[0001] Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest zwei an einer gemeinsamen
Kolbenstange koaxial angeordneten Kolben, die in Zylindern mit Ein- und Auslaßöffnungen
laufen.
[0002] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Motor hinsichtlich seines
Leistungsgewichtes zu verbessern und durch eine besondere Steuerung des Gaswechsels
den Viertaktbetrieb des ohne Ventiltrieb arbeitenden Motors zu ermöglichen.
[0003] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerung des Motors durch
die Rotation der Kolben um ihre Längsachse erfolgt, wobei jeder Kolben zumindest eine
Verbindungsbohrung von der Kolbenwand zum Kolbenboden aufweist, die in Abhängigkeit
von der Kolbenrotation mit der Einlaßöffnung oder mit der Auslaßöffnung des Zylinders
korrespondiert. Ferner wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kolbenstange über
ein ihre Rotation gestattendes ; Gelenk mit einer Kurbelwelle verbunden ist, von der
der Rotationsantrieb der Kolbenstange abgeleitet ist.
[0004] Durch die erfindungsgemäße Konstruktion überlagert sich der hin
- und hergehenden Hubbewegung der Kolben eine zusätzliche, gleichförmige Rotationsbewegung,
so daß die Kolben eine schraubengangförmige Bewegung durchführen. Während dieser schraubengangförmigen
Bewegung überstreichen die Verbindungsbohrungen im Kolben die in der Zylinderwand
angeordneten Ein- und Auslaßöffnungen für das Frischgas bzw. das Abgas. Die Position
der Verbindungsbohrungen wie auch der Ein- und Auslaßöffnungen ist so auf die kombinierte
Hub- und Drehbewegung des Kolbens abgestimmt, daß beim Ansaughub der Zylinderraum
mit der Einlaßöffnung des Zylinders, beim Auspuffhub dagegen mit der Auslaßöffnung
des Zylinders in Verbindung steht, während beim Verdichtungshub und beim Arbeitshub
die Verbindungsbohrungen des Kolbens von der Zylinderwand verschlossen sind, wobei
natürlich die Öffnungszeiten ähnlich wie bei einem Viertaktmotor festgelegt werden,
so daß sich hier die an sich bekannten Überschneidungen der Öffnungszeiten mit den
Totpunkten des Kolbens ergeben. Der erfindungsgemäße Motor gestattet es somit, bei
besonders kompakter Bauweise im Viertaktbetrieb betrieben zu werden, ohne daß es des
sonst hierfür notwendigen Ventiltriebes oder einer Drehschiebersteuerung bedarf.
[0005] Um die Strömungsverluste in den Verbindungsbohrungen der Kolben niedrig zu halten,
empfiehlt es sich, die Kolbenböden konkav nach innen zu wölben. Die Länge der Verbindungsbohren
wird dadurch stark verkürzt. Selbstverständlich wird dabei der Zylinderkopf entsprechend
konvex geformt, damit die oberen Totpunkten des Kolbens ein genügend kleiner Verbrennungsraum
und ein entsprechend starker Verdichtungseffekt realisiert werden kann.
[0006] Eine besondere Erhöhung des Leistungsgewichtes erfolgt zweckmäßigerweise dadurch,
daß die Kolben an beiden Strirnseiten je einen Kolbenboden aufweisen, der mit einem
Verbrennungsraum des Zylinders korrespondiert. Man erhält dadurch bei fast gleichem
Platzbedarf des Motors nahezu eine Hubraum- und damit auch eine Leistungsverdoppelung.
Dabei muß lediglich durch an sich bekannte Maßnahmen für eine hochtemperaturfeste
Abdichtung zwischen den Zylinderräumen und der sie durchquerenden Kolbenstange gesorgt
werden.
[0007] Die Verbindung der Kolbenstange mit der Kurbelwelle erfolgt zweckmäßig über ein Kugelgelenk,
dessen äußere Gelenkschalen mit zwei seitlich am einen Zylinder vorbeilaufenden Pleueln
verbunden sind, die ihrerseits auf der Kurbelwelle gelagert sind. Somit kann die Kraftübertragung
von den beiden Kolben zur Kurbelwelle über zwei Pleuel erfolgen, die sich gegenseitig
abstützen und die die Rotation der Kolbenstange in keiner Weise behindern.
[0008] Die Ableitung des Rotationsantriebes der Kolbenstange von der Kurbelwelle kann über
mehrere Exzenter oder über eine Verzahnung erfolgen, wobei in beiden Fällen wegen
der .rechtwinkligen Zuordnung zwischen Kurbelwelle und Kolbenstange noch ein Winkelgetriebe
eingesetzt wird.
[0009] An sich besteht die Möglichkeit, daß die Verbindungsbohrung zwischen Kolbenwand und
Kolbenboden sowohl für das Ansaugen von Frischgas als auch für das Ableiten des Abgases
verwendet wird, indem diese Verbindungsbohrung nacheinander die Einlaßöffnung, danach
die Auslaßöffnung des Zylinders passiert. Zur Vermeidung des abrupten Richtungswechsels
der Gasströmung besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß von jedem Kolbenboden zumindest
zwei Verbindungsbohrungen ausgehen, von denen die eine jeweils nur mit der Einlaßöffnung,
die andere jeweils nur mit der Auslaßöffnung des Zylinders in Abhängigkeit von der
Kolbenrotation korrespondiert.
[0010] Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Zylinder-Kolben-Anordnung;
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 einen gegenüber Fig. 1 um 90° gedrehten Längsschnitt;
Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 die Abwicklung der Zylinderwand und
Fig. 6 die Abwicklung des Kolbenmantels.
[0011] Der Figurenbeschreibung ist voranzuschicken, daß die Zeichnungen rein schematischer
Art sind und nur die prinzipielle Ausbildung, keine konstruktiven Einzelheiten vorgeben
sollen.
[0012] In zwei koaxial zueinander angeordneten und miteinander in Verbindung stehenden Zylindern
1 und 2 befinden sich zwei Kolben 3 und 4, die über eine zentrale Kolbenstange 5 starr
miteinander verbunden sind.
[0013] Beide Kolben sind jeweils doppelt wirkend ausgebildet, d. h., daß an beiden Stirnseiten
ein Zylinderkopf 6, 7 bzw. 8, 9 angeordnet ist. Die Zylinderköpfe sind jeweils konvex
zum Kolben hin gewölbt und ragen in den Totpunktstellungen des Kolbens in entsprechende
Ausnehmungen desselben hinein.
[0014] Um die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange 5 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle
10 umzuwandeln, dienen an sich bekannte Pleuel 11 und 12. Ihre Anordnung folgt aus
Fig. 3. Sie laufen beidseits des Zylinders 2 und sind mit äußeren Schalen 13 und 14
eines auf der Kolbenstange 5 angeordneten Kugelgelenkes 15 verbunden.'Dieses Kugelgelenk
15 erlaubt der Kolbenstange 5 neben der hin- und hergehenden Hubbewegung eine Drehbewegung
um die Kolbenstangenachse durchzuführen. Der Antrieb für diese Drehbewegung wird von
der Kurbelwelle 10 abgeleitet. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies über zwei auf der
Kurbelwelle angeordnete, gegeneinander versetzte Exzenterscheiben 16, 17, die über
zwei Pleuel 18, 19 mit entsprechend versetzten Exzenterscheiben 20, 21 in Verbindung
stehen, die ihrerseits auf dem einen Pleuel 11 gelagert sind. Die von der Kurbelwelle
10 auf die beiden letztgenannten Exzenterscheiben 20, 21 übertragene Drehbewegung
wird über ein Untersetzungsgetriebe in Form zweier Zahnräder 22, 23 auf ein Winkelzahnrad
24 übertragen, das seinerseits mit einem auf der Kolbenstange 5 montierten Winkelzahnrad
25 kämmt. Auf diese Weise wird der Kolbenstange 5 und ihren beiden Kolben 3 und 4
während der Hubbewegung eine Rotationsbewegung überlagert. Diese Rotationsbewegung
dient zum Steuern der Gaswechselvorgänge in den Zylindern, was nachfolgend näher beschrieben
wird.
[0015] Jeder Zylinder weist zweckmäßig zwei Einlaßöffnungen und zwei Auslaßöffnungen auf.
Die Einlaßöffnungen wie auch die Auslaßöffnungen sind genau einander gegenüberliegend
angeordnet, damit sich im Zylinder ein Ausgleich der Druckkräfte einstellen kann.
Die Position der Ein- und Auslaßöffnungen ergibt sich aus dem Querschnitt in Fig.
2. Demnach hat der Zylinder 2 zwei einander gegenüberliegende Einlaßöffnungen 26 und
27 und zwei einander gegenüberliegende Auslaßöffnungen 28 und 29. Entsprechend sind
auch die Ein- und Auslaßöffnungen am Zylinder 1 angeordnet. Mit diesen Öffnungen in
der Zylinderwand korrespondieren Verbindungsbohrungen im Kolben in Abhängigkeit von
dessen Hub- und Drehbewegung. Diese Verbindungsbohrungen erstrecken sich von der Kolbenwand
zum Kolbenboden und sind ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet, wie dies
in Fig. 1 im Fall des Kolbens 4 durch die Bezugszeichen 30 und 31 angedeutet ist.
Versetzt hierzu und daher in der Zeichnung nicht sichtbar ist ein weiteres Paar gegenüberliegender
Verbindungsbohrungen im Kolben 4 angeordnet, um den am anderen Kolbenboden befindlichen
Brennraum mit den Einlaß- und Auslaßöffnungen 26 bis 29 zu verbinden.
[0016] Ebenso ist auch der Kolben 3 von zwei Verbindungsbohrungen für den einen Brennraum
und zwei Verbindungsbohrungen für den anderen Brennraum durchsetzt.
[0017] In dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Verbindungsbohrungen
der Kolben abwechselnd vom Frischgas und vom Abgas durchströmt, wie dies nachfolgend
näher erläutert wird. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, die Zahl der Verbindungsbohrungen
zu verdoppeln, damit die eine Hälfte der Verbindungsbohrungen nur für das Frischgas,
die andere Hälfte der Verbindungsbohrungen nur für das Abgas zur Verfügung steht und
die raschen Richtungswechsel in der Gasströmung vermieden werden.
[0018] Die Fig. 5 und 6, die die Abwicklung des Zylinders bzw. des Kolbens zeigen, sind
für den Fall dargestellt, daß jeder Brennraum über zwei spiegelbildlich im Kolben
angeordnete Kanäle mit den Ein- bzw. Auslaßöffnungen der Zylinderwand korrespondiert.
Das heißt, daß die Kanäle gleichzeitig an der Einlaßöffnung oder an der Auslaßöffnung
oder an der Zylinderwand münden und sowohl vom Frischgas als auch vom Abgas durchströmt
werden.
[0019] Daraus folgt, daß nach einer Drehung des Kolbens um 180° alle vier Takte durchfahren
sein müssen, daß dem Kolben pro Takt also eine Verdrehung von 45° zukommt. Da die
Reihenfolge der Takte vorgegeben ist, nämlich Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Arbeitstakt
und Auspufftakt, muß die Einlaßöffnung unmittelbar auf die Auslaßöffnung folgen, während
nach der Einlaßöffnung zwei Takte, also ein Umfangswinkel der Zylinderwand von 90°,
frei bleiben muß, bis die nächste Auslaßöffnung folgt.
[0020] Die Aufeinanderfolge der Ein- und Auslaßöffnungen ist in Fig. 5 in Abhängigkeit vom
Umfangswinkel dargestellt, wobei die Bezugszeichen mit denen in Fig. 2 übereinstimmen.
[0021] Die Form der Ein- und Auslaßöffnungen in der Zylinderwand wird nach konstruktiven
und strömungstechnischen Gesichtspunkten ausgewählt. Die in der Zeichnung dargestellte
Rhombenform erlaubt den maximalen Öffnungsquerschnitt für den Ein- und Auslaß bei
exakter Trennung des Ansaugtaktes vom Auspufftakt. Im allgemeinen wird jedoch eine
Überschneidung der Öffnungszeiten zwischen Einlaß und Auslaß angestrebt. Daher wird
in der Praxis die Kontur der Ein- und Auslaßöffnungen entsprechend von der Rhombenform
abweichen. Eine Variante ist schematisch durch das gestrichelte Rechteck in den Ein-
und Auslaßöffnungen 27 bzw. 29 angedeutet.
[0022] Zur Verdeutlichung sei noch darauf hingewiesen, daß in Fig. 5 der obere und untere
Blattrand jeweils etwa dem oberen bzw. unteren Zylinderrand entspricht. Die gestrichelte
Sinuslinie gibt den Verlauf eines bestimmten Punktes des Kolbens bei seiner kombinierten
Dreh- und Hubbewegung längs der Zylinderwand wieder.
[0023] Fig. 6 zeigt die entsprechende Abwicklung der Kolbenwand. Hinsichtlich der Lage der
Kanäle, die in denselben Brennraum münden sollen, ist zunächst vorgegeben, daß diese
um 180° versetzt sein müssen, um den erwünschten Ausgleich der Druckkräfte im Zylinder
herbeizuführen.
[0024] Bezüglich der beiden in den anderen Brennraum mündenden Kanäle ist lediglich vorgegeben,
daß diese gegenüber den vorgenannten Kanälen um 45° vor- oder rückversetzt sein müssen.
Dadurch wird sichergestellt, daß beispielsweise beim Ansaugtakt des einen Verbrennungsraumes
ein Verdichtungstakt oder ein Auspufftakt am gegenüberliegenden anderen Brennraum
erfolgt.
[0025] Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind die dem kurbelwellenseitigen Brennraum
zugeordneten Kanäle entsprechend der Fig. 1 mit 30 und 31 bezeichnet, die dem gegenüberliegenden
Brennraum zugeordneten, untereinander ebenfalls um 180° versetzten Kanäle mit 32 und
33.
[0026] Der Verlauf der Kanäle im Kolben und ihre Mündung am Kolbenboden ist jeweils in gestrichelten
Linien dargestellt, ebenfalls der nach innen eingehöhlte Kolbenboden 34 und 35.
[0027] Beginnt man beispielsweise mit einem Ansaugtakt im kurbelwellenseitigen Brennraum,
so ist der Kanal 30 durch die Zylinderwand verschlossen, da er zwischen der Auslaßöffnung
28 und der Einlaßöffnung 26 mündet, entsprechend der mit I angedeuteten Position in
Fig. 5. Während des Ansaughubes wandert die Öffnung des Kanals 30 in die Einlaßöffnung
26 hinein und nimmt bei mittlerer Hublänge die mit II bezeichnete Position ein. Am
Ende des Ansaugtaktes hat die Kanalöffnung 30 die Einlaßöffnung 26 passiert, wird
also wieder von der Zylinderwand verschlossen. Dieser Zustand bleibt während des anschließenden
Verdichtungshubes und des Arbeitshubes erhalten. Am Ende. des Arbeitshubes befindet
sich die Öffnung des Kanals 30 in der mit IV bezeichneten Position, also kurz vor
Erreichen der Auslaßöffnung 29. Nach Zurücklegen des halben Auspuffhubes nimmt sie
die Position V ein, wobei volle Öffnung für das Auspuffgas gegeben ist, am Ende des
Auspuffhubes die Position VI, wobei in der gewählten schematischen Darstellung die
Öffnung wieder durch die Zylinderwand verschlossen ist. In dieser Position besteht
jedoch durch die vorerwähnte Variation in der Form der Ein- und Auslaßöffnungen 26
bis 29 die Möglichkeit, daß sich die Ein-und Auslaßzeiten überschneiden.
[0028] Entsprechend laufen die Takte beim gegenüberliegenden Brennraum ab, hier jedoch mit
einem Takt Verspätung, da die zum unteren Brennraum gehörenden Kanäle 32 und 33 um
45
0, also um einen Takt, nach hinten versetzt sind.
[0029] Im linken Teil von Fig. 6 ist zusätzlich angedeutet, daß die Kanäle 30 und 32 eine
von außen nach innen laufende Scheidewand 30a bzw. 32a aufweisen können. Diese Scheidewand
hat die Aufgabe, beim Übergang vom Auspufftakt zum Ansaugtakt sicherzustellen, daß
sich die entgegengerichteten Gasströmungen möglichst wenig behindern. Diese Scheidewand
kann selbstverständlich dann entfallen, wenn man die Zahl der Kanäle im Kolben verdoppelt,
so daß getrennte Kanäle für das Ansaugen einerseits und für das Auspuffen andererseits
zur Verfügung stehen.
[0030] Die vorangegangene Figurenbeschreibung erstreckt sich ausdrücklich nur auf ein spezielles
Ausführungsbeispiel, ohne daß dadurch der Schutzumfang der Anmeldung beschränkt werden
soll. Selbstverständlich gestattet dieses Ausführungsbeispiel zahlreiche konstruktive
Abwandlungen.
[0031] Beispielsweise braucht das Kugelgelenk 15 nicht unbedingt zwischen den beiden Kolben
3 und 4 angeordnet zu sein. Es besteht ebenso die Möglichkeit, es gegenüberliegend
vom Zylinderkopf 6 anzuordnen und von dort die beiden Pleuel zur Kurbelwelle 10 zu
führen.
[0032] Bezüglich der Positionierung der Zündkerzen bestehen ebenfalls verschiedene Möglichkeiten.
Hier empfiehlt es sich, sie in der Zylinderwand vorzusehen, in dem Wandbereich, der
am Ende des Verdichtungshubes von den Kanälen 30 und 31 überstrichen wird. Diese Positionierung
bietet den Vorteil, daß die Zündkerzen in direkter Nachbarschaft zur Hauptgasmasse
stehen.
[0033] Schließlich bietet sich noch die zweckmäßige Weiterbildung an, die von den beiden
Pleueln 11 und 12 auf die Kolbenstange 5 übertragenen Querkräfte über eine Kugelrollführung
aufzunehmen. Diese Kugelrollführung ist in Fig. 3 durch die Bezugszeichen 36 und 37
angedeutet. Sie besteht aus zwei Kugelschlitten, die in jeweils einem in Hubrichtung
laufenden Längsschlitz des Zylindergehäuses angeordnet sind und die beiden Pleuel
11 und 12 quer zur Hubrichtung abstützen. Dadurch werden die Kolbendichtungen von
den bisher üblichen Querkräften entlastet und können optimal auf ihre Dichtungsfunktion
hin ausgelegt werden.
[0034] Es liegt im Rahmen der Erfindung, zum Erreichen hoher Verdichtungsverhältnisse, wie
sie etwa bei Dieselmotoren gefordert werden, die konvexen Wölbungen der Zylinderköpfe
6, 7, 8 und 9 an dem nach innen ragenden Ende eines zylindrischen Zwischenstückes
anzuordnen, so daß die Einbeulungen zunächst ein Stück mit konstantem Durchmesser
nach innen laufen, ehe sie die in der Zeichnung dargestellte konvexe Wölbung annehmen.
Am Übergang des zylindrischen Zwischenstückes zum gewölbten Bereich werden Dichtringe
angeordnet, so daß sich der Brennraum verkleinert und das Verdichtungsverhältnis erhöht.
Das Volumen des Brennraumes wird dabei im wesentlichen nur noch durch die Kanäle 30,
31 im Kolben bestimmt.
[0035] Die Abdichtung der Kanäle 30 bis 33 in den Kolben gegenüber der Zylinderwand erfolgt
durch an sich bekannte Dichtleisten, die federnd gegen die Zylinderwand gedrückt werden.
[0036] Konstruktive Änderungen der dargestellten Ausführungsbeispiele sind möglich, ohne
dadurch den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung zu verlassen.
1. Verbrennungsmotor mit zumindest zwei an einer gemeinsamen Kolbenstange koaxial
angeordneten Kolben, die in Zylindern mit Ein- und Auslaßöffnungen laufen, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Steuerung des Motors durch die Rotation der Kolben (3, 4) um ihre Längsachse
erfolgt, wobei jeder Kolben (3, 4) zumindest eine Verbindungsbohrung (30, 31) von
der Kolbenwand zum Kolbenboden aufweist, die in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung
mit der Einlaßöffnung (26, 27) oder mit der Auslaßöffnung (28, 29) des Zylinders (1,
2) korrespondiert und daß die Kolbenstange (5) über ein ihre Rotation gestattendes
Gelenk (15) mit einer Kurbelwelle (10) verbunden ist, von der der Rotationsantrieb
der Kolbenstange (5) abgeleitet ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenböden
konkav nach innen gewölbt sind.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben
(3, 4) an beiden Stirnseiten je einen Kolbenboden aufweisen, der mit einem Verbrennungsraum
des Zylinders (1, 2) korrespondiert.
4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung der Kolbenstange (5) mit der Kurbelwelle (10) über ein Kugelgelenk
(15) erfolgt, dessen äußere Gelenkschalen (13) mit zwei seitlich am einen Zylinder
(2) vorbeilaufenden Pleueln (11, 12) verbunden sind, die ihrerseits auf der Kurbelwelle
(10) gelagert sind.
5. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ableitung des Rotationsantriebes der Kolbenstange (5) von der Kurbelwelle
(10) über Exzenter (16, 17, 20, 21) erfolgt.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ableitung des Rotationsantriebes der Kolbenstange (5) von der Kurbelwelle (10)
über eine Verzahnung erfolgt.
7. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die vom selben Kolbenboden ausgehenden Verbindungsbohrungen (30, 31) in jedem
Kolben (3, 4) paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Kolben zumindest zwei vom selben Kolbenboden ausgehende-Verbindungsbohrungen
aufweist, von denen die eine jeweils nur mit der Einlaßöffnung, die andere jeweils
nur mit der Auslaßöffnung des Zylinders in Abhängigkeit von der Kolbenbewegung korrespondiert.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die beiden Verbindungsbohrungen abwechselnd
vom Frischgas und vom Abgas durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
am zylinderseitigen Ende der Verbindungsbohrungen (30, 32) jeweils eine den Strömungskanal.teilende
Scheidewand (30a, 32a) angeordnet ist.
10. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die seitlich des einen Zylinders (2) laufenden Pleuel (11, 12) in Längsschlitzen
des Zylindergehäuses abstützen.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung
der Pleuel (11, 12) über Kugelrollführungen (36, 37) erfolgt.