Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben einer Abtriebswelle gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Allgemein bekannt sind die sogenannten Otto-Motoren. Dort wird eine Kurbel- bzw. Nockenwelle über mehrere Kolben angetrieben, deren Kolbenbewegung radial zur Wellenachse verläuft. Nachteilig hat sich hier herausgestellt, dass einmal um eine bestimmte Leistung des Motors zu erreichen mehrere Kolben vorgesehen sein müssen, wobei jeder Kolben seinen eigenen Zylinder, seine eigenen Ein- und Auslässe und auch seine eigene Zündanlage besitzt. Zum andern ist die Kraftübertragung in radialer Richtung auf eine Nockenwelle immerverbesserungsbedürftig. Die Otto-Motoren sind als Hubkolbenmaschinen oder Kreiselkolbenmotoren ausgebildet und arbeiten im Viertakt- oder Zweitaktverfabren. Das Viertaktverfabren umfasst das Ansaugen, Verdichten, Zünden und Verbrennen, sowie Ausschieben.
Des weiteren ist der Kreiskolbenmotor bekannt, dessen Kolben eine stetig kreisende Bewegung ausführt. Als Ausführungsform sei hier der Wankelmotor erwähnt, bei dem ein in einem trochoidenförmigen Gehäuse exzentrisch gelagerter Drehkolben, der die Form eines gleichseitigen Dreiecks bat, umläuft, indem er sich um einen Mittelpunkt dreht, der selber gleichzeitig eine Drehbewegung ausführt. Der Arbeitsvorgang nach dem Viertaktverfahren findt in den zwischen Drebkolben und Gehäusewand liegenden Arbeitsräurmen statt, aie sich vergrössem und verkleinern und mit Hilfe von Ein- und Auslasschlitzen in der Gehäusewand, die vom Drebkolben gesteuert werden, den Ladungswechsel durchführen, also ansaugen, verdichten, expandieren und ausschieben. Die Vorteile des Kreiskolbenmotors gegenüber dem Hubkolbenmotor liegen insbesondere in der geringeren Anzahl von Bauteilen, im Wegfall von hin-und hergehenden Massen, im Wegfall von Ventilantrieb, geringere Baugrösse und geringeres Gewicht. Andererseits sind sie jedoch mit erheblichen Herstellungskosten und einer aufwendigen Abdichtung belastet, weisen einen ungünstigen Brennraum mit hoben Wärmeverlusten auf und haben insbesondere einen hoben Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und HC im Abgas.
Aus der EP - 0 062 087 A1 ist ein Drehkolbenmotor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem der erste Kolbenteil mit einer Hohlwelle verbunden ist und der zweite Kolbenteil mit der innerhalb der Hohlwelle geführten Abtriebswelle. Hohlwelle und Abtriebswelle sind durch ein Getriebe aus elliptischen Zahnrädern kraftschlüssig verbunden. Ein derartiges Getriebe stellt jedoch in mehr als einer Hinsicht keine ideale Lösung dar, insbesondere ist die Herstellung und präzise Abstimmung des Getriebes wesentlich problematischer als bei Verwendung kreisrunder Zahnräder. Ausserdem ist eine Kombination mehrerer axial aufeinanderfolgender Kolbeneinheiten nicht ohne weiteres möglich.
Es ist auch ein Drehkolbenmotor bekannt (FR - A - 2 138 581), bei welchen zwei Kolbenpaare mit je einem Paar von Planetenzahnrädem verbunden sind, die einander diametral gegenüberliegend auf einem mit der Abtriebsachse gekoppelten Joch montiert sind. Diese Lösung ist u. a. aufgrund derdurchgehenden Abtriebsachse äusserst kompliziert und konstruktiv aufwendig.
Der Erfinder hat sich zum Ziel gesetzt, ein neues Antriebsagsregat zu entwickeln, welches mit einer geringen Anzahl an Bauteilen arbeitet und dennoch einen sehr hohen Wirkungsgrad hat, leicht und kompakt ist, und ohne Nocken- und Kurbelwelle auskommt. Insbesondere soll auch die Oberflächenreibung für den Kolben verringert werden, dagegen die Arbeitstakte vervielfacht.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, gelöst.
Hierzu hat sich am wirkungsvollsten die Ausbildung eines Kolbenteils als Zylinderabschnitt mit einem Segmentausschnitt erwiesen, in den der zweite Kolbenteil als Segmentabschnitt eingesetz ist, wobei der Winkel des Segmentausschnitts grösser ist als der Winkel des Segmentabschnitts. Durch diese Winkelunterschiede wird die Weite der Verbrennungskammer bestimmt, wodurch ebenfalls selbstverständlich die Leistung des Motors verändert werden kann. Beim Umlaufen der beiden Kolbenteile um 360° soll ebenfalls ein Viertakt durchgeführt werden, nämlich Ansaugen, Verdichten, Zünden, Ausstossen. Bevorzugt ist dieser Viertakt zumindest zweimal je Drehung um 360° vorgesehen, jedoch ist eine Erhöhung denkbar und liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
Bevorzugt sollen die Kolbenteile so geformt sein, dass sie nacheinander zumindest einen Zylinderabschnitt und einen Segmentabschnitt aufweisen. Selbstverständlich kann diese Anordnung auch vervielfacht werden. Jedem Zylinder- bzw. Segmentabschnitt ist dann ein Zylinder-bzw. Segmentabschnitt des anderen Kolbenteils zugeordnet. Auf diese Weise entsteht ein Kolben, welcher ein prismaartiges Aussehen hat.
Für die Kraftübertragung soll jeder Kolbenteil mit einem Planetenzahnrad verbunden sein, welches wiederum eine kraftschlüssige Verbindung mit einem Sonnenrad eingeht, das an den Läufer gekoppelt ist. Dies ist ein weiterer entscheidender Punkt der Erfindung, da hier die übliche Kurbelwelle entfällt. Das Planetengetriebe ist bereits eine Stufe des Getriebes selbst. Deswegen kann die ganze Antriebseinheit sehr kompakt gebaut werden.
Die Konstruktionsteile sind sehr einfach gestaltet, in der Mehrheitzylinderförmig. Der Lauf des Motors ist turbinenartig und vibrationsarm, die Kolbengeschwindigkeit relativ gering, Dichtungsprobleme treten keine auf. Insgesamt lässt der Motor eine hohe Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit erwarten.
Infolge der minimalen Reibungsflächen und des Leistungsgewichtes wird der Motor auch in den Bereich der Hochleistungstriebwerke Zugang finden, wie zum Beispiel der Renn- und Flugtriebwerke. Auch so ausgestaltete Dieselmotoren sind denkbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung ; diese zeigt in
Nach Figur 1 sind, hier nur schematisch, jedoch in den Figuren 2 bis 6 näher gezeigte, Kolbenteil 1 und 2 einer Antriebseinheit R von einem zylindrischen Gehäuseteil 3 umfangen. Dieses Gehäuseteii 3 ist einerseits von einer Stirnplatte 4 mittels Befestigungselemente 5 verschlossen, welche mittig eine Rundbohrung 6 zur Aufnahme eines Lagers 7 aufweist. In diesem Lager 7 dreht ein axialer Zapfen 8 einer Scheibe 9, welche mittels Schrauben 10 fest mit dem einen Kolbenteil 2 verbunden ist. Zen anderen Kolbenteil 1 berührt die Scheibe 9 nicht; hier durchsetzt lediglich ein Anschlagbolzen 11 ein Langloch 12, um eine axiale Bewegung von Kolbenteil 1 gegenüber Kolbenteil 2 zuzulassen.
Gegenüber der Scheibe 9 ist der Kolbenteil 1 mit einer Drehscheibe 14 fest verbunden, welche jedoch den Kolbenteil 2 nicht berührt. Die Verbindung zwischen Drehscheibe 14 und Kolbenteil 1 wird über ein Kniehebelelement 15 bewirkt, welchem andernends exentrisch ein Zahnrad 16 aufgesetzt ist. Auch der Kolbenteil 2 ist über ein Kniehebelelement 17 exzentrisch mit einem Zahnrad 18 verbunden, wobei in der Drehscheibe 14 eine Ausnehmung 19 eine Bewegungsfreiheit des Kniehebelelements 17 zulässt. Beide Zahnräder 16 und 18 stehen mit einer Innenzahnung 38 eines mit dem Gehäuseteil 3 fest verbundenen Ringes 39 in Eingriff und umlaufen zugleich ein Sonnenrad 20, welches mit einer Abtriebswelle 21 verbunden ist, so dass letztendlich diese Abtriebswelle 21 mit dem aus den beiden Zahnrädern 16, 18 gebildeten Planetensatz eine kraftschlüssige Verbindung eingeht. Diese Kraftschlüssigkeit der Innenzahnung 38 mit den zahnrädem 16,18 und dem Sonnenrad 20 bewirkt den geregelten Umlauf der Kolbeneinheit 1 und 2 zwangsläufig und steuertsinngemäss die vier Takte Ansaugen, Verdichten, Zünden, Ausstossen während einer Umdrehung von 360°. Dementsprechend ist auch das Verhältnis dieser Teile zueinander von grosser konstruktiver Bedeutung.
Die Abtriebswelle 21 dreht axial in einem Lager 22 in der Drehscheibe 14. Weitere Lager 23 und 24 für den Läufer 21 und Zahnradachsen 25 sind in einer Drehscheibe 26 vorgesehen, welche in einem Hauptlager 27 angeordnet ist, das die Drehscheibe 26 gegenüber einer weiteren Gehäuseschale 28 abstützt. Diese Gehäuseschale 28 ist einerseits mit dem Gehäuseteil 3 verschraubt, andererseits von einer Endplatte 30 abgedeckt, welche ein weiteres Drehlager 29 für die Abtriebswelle 21 enthält. Ausserdem durchsetzt die Endplatte 30 eine Kurbel 31 in weiteren Lagern 32 und 33, welche mit einem Zahnrad 34 eine Antriebsscheibe 35 kämmt.
In dem Gehäuseteil 3 sind im übrigen vier Gewindebohrungen 36 zum Einsetzen von Zündkerzen und je zwei gestrichelt angedeutet Ein- und Auslassschlitze 37 vorgesehen.
Jedes Kolbenteil 1 und 2 besteht, wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt, aus einem Zylinderabschnitt 40, mit einem Segmentausschnitt41 und einem angesetzten oder angeformten Segmentabschnitt 42. Ein Winkel w des Segmentausschnitts 41 ist grösser als ein Winkel v des Segmentabschnitts 42 um die gemeinsame Kolbenachse A. Das Verhältnis der Winkel w und v zueinander bestimmt mit die Leistung des Antriebs, da ein fertiger Kolben aus zwei spiegelbildlich angeordneten Kolbenteilen 1 und 2 besteht und so vier Verbrennungskammern 43 gebildet sind, von denen in Figur 5 nur zwei angedeutet werden. Je grösser der Unterschied zwischen beiden Winkeln w und v ist, um so grösser ist auch die Verbrennungskammer 43 bzw. der Oeffnungswinkel z.
Im übrigen zeigt Figur 5 eine Modifikation eines Kolbens, bei welchem im Zylinderabschnitt 40 am Grunde des Segmentausschnitts 41 eine Rinne 44 eingeformt ist, in welcher der Segmentabschnitt 42 mit einem Wulstkeder 45 ruht Dem Wulstkeder 45 ist eine Scheitelnut 46 eingeformt, welche eine nicht gezeigte Dichtungsleiste aufnehmen kann, deren Funktionen einem bekannten Kolbenrin, ähneln.
Figur 6 zeigt nun die Arbeitsweise des Kolbens eines Vierkammedäufers, wobei nur das Zusammenspiel eines Zylinderabschnitts 40 mit einem Segmentabschnitt 42 dargestellt ist. Insgesamt sind für den ganzen Kolben betrachtet jedes nachfolgend beschriebene Element doppelt vorhanden. Bei einer Drehung um 360° sind für jede Verbrennungskammer zwei Arbeitstakte (Verdichtungs- und Explosionstakte) vorgesehen, wobei die Zündanlage mit 48 angedeutet ist. Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch, die Zündkerzen an einer Innenfläche im Segmentausschnitt 41, das heisst in der Verbrennungskammer 43 anzuordnen, wodurch die Verbrennung, allerdings auf Kosten einer guten Zugänglichkeit zu den Zündkerzen, verbessert wird.
Weiterhin sind sich jeweils gegenüberliegend Auslässe 49 sowie Einlässe 50 vorgesehen.
Die 1. Stellung nach Figur 6 zeigt, dass in die eine Verbrennungskammer 43a Kraftstoff eingesaugtwird, während bei der anderen 43b gerade die Zündung erfolgt. Hierdurch wird die Kammer 43b geöffnet, dagegen die Kammer 43a verdichtet, während die Kolbendrehbewegung um die Achse A beschleunigt wird. Beide Kammern gelangen in die II. Position. Die Brenngase können aus der Kammer 43b in den Auslass 49 entfernt werden, gleichzeitig erfolgt die Zündung in der Kammer 43a. Die Gase aus dieser Zündung werden wiederum aus der Kammer 43a durch den nachfolgenden Auslass entfernt, wobei neuer Brennstoff in die Kammer 43b eingesaugt wird, wie dies die 111. Position zeigt. In der IV. Position wird die Kammer 43b wieder gezündet, während die Kammer 43a den Auslass 50 passiert. In der V. Position erfolgt eine Zündung der Kammer 43a, während die Kammer 43b am Auslass 49 vorbeiläuft. Und schliesslich steht die Kammer 43a auf Auslass 49, wenn die Kammer 43b wieder ansaugt. Die nächste Position ist wieder die l. Position. Damit ist eine Drehung um 360° vollzogen, die entsprechend notwendigen Veränderungen der Kammern 43a bzw. 43b werden insbesondere von der Zündung und von der Bewegung der Zahnräder 16 und 18 durchgeführt.
Insgesamt werden pro Umdrehung zweiunddreissig Takte geleistet, wovon achtArbeitstakte sind. Dies sind sechs Arbeitstakte mehr als bei einem bekannten Otto-oder Wankelmotor bei wesentlich geringerer Oberflächenreibung, da ein entsprechender Otto-oder Wankelmotor eine etwa 40 bis 50% grössere Kolbenfläche aufweisen müsste. Die Kolbengeschwindigkeit ist wesentlich tiefer als bei den bisher bekannten Motoren und zwar etwa um 20 bis 30%. Maximal wird eine Kolbengeschwindigkeit von 8 bis 10 m/sec notwendig sein.
Der Ein- und Auslass erfolgt zwangsläufig durch die Rotordrehung mit hoher Ansaug- und Spülleistung. Dort sind keine beweglichen Teile, wie Ventile, vorhanden, welche gewartet werden müssen.
Die ganze Antriebseinheit kann in entsprechenden Hohlräumen mit Wasser oder Oel gekühlt werden.