umfang angeordnet sind. Diese Öffnungen 45 machen es möglich, dass das Öl vom Grund der Ringnut 41 aus auf die äussere Oberfläche des Dichtrings 40 tropfen kann. Dieses auf die Oberfläche abtropfende Öl sammelt sich in einer Nut in der Oberseite des Dichtrings 40. Entsprechend weist auch der Grund des Dichtrings 40 eine Ölnut auf, so dass das Öl die Bereiche zwischen den Öldurchgangsöf fnungen 45 durchströmt.
Weiter ist eine gewellte Blattfeder 46 in den Raum zwischen dem Grund der Ringnut 4l und dem des Dichtrings 40 eingefügt, die den Dichtring 40 ständig nach aussen drückt. Damit wird der Dichtring 40 gegen die innere Umfangswandfläche 7 des Maschinenblocks 1 gepresst und die erforderliche Gasdichtigkeit sichergestellt. Da das Drehventil 3 rotiert, wird ausserdem der Dichtring 40 durch Zentrifugalkraft gegen die innere Umfangswandfläche 7 des Maschinenblocks 1 gedrückt mit dem Ergebnis, dass die Gasdichtwirkung noch weiter verbessert wird. In diesem Sinne wird die Gasabdichtung zusätzlich erhöht, wenn ein Dichtring 40 mit einem höheren Gewicht als in der vorbeschriebenen Ausführungsform vorgesehen zum Einsatz kommt. Die Gasabdichtung ist nicht nur bei schneller, sondern auch bei langsamer Drehung des Drehventils 3 gewährleistet.
Ein Zylinderkopf 47 ist einteilig mit dem Drehventil 3 an der Oberseite des Zylinderblocks 1 vorgesehen. In der Mitte des Zylinderkopfes 47 befindet sich eine Zündkerzengewinde öffnung 48 sowie eine Öffnung 50 zur Aufnahme einer Zündkerze 49.
Die Zündkerze 49 wird in die Gewindeöffnung 48 eingesetzt. Die Figur 4 zeigt in der Abwicklung die Form der Ein- bzw. Auslässe 10, 15 im Maschinenblock. Wie aus der Figur ersichtlich, weisen die Auslässe 15 und die Einlässe 10 im wesentlichen den gleichen Durchmesser auf wie die Öffnungen 5. Jeder der Auslässe/Einlässe 15, 10 ist an beiden Umfangsenden mit halbrunden Vorsprüngen 11 versehen, die im gleichen Durchmesser wie der Einlass 10 gehalten sind.
Jedes Paar halbrunder Vorsprünge 11 ist über ein Stegelement 12 verbunden, das die erforderliche Stabilität sicherstellen und ein Abfallen des Dichtrings 40 bei der Drehbewegung des Drehventils 3 verhindern soll. Diese Stegelemente 12 sind jedoch nicht grundsätzlich erforderlich, sondern sollten im Hinblick auf einen höheren Einlass- und Ausstosswirkungsgrad nach Möglichkeit nicht vorgesehen werden. Da der Auslass 15 identisch mit dem Einlass 10 ausgeführt ist, wird auf eine Beschreibung desselben verzichtet.

Arbeitsweise:

Die Brennkraftmaschine mit den vorbeschriebenen Merkmalen arbeitet wie folgt Die Kurbelwelle 20 wird mit einem Anlasser (nicht dargestellt) drehend angetrieben. Bei der Bewegung des Kolbens P in Richtung auf den unteren Totpunkt kommen die Öffnung 5 und der Einlass 10 miteinander in Verbindung, so dass Brennstoffgemisch über die Öffnung 5 eingesaugt wird. Das Brennstoffgemisch A wird von einem Vergaser in bekannter Ausführung aus (nicht dargestellt) zugeführt. Die Menge des beim Einlasshub aufgenommenen Brennstoffs ist am grössten in der Mitte der Überlappung von Öffnung 5 und Einlass 10 und nimmt ab, wenn sich die Überlaplung einem Ende nähert, während der Einlassvorgang beendet wird, wenn keine Überlappung mehr stattfindet (Figur 4).
Zwischenzeitlich treibt das Kurbelzahnrad 26 auf der Kurbelwelle 20 das Drehventil 3 zwecks Steuerung dergestalt, dass die Öffnung 5 und der Einlass 10 in Verbindung miteinander gelangen. Anschliessend bewegt sich der Kolben P in Richtung auf den oberen Totpunkt und verdichtet dabei das Brennstoffgemisch A. Unmittelbar bevor der Kolben P den oberen Totpunkt erreicht, gelangt die Öffnung 5 in Deckung mit der Zündkerze 49 und wird das verdichtete Brennstoffgemisch gezündet, wobei das Gemisch unter Expansion verbrannt wird, wenn sich der Kolben P im oberen Totpunkt befindet.
Durch das Verbrennungsgas wird die Bewegung des Kolbens P bewirkt mit dem Ergebnis, dass die Kurbelwelle 20 über die Verbindungsstange 30 und den Zapfen 21 angetrieben wird. Beim erneuten Hochfahren des Kolbens P gelangen Öffnung 5 und Auslass 15 in Verbindung miteinander, so dass über den Auslass 15 das Abgas aus der Maschine ausgestossen wird.

Zweite Ausführungsform:

Figur 5 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform, bei welcher die Zündkerze 49 so in der Seitenwandfläche des Maschinenblocks 1 angeordnet ist, dass die Öffnung 5 während des Verdichtungshubs mit der Position der Zündkerze 49 zur Deckung kommt Diese Ausführungsform bietet den Vorteil einer vereinfachten Konstruktion des Motorkopfes.

Dritte Ausführungsform:

Die Figuren 6(a) und 6(b) zeigen ein weiteres Beispiel des Drehventils 3, wobei die Figur 6(a) eine Querschnittsansicht dieses Ventils und Figur 6(b) eine Ansicht in Richtung des Pfeils b in Figur 6(a) gesehen darstellen. Das Drehventil 3 gemäss der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist einen einzelnen Dichtring 40 auf, während diese Ausführungsform zwei Dichtringe 40 in Form einer doppelten Dichtringanordnung vorsieht, durch welche die Dichtwirkung verbessert wird. Darüberhinaus ist der Ölzulauf 42 in dieser Ausführungsform relativ zur Mittelachse des Drehventils 3 mit θ1 geneigt.
Das über den Öleinlass 44 zulaufende Öl wird aufgrund der durch die Drehung des Drehventils 3 erzeugten Zentrifugalkraft nach oben befördert, so dass Öl zu den Dichtringen 40 gelangt. Danach wird das Öl über den Ölablauf 43 abgeführt. Der Ölablauf 43 ist mit θ2 entgegengesetzt zur Neigung 91 des Ölzulaufs 42 relativ zur Achse des Drehventils 43 ebenfalls geneigt. Hierdurch erfährt die Seitenkraft eine zentrifugale Ablenkung, so dass eine noch glattere Ölableitung gewährleistet ist.

Vierte Ausführungsform:

Figur 7 zeigt eine Ausführungsform, die eine Abwandlung der ersten Ausführung darstellt und bei der ein Hauptmerkmal darin besteht, dass ein Zylinderkopf 47a mit Schrauben auf dem Maschinenblock 1 befestigt ist und dass Drehventil 3 und Zylinderkopf 47a zueinander verschiebbar angeordnet sind. Der Ölring 51 und die Druckringe 52 dienen dazu, den Austritt von verdichtetem Gas über den Spalt zwischen Zylinderkopf 47 und Drehventil 3, die relativ zueinander drehen, zu verhindern. Sämtliche vorbeschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden in Drehventil-Brennkraftmaschinen eingesetzt.

Funfte Ausführungsform:

Figur 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform. Der Kolben P in den vorbeschriebenen Ausführungsformen entspricht der in konventionellen Brennkraftmaschinen eingesetzten Kolbenausführung. Diese fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten bis vierten Ausführung durch die Konstruktion des Kolbens P. Ein Kolbenbolzen 31 ist in das zweite Ende der Verbindungsstange 30 eingesetzt. Beide Enden des Kolbenbolzens 31 sind auf einem Kolbenlager 32 befestigt.
Ein Kolbenkörper 33 ist so ausserhalb des Kolbenlagers 32 angeordnet, dass er über eine Schraubenfeder 34 in Axialrichtung des Drehventils 3 bewegbar ist. Kolbenbolzen 31, Kolbenlager 32, Schraubenfeder 34 und Kolbenkörper 33 zusammen bilden den Kolben P.
Weiterhin ist der Kolbenkörper 33 mit einer oberen Anschlagfläche 35 versehen, die einteilig mit dem Kolben an dessen oberer Innenseite ausgebildet ist, während sich eine untere Anschlagfläche 36 im unteren Teil desselben befindet. Der Kolbenkörper 33 ist relativ zum Kolbenlager 32 über eine Distanz zwischen der oberen Anschlagfläche 35 und der unteren Anschlagfläche 36 beweglich. Man beachte, dass die Ausführungsform gemäss Figur 8 mit Ausnahme des vorbeschriebenen Bereichs der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform im wesentlichen gleich ist. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern auch auf normalübliche Brennkraftmaschinen wie beispielsweise solche der in der vierten Ausführungsform gemäss Figur 7 beschriebenen Art einsetzbar.

Arbeitsweise:

Die Kurbelwelle 20 wird mit einem Anlasser (nicht dargestellt) drehend angetrieben. Bei der Bewegung des Kolbens P in Richtung auf den unteren Totpunkt kommen die Öffnung 5 und der Einlass 10 miteinander in Verbindung, so dass Brennstoffgemisch über die Öffnung 5 eingeaugt wird. Nach Beendigung des Ansaughubs fährt der Kolben P in Richtung oberer Totpunkt, d.h. wird das Brennstoffgemisch A verdichtet. Durch die Verdichtung wird eine geringfügige Bewegung des Kolbenkörpers 33 verursacht.
Anders ausgedrückt wird die Schraubenfeder 34 zusammengedrückt (Figur 9(a)). Zu diesem Zeitpunkt durchfährt der Kolbenkörper 33 die Strecke , bis die obere Anschlagfläche gegen die Oberseite des Kolbenlagers 32 stösst. Die Bewegungsstrecke des Kolbenkörpers 33 wird bestimmt durch den Punkt, an dem die Steifheit der Schraubenfeder 34 und die Druckkraft in der Waage sind. Dies bedeutet, dass der Kolbenkörper 33 nicht in allen Fällen die Strecke zurücklegt, sondern vielmehr diese Distanz die maximale Wegstrecke darstellt.
Der Druck der Schraubenfeder 34 richtet sich nach dem Verdichtungsverhältnis, das wiederum durch den Wirkungsgrad der Maschine bestimmt wird. Unmittelbar bevor der Kolben P den oberen Totpunkt erreicht, gelangt die Öffnung 5 in Deckung mit der Zündkerze 49 und wird das verdichtete Brennstoffgemisch gezündet, das unter Expansion verbrannt wird, wenn sich der Kolben P im oberen Totpunkt befindet.
In dieser Phase wird der Kolbenkörper 33 gleichzeitig durch das explosionsartig verbrennende Gas verschoben, um die Schraubenfeder 34 vorübergehend zusammenzudrücken, fährt jedoch vor der Verdichtung in seine Ausgangsstellung zurück. Das explosionsartig verbrennende Gas bewirkt keine abrupte Verschiebung des Kolbens P, sondern beaufschlagt diesen mit einer abgestuften Kraft. Anschliessend fährt der Kolben P nach oben, so dass die Öffnung 5 und der Aus lass 15 miteinander in Verbindung gelangen und über den Auslass 15 das Abgas aus der Maschine ausgestossen wird (siehe Figur 9(b)).
Zu diesem Zeitpunkt wird die untere Anschlagfläche 36 des Kolbenkörpers 33 durch die Kraft der Schraubenfeder 34 in Kontakt mit dem Kolbenlager 32 gebracht. Da der Spalt zwischen Zylinderkopf 47 und Kolbenkörper 33 während des Ausstosshubs extrem klein ist, wird das Auspuffgas praktisch vollständig ausgestossen. Die vorbeschriebenen Abläufe wiederholen sich.

Sechste Ausführungsform:

Figur 10 zeigt eine sechste Ausführungsform. Ein oberer Kolben 50 ist in den oberen Teil des Drehventils 3 eingesetzt. Der obere Kolben 50 hat die Form eines Zylinders mit einem geschlossenen und einem offenen Ende und ist mit Kolbenringen 51 und einem Ölring 52 auf seinem Umfang versehen. Die Kolbenringe 51 dienen zur Gasabdichtung zwischen dem Drehventil 3 und dem oberen Kolben 50.
In der Mitte der Stirnfläche 53 des oberen Kolbens 50 ist eine mit Gewinde versehene Zündkerzenöffnung 54 mit darin befindlicher Zündkerze 70 ausgebildet. In der Mitte des Kolbens 50 ist eine Öffnung 55 zur Aufnahme der Zündkerze 70 vorgesehen. Am oberen Ende des oberen Kolbens 50 befindet sich ein Flansch 56.
Der Flansch 56 weist eine Reihe im gleichen Winkelabstand voneinander angeordneter kreisrunder Führungsöffnungen 57 an den entsprechenden Stellen auf. In jeder Führungsöffnung 57 ist gleitend ein Führungsstift 58 eingesetzt. Der obere Kolben 50 verfährt bei gleitender Führung entlang den Führungsstiften 58. Ein Ende eines jeden der Führungsstifte 58 ist in einer Platte 59 und das andere Ende in einer Platte 60 befestigt.
Ein Zwischenscheibenpaket 61 ist zwischen den Platten 59 und 60 angeordnet. Zweck dieser Scheiben 61 ist es, den Spalt zwischen den Platten 59 und 60 einzustellen. Schrauben 62 verbinden die Platte 60 und die Scheiben 61. Die Platte 59 ist mit Schrauben 63 auf dem Maschinenblock 1 befestigt.
Eine Federsicherung 65 ist mittels Schrauben und Scheiben 64 im mittleren Teil der Platte 60 angeordnet. Zwischen der Federsicherung 65 und der inneren Stirnfläche 67 des oberen Kolbens 50 sitzt eine Schraubenfeder 66. Damit wird der obere Kolben 50 durch die Druckkraft der Schraubenfeder 66 ständig gege0n den Kolben P gepresst. Die Scheiben dienen zur Ein- stellung der von der Schraubenfeder 66 zu beaufschlagenden Kraft.

Arbeitsweise:

Die Brennkraftmaschine mit den vorbeschriebenen Merkmalen arbeitet wie folgt: Die Kurbelwelle 20 wird mit einein Anlasser (nicht dargestellt) drehend angetrieben. Bei der Bewegung des Kolbens P in Richtung auf den unteren Totpunkt kommen die Öffnung 5 und der Einlass 10 miteinander in Verbindung, so dass das Brennstoffgemisch A über die Öffnung 5 eingesaugt wird. Das Brennstoffgemisch A wird von einem Vergaser in bekannter Ausführung aus (nicht dargestellt) Zugeführt.
Zwischenzeitlich treibt das Kurbelzahnrad 26 auf der Kurbelwelle 20 das Drehventil 3 zwecks Steuerung dergestalt, dass die Öffnung 5 und der Einlass 10 in Verbindung miteinander gelangen. Anschliessend bewegt sich der Kolben P in Richtung auf den oberen Totpunkt und verdichtet dabei das Brennstoffgemisch A. Durch die Verdichtung wird eine geringfügige Bewegung des Kolbenkörpers 33 bewirkt und damit die Schraubenfeder 66 zusammengedrückt.
Der Flansch 56 durchfährt unter Führung durch die Stifte 58 die Strecke , bis er gegen die Anschlagfläche 67 der Platte 60 stösst, wobei die Grösse der Bewegung des Flansches 56 bestimmt wird durch diejenige Position, an welcher die Steifheit der Schraubenfeder 66 und die Druckkraft in der Waage sind. Dies bedeutet, dass der Flansch 56 des oberen Kolbens 50 nicht in allen Fällen die Strecke zurücklegt, sondern vielmehr diese Distanz die maximale Wegstrecke darstellt.
Der Druck der Schraubenfeder 66 richtet sich nach dem Verdichtungsverhältnis, das seinerseits bestimmt wird durch den Wirkungsgrad der Maschine. Unmittelbar bevor der Kolben P den oberen Totpunkt ereicht, gelangt die Öffnung 5 zur Deckung mit der Zündkerze 70 und wird das verdichtete Brennstoffgemisch gezündet, das unter Expansion verbrannt wird, wenn sich der Kolben P im oberen Totpunkt befindet. Der Kolben P wird durch das Verbrennungsgas verschoben und bewirkt damit den Antrieb der Kurbelwelle 20 über die Verbindungsstange 30 und den Zapfen 21.
In dieser Phase wird der obere Kolben 50 gleichzeitig durch das explosionsartig verbrennende Gas verschoben, um die Schraubenfeder 66 vorübergehend zusammenzudrücken, die jedoch die Druckenergie wieder freigibt und vor der Verdichtung in ihre Ausgangsstellung zurückfährt. Das explosionsartig verbrennende Gas bewirkt keine abrupte Verschiebung des Kolbens 32, sondern beaufschlagt diesen mit einer abgestuften Kraft. Anschliessend fährt der Kolben P nach oben, so dass die Öffnung 5 und der Auslass 15 miteinander in Verbindung gelangen und über den Auslass 15 das Abgas aus der Maschine ausgestossen wird.
Da der Spalt zwischen dem oberen Kolben 50 und dem Kolben P während des Ausstosshubs extrem klein ist, wird das Auspuffgas praktisch vollständig ausgestossen. Die vorbeschriebenen Abläufe wiederholen sich.

Siebte Ausfthrungsform:

Figur 11 ist eine Schnittansicht der siebten Ausführungsform. Während in der vorbeschriebenen sechsten Ausführungsform der obere Kolben 50 feststehend ausgebildet ist und eine Verschiebung sowie Drehung des Drehventils 3 relativ zu diesem oberen Kolben stattfindet, werden in dieser siebten Ausführungsform das Drehventil 3 und der obere Kolben 50 als eine Einheit zusammen rotiert.
Eine Platte 80 ist mit Schrauben 81 an der Oberseite des Maschinenblocks 1 befestigt und in ihrer Mitte mit einer Montageöffnung 83 versehen, in welche ein hohler Schraubzylinder 84 eingesetzt ist. Der Schraubzylinder 84 ist mit Sicherungsmuttern 85 an der Platte 80 befestigt und weist an seinem unteren Ende einen einteilig hiermit ausgebildeten Flansch 86 auf.
Eine Schraubenfeder 87 und ein Drucklager 88 sind zwischen dem oberen Kolben 50 und dem Flansch 86 angeordnet, so dass also das Drehventil 3 und der Flansch 86 zusammen als eine Einheit drehen. Der Schraubzylinder 84 und die Schraubenfeder 87, die an der Plate 80 befestigt sind, erfahren keine Drehbewegung.
Die Zündkerze 70 in praktisch konventioneller Ausführung wird zusammen mit dem oberen Kolben 50 gedreht. Aus diesem Grunde ist ein Verbinder 89 zur Verbindung der elektrischen Verdrahtungen von Zündkerze und Zündspule vorgesehen. Da in dieser Ausführungsform der obere Kolben 50 und das Drehventil 3 keinerlei Drehung relativ zueinander erfahren, ist es einfach, eine wirksame Gasabdichtung zwischen dem oberen Kolben 50 und dem Drehventil 3 vorzuhalten.

Achte Ausftihrungsform:

Figur 12 ist eine Schnittansicht der achten Ausführungsform. In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Zündkerze 70 am oberen Kolben 50 befestigt, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Die Schnittansicht gemäss Figur 12 stellt ein Beispiel dar, bei dem die Zündkerze 70 in der Seitenwandfläche des Zylinderblocks 1 angeordnet ist, und zwar in der Weise, dass die Öffnung 5 des Drehventils 3 während des Verdichtungshubs mit der Einbaustelle der Zündkerze 70 zur Deckung gelangt. Diese Anordnung bietet den Vorteil einer vereinfachten Maschinenkonstruktion.

Sonstige Ausführungsformen:

Alle vorbeschriebenen Ausführungsormen stellen Beispiele dar, die erfindungsgemäss auf Einzylindermaschinen anwendbar sind. Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, ist die Erfindung jedoch auch für Mehrzylindermaschinen einsetzbar. Infrage kommen alle konventionellen Maschinentypen wie V-Motoren, Reihenmotoren usw. Die Drehventile werden in diesen Fällen durch Zahnräder zusammengeschaltet, wobei jeweils der Zahnradmechanismus so ausgebildet sein kann, dass an den Drehventilen befestigte Stirnräder miteinander kämmen. Auch können an den Drehventilen angeordnete Schneckenräder mit entsprechenden Schnecken kämmend vorgesehen sein, wobei die Schnecken über eine Welle miteinander verbunden sind und so eine Kopplung der Drehventile bewirkt wird.
In allen vorbeschriebenen Ausführungsformen wird eine mit Wasser oder einem sonstigen flüssigen Medium arbeitende Kühlung benutzt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Kühlung der äusseren Zylinderwand mit Hilfe von Luft zu kühlen. Generell ist bei Luftkühlung der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Luft und der Zylinderaussenwand viel geringer als bei Wasserkühlung. Zum Ausgleich hierfür werden Luftströmungsgeschwindigkeit und Luftdurchsatzmenge erhöht und wird gleichzeitig die Übergangsfläche durch Anordnung eines Kühlflügels auf der Aussenwand vergrössert. Erfindungsgemäss wird die Kühlwirkung weiter verbessert durch Anordnung eines Flügels auf der äusseren Umfangsfläche des Drehventils 3, der zum Zwecke der Kühlung einen axialen Luftstrom erzeugt. Es besteht keinerlei Notwendigkeit für weitere kühlungsunterstützende Massnahmen und es ist der mechanische Verlust relativ gering.
Das Übersetzungsverhältnis des Kurbelzahnrads 26 gegenüber dem Kegelrad 4 des Drehventils 3 in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beträgt 1:2, d.h. das Kegelrad 4 macht eine Umdrehung je zwei Umdrehungen des Kurbelzahnrads 26. Da es sich bei der Maschine um einen Viertaktmotor handelt, vollführt das Drehventil 3 eine Umdrehung pro vier Takte. Werden jedoch ein weiterer Einlass und Auslass sowie eine weitere Zündkerze 180º dem ersten Einlass 10, dem ersten Auslass 15 und der ersten Zündkerze 49 (70 bzw. 112) gegenüberliegend angeordnet, so ergibt sich eine Viertaktmotorversion selbst in solchen Fällen, da das Drehventil 3 im Verhältnis 4:1 gedreht wird.
Dies lässt sich realisieren entweder durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des Drehventils 3 gegenüber dem Kegelrad 4 oder durch Zwischenschaltung eines Zahnrads zum Zwecke der Untersetzung. Da die Anzahl der Umdrehungen des Drehventils 3 verkleinert ist, kann im Vergleich zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen die Menge des über den Dichtring 40 austretenden Gases verringert werden. Weiter besteht die Möglichkeit, gegenüber den beschriebenen Ausführungsformen den Drehreibungsverlust zu reduzieren. Man beachte, dass diese Techniken bekannt sind, beispielsweise aus dem Japan-Patent Nr. 135563 (1940) (JP, C2, 135563) sowie der japanischen Gebrauchsmuster-Auslegungsschrift Nr. 25-5704 (JP, Y1, 25-5704).

Claims

1. Drehventil-Brennkraftmaschine mit

a. einem Maschinenblock (1);

b. einem Einlaß (10) in dem Maschinenblock zum Ansaugen eines Brennstoffgemisches;

c. einem Auslaß (15) in dem Maschinenblock zum Abgeben des Brennstoffgemisches;

d. einem zylindrischen Drehventil (3), das drehbar in dem Maschinenblock (1) gelagert ist, welches Ventil (3) an einem Ende hermetisch abgedichtet und am anderen Ende offen ist und im Inneren eine zylindrische Fläche aufweist,

e. einer Öffnung (5) in der äußeren Umfangswandfläche des Drehventils (3) zur Herstellung einer Verbindung mit dem Einlaß (10) beim Einlassen und mit dem Auslaß (15) beim Ausstoßen;

f. einem Zahnrad (4) an einem Ende des Drehventils (3);

g. einem Kolben (P), der gleitend in dem Zylinderraum des Drehventils (3) angeordnet ist;

h. einer Kurbelwelle (20), die mit dem Kolben (P) über eine Verbindungsstange (30) verbunden ist;

i. einem Kurbelzahnrad (26) auf der Kurbelwelle (20), das mit dem Zahnrad (4) kämmt;

j. einem Zylinderkopf (47) an einem Ende des Drehventils (3) als einstückiges Teil mit diesem zur Gasabdichtung;

gekennzeichnet durch

k. einem Dichtring (40) um die Öffnung (5) herum, welcher Dichtring (40) durch Zentrifugalkraft, die durch die Drehung des Drehventils (3) erzeugt wird, in Berührung mit der inneren Umfangswandfläche (7) des Maschinenblocks (1) gedrückt wird zur Bewirkung einer Gasabdichtung am Einlaß (10) und Auslaß (15).

2. Drehventil-Brennkraftmaschine mit

a. einem Maschinenblock (1);

f. einem Zahnrad (4) an einem Ende des Drehventils (3);

j. einem Zylinderkopf (47a), der an einem Ende in das Drehventil (3) zur Gasabdichtung eingefügt ist, welcher Zylinderkopf (47a) an dem Maschinenblock befestigt ist,

gekennzeichnet durch

k. einem Dichtring (40) um die Öffnung (5) herum, welcher Dichtring (40) durch Zentrifugalkraft, die durch die Drehung des Drehventils (3) erzeugt wird, in Berührung mit der inneren Umfangswandfläche (7) des Maschinenblocks (1) gedrückt wird zur Bewirkung einer Gasabdichtung am Einlaß (10) und Auslaß(15).

3. Drehventil-Brennkraftmaschlne nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine federnde Ausstoßeinrichtung (34) zum Ausstoßen des Auspuffgases, das in dem Drehventil (3) während des Auspuffzyklus des Kolbens (P) verbleibt, durch den Federdruck einer Feder (34), die zwischen dem Kolben (P) und der Verbindungsstange (30) liegt, die den Kolben (P) und die Kurbelwelle (20) verbindet.

4. Drehventil-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Ausstoßeinrichtung mit Anschlägen (35,36) versehen ist, die verhindern, daß der Kolbenkörper (33), der den Kolben (P) bildet, über einen vorgegebenen Abstand hinaus in bezug auf die Feder (34) bewegt wird.

5. Drehventil-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2. mit einem oberen Kolben (50), der an dem Maschinenblock (1) über eine Feder (66) befestigt und nur in Axialrichtung des Drehventils (3) beweglich ist, welcher obere Kolben (50) in das Drehventil (3) eingefügt ist.

6. Drehventil-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, mit einem oberen Kolben (50) zwischen dem Drehventil (3) und dem Maschinenblock (1), welcher obere Kolben (50) mit einer Feder (87) und einem Lager (86) versehen ist und drehbar und in Axialrichtung des Drehzylinderventils (3) beweglich ist.

7. Drehventil-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der obere Kolben (P) eine Anschlagfläche (67) aufweist, die verhindert, daß der obere Kolben (P) über einen vorgegebenen Abstand hinaus gegen die Feder (66) bewegt wird.

8. Drehventil-Brennkraftmaschine mit gegenüberliegenden Kolben, mit

a. einem Maschinenblock (1);

d. einem Drehzylinderventil (3), das drehbar in dem Maschinenblock (1) angeordnet ist, welches Ventil (3) an beiden Enden offen ist und im Inneren einen zylindrischen Raum aufweist;

e. einer Öffnung (5) in der äußeren Umfangswandfläche des Drehventils (3) zur Herstellung einer Verbindung mit dem Einlaß (10) während des Ansaugens und mit dem Auslaß (15) während des Ausstoßens;

f. Zahnradtrieben zum Drehen des Drehventils (3);

g. zwei Kolben (P1,P2), die gleitend in dem zylindrischen Raum des Drehventils (3) einander gegenüberliegend beiderseits der Öffnung (5) angeordnet sind;

h. zwei Kurbelwellen (20), die mit den beiden Kolben (P1,P2) über zwei Verbindungsstangen (30) verbunden sind;

gekennzeichnet durch

einem Dichtring (40) um die Öffnung (5) herum, welcher Dichtring (40) durch Zentrifugalkraft, die durch die Drehung des Drehventils (3) erzeugt wird, in Berührung mit der inneren Umfangswandfläche (7) des Maschinenblocks (1) gedrückt wird zur Bewirkung einer Gasabdichtung am Einlaß (10) und Auslaß (15).