CH714074A2 - Dreitaktkolbenmaschine mit möglicher variabler Verdichtung im Betrieb. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dreitaktkolbenmaschine mit möglicher variabler Verdichtung unter Last. Zum Erreichen der Dreitakte, Verdichten, Arbeiten und Spülen mit einer Auf- und Abbewegung eines Kolbens durchfährt der Kurbelzapfen (3) auf seiner Bahn einen dreiecksförmigen (1) oder dreiblattförmigen Bewegungsablauf, sodass jeder vom Kurbelzapfen (3) durchfahrenen Dreiecksseite ein Arbeitstakt zugeordnet werden kann. Die variable Kraftübertragung auf die Kurbelwelle oder Lagerscheibe wird erreicht, indem man die Kurbelwelle durch ein System aus Rollkreis (4) und einem darin oder darauf abdrehendem Ritzel (5), welches auf einer Kurbel oder in einer Lagerscheibe gelagert wird, ersetzt. Das Durchmesserverhältnis von Rollrad (4) zu Ritzel (5) muss drei zu eins oder drei zu zwei betragen. Der Kurbelzapfen (3) wird mit dem abdrehenden Ritzel (5) direkt oder über Kurbelwangen (6) verbunden, sodass er ausserhalb der Ritzelzentrumsachse zu liegen kommt. Dreht nun der mit dem Ritzel (5) verbundene Kurbelzapfen (3) im oder auf dem Rollkreisrad (4) ab, entsteht am Kurbelzapfen (3) ein sich wiederholender dreiecksförmiger (1) oder dreiblattförmiger Bewegungsablauf. Vorzugsweise durch Vorwärts- oder Rückwärtsdrehen des Rollkreisrades (4) im Maschinengehäuse wird der Bewegungsablauf am Kurbelzapfen (3) gegenüber dem Kolbenhub verschoben und der Kolben (8) wird eine höhere oder geringere Verdichtung erreichen. Mit dieser Verdrehung des Rollkreisrades (4) ergibt sich eine einfache Möglichkeit, die Verdichtung in einer Dreitaktkolbenmaschine zu verändern.

Description

Beschreibung

Technisches Gebiet: [0001] Die Erfindung betrifft eine Dreitaktkolbenmaschine, die zum Erreichen des Dreitaktverfahrens anstelle eines radial kreisenden Kurbelzapfens eine Kurbelzapfensteuerung nutzt, mit der am Kurbelzapfen ein dreiecksförmiger oder ein dreiblattförmiger Bewegungsablauf erreicht wird. Damit steht jede Dreieckseite, die vom Kurbelzapfen durchfahren wird, für einen Arbeitstakt; nämlich Verdichten, Arbeiten und Spülen (Ladungswechsel). Ergänzt man ein solches Kurbelzapfensteuerungsprinzip durch die Möglichkeit, das Rollkreisrad im Maschinengehäuse vor- oder rückwärts zu drehen, kann mit dieser Verdrehung die Verdichtung unter Last variiert oder an den verwendeten Kraftstoff angepasst werden.

Stand der Technik: [0002] Beim heutigen Stand der Technik werden Zwei- und Viertaktmaschinen genutzt. Der Nachteil der Zweitaktmaschine besteht darin, dass für die Spülung (Ladungswechsel) ein wesentlicher Teil der Hubarbeit geopfert werden muss und beim Viertaktverfahren wird ein Ladungswechsel mit einer zusätzlichen Kurbelwellenumdrehung und der zugehörigen quasi unnötigen Hubarbeit erkauft.

Darstellung der Erfindung: [0003] Mit dem hier dargestellten Dreitaktverfahren sollen die wesentlichen Nachteile, welche beim Zwei- und beim Viertaktverfahren bestehen soweit behoben werden, dass ein Zweitaktverfahren mit einem zusätzlichen Takt für die Spülung oder ein Viertaktverfahren mit nur einer Auf- und Abbewegung der oder des Kolbens resultiert.

[0004] Erreichen lässt sich ein solches Dreitaktverfahren mit einem dreiecksförmigen oder dreiblattförmigen Bewegungsablauf am Kurbelzapfen. Damit entspricht jede Dreieckseite, die der Kurbelzapfen durchfährt einem Arbeitstakt. Es ergeben sich die drei Takte, Verdichten, Arbeiten und Spülen mit nur einer Auf- und Abbewegung eines Kolbens. Man kann damit also Arbeitsmaschinen mit nur zwei Kolben bauen, die dieselbe Arbeitsleistung erreichen, wie heutige Vierzylindermaschinen. Zusätzlich ergibt sich durch den dritten Takt mit der Spülung ein vergleichbarer sauberer Gaswechsel. Im Vergleich zum Zweitaktverfahren steht nun für die Spülung wesentlich mehr Zeit zur Verfügung, da der Arbeitstakt und/oder der Verdichtungstakt nicht für die Spülung verkürzt werden müssen.

Aufzählung der Zeichnungen: [0005] Die Erfindung wird erstens mit Beispielen von möglichen dreiecksförmigen oder dreiblattförmigen Bewegungsabläufen am Kurbelzapfenzentrum erläutert. Zweitens werden mögliche Ausführungen von Dreitaktkolbenmaschinen mit dreiecksförmigem Bewegungsablauf am Kurbelzapfen in der Grundstellung und der Parallelstellung zeichnerisch dargestellt.

[0006] Fig. 1 und Fig. 2 stellen Beispiele verschiedener möglicher Bewegungsabläufe einer Dreitaktmaschine am Kurbelzapfenzentrum dar, Fig. 1 zeigt fünf dreiecksförmige Bewegungsabläufe (1) und Fig. 2 zwei dreiblattförmige (2) und einen dreiecksförmigen Bewegungsablauf (1).

[0007] Die Fig. 3 zeigt links eine solche Kolbenmaschine mit dreiecksförmigen Bewegungsablauf (1) in ihrer Grundstellung, dabei verläuft der vom Kurbelzapfen (3) durchfahrene Bewegungsablauf im Spültakt in etwa orthogonal zum Kolbenhub. Rechts wird eine parallele Maschinenanordnung gezeigt mit demselben dreiecksförmigen Bewegungsablauf (1) am Kurbelzapfen (3), hier verläuft der Arbeitstakt in etwa parallel zum Kolbenhub. Zusätzlich wird die Differenz A h bezüglich der verschiedenen oberen Totpunkte, die in diesen beiden Stellungen erreicht werden können dargestellt, die aus einem Verdrehen des Rollkreisholrades (4) im Maschinengehäuse resultieren. Im Weiteren sieht man die beiden Ritzel (5), die im Rollkreishohlrad (4) als Einheit aus Kurbelwangen (6) und Kurbelzapfen (3) abdrehen. Der kurbelzapfen (3) führt dabei das Pleuel (7) und den Kolben (8).

[0008] Fig. 4 zeigt eine Kurbeleinheit aus Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und einem Kurbelzapfen (3).

[0009] Fig. 5 zeigt eine Kurbeleinheit aus Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und zwei Kurbelzapfen (3), die mittels Kurbel (9) im Rollkreishohlrad (4) geführt wird. Mit einer solchen Anordnung mit den zwei um 180° versetzten Kurbelzapfen (3) kann eine Zweizylinderdreitaktmaschine mit nur einer Steuereinheit aus Rollkreishohlrad (4), Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und Kurbelzapfen (3) gebaut werden.

[0010] Fig. 6 zeigt eine Kolbenanordnung mit dreiecksförmigen Bewegungsablauf am Kurbelzapfen (3) in der Grundstellung mit den in jeweils 60° Schritten abgedrehten Einheiten aus Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und dem Kurbelzapfen (3), (sodass man den Bewegungsablauf der Maschine beim Durchfahren der drei Takte erkennen kann. Dabei stellen die seitlichen drei Kurbelzapfenstellungen entweder den Verdichtungstakt oder den Arbeitstakt dar, die unteren drei Stellungen des Kurbelzapfens stehen für den Spültakt.

Ausführung der Erfindung: [0011] Um einen dreiecksförmigen Ablauf des Kurbelzapfens zu erreichen, bestehen mehrere Möglichkeiten mit Rollkreiskonstruktionen. Dabei hängt der gewünschte Bewegungsablauf am Kurbelzapfen in erster vom Durchmesserverhältnis der verwendeten Räder zueinander ab und von der Distanz des Kurbelzapfens zum Zentrum des abdrehenden Ritzels, mit dem der Kurbelzapfen direkt oder über Kurbelwangen fest verbunden sein muss. Fährt nun das abdrehende Ritzel mit dem verbunden Kurbelzapfen seine Bahn im oder auf dem Rollkreis ab, entsteht ein dreiecksförmiger oder dreiblattförmiger Bewegungsablauf am Kurbelzapfen. Für solche Bewegungsabläufe kann das Durchmesserverhältnis Rollrad zu aussen abrollendem Ritzel von 3:1 verwendet werden.

[0012] Weiter kann ein Rollkreishohlrad mit zwei unterschiedlichen Verhältnissen von Rollkreishohlrad zu innen abrollendem Ritzel Verwendung finden; nämlich die Verhältnisse 3:1 und 3:2.

[0013] Grundsätzlich ist das Rollrad oder Rollkreishohlrad dabei mit dem Gehäuse fest verbunden und das abrollende Ritzel wird über eine Kurbel oder eine Lagerscheibe auf dem Rollrad oder im Rollkreishohlrad geführt und abgedreht.

[0014] Stimmen die Durchmesserverhältnisse der verwendeten Räder geometrisch zueinander, kann oder können mit dem abdrehenden Ritzel in einem geeigneten Abstand vom Ritzelzentrum ein oder mehrere Kurbelzapfen verbunden werden. Je nach Anordnung sind dazu auch Kurbelwangen zwischen Ritzel und Kurbelzapfen und/oder zwischen den Kurbelzapfen nötig. Verwendet man ein Rollkreishohlrad mit einem abrollenden Ritzel im Durchmesserverhältnis von 3:2 so können mit einem abdrehenden Ritzel mehrere Kurbelzapfen verbunden und so eine Reihenmaschinenanordnung mit mehreren Zylindern gebaut werden, da sich die Kurbel oder die Lagerscheibe zweimal dreht, während das Ritzel mit den Kurbelzapfen einmal im Hohlrad abdreht. Man kann also die Anzahl Steuereinheiten aus Rollkreishohlrad und abrollendem Ritzel reduzieren und eine Mehrzylindermaschine in Reihe bauen. Für eine Doppelzylinderanordnung werden die beiden um 180° versetzten Kurbelzapfen über Kurbelwangen mit zwei abrollenden Ritzeln verbunden, die wiederum in zwei Rollkreishohlrädern abdrehen. Bei einer Dreizylinderanordnung werden die drei Kurbelzapfen um 120° versetzt, bei einer Vierzylinderanordnung um 90° und so weiter.

[0015] Im Weiteren besteht auch die Möglichkeit die Verbindung der einzelnen Kurbelzapfen über eine aussenliegende Welle zu gewährleisten. So kann zum Beispiel eine Doppelzylindereinheit mit einer in der Mitte zwischen den Kurbelzapfen liegenden Steuereinheit aus abdrehendem Ritzel und Rollrad liegen und an den beiden Aussenseiten kann man dann die Steuereinheiten mit gewöhnlichen Kurbeln oder Lagerscheiben auf ihrer Bahn führen ohne Ritzel und Hohlrad. Allerdings benötigt man in einem solchen Fall eine aussenliegende Welle, die die Rotationsbewegung auf die Steuereinheiten ohne Ritzel- und Rollradführung überträgt. Eine solch verbindende Aussenwelle könnte bei geschickter Auslegung direkt als Nockenwelle genutzt werden.

[0016] Verwendet man anstelle der oder des fest mit dem Gehäuse verbunden Rollkreisrades ein oder mehrere im Gehäuse vor- und rückwärts drehbar gelagerte Rollkreisräder kann mit dem Verdrehen des oder der Rollräder eine variable Verdichtung erreicht werden. Dreht man also das oder die Rollkreisräder in dem Gehäuse um seine Achse, wird sich die Lage des dreieckförmigen Bewegungsablaufes am oder den Kurbelzapfen exakt um den Winkel verschieben, um den das oder die Rollkreisräder gegenüber dem Gehäuse verdreht wurden. Dieses Verdrehen kann beispielsweise mit einem oder mehreren Schneckengetrieben erreicht werden, welches das Gehäuse und das oder die darin drehbar gelagerten Rollkreisräder verbindet. Die dreiecks- oder dreiblattförmige Bewegung, die deroder die Kurbelzapfen nun abfahren, verschiebt sich gegenüber dem Gehäuse und die Verdichtung in den Arbeitsräumen sinkt oder nimmt zu. Dieses Verdrehen kann auch in der Maschinenentwicklung genutzt werden, die optimale Stellung von Kolbenachse und dreiecks- oder dreiblattförmigen Bewegungsablauf am Kurbelzapfen festzulegen oder die Verdichtung derselben Maschine an den verwendeten Kraftstoff anzupassen. Man kann also den Spültakt in etwa orthogonal zum Kolbenhub setzen, dann befindet man sich in der Grundstellung, oder man versucht den Kolbenhub in etwa parallel zum Arbeitstakt zu setzen, dann spricht man von der Parallelstellung. Man kann mit dieser Verdrehung auch die optimale Kraftübertragung vom Kolben auf die Kurbelwelle, die Lagerscheiben oder die aussenliegende Welle erforschen.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   1. Dreitaktkolbenmaschine mit den Takten Verdichten, Arbeiten und Spülen, die mit nur einer Auf- und Abbewegung eines Kolbens erreicht werden können, bestehend aus: • mindestens einem axial in einem Zylinder (6) geführten Kolben (5), • einer Kraft und Drehmoment ableitende Welle, • eine kraftschlüssige Verbindung (8, 1) in Form eines Pleuels (8) zwischen Kolben (5) und Kurbelzapfen (4), • ein Ritzel (2) mit Mitteln, welche es in einem Rollkreishohlrad (3) oder auf einem Rollkreis abrollen lassen und gleichzeitig eine translatorische Bewegungskomponente des Ritzels (2) mit einer drehenden Bewegung der Welle koppeln, wobei das Verhältnis der Teilkreise des Rollkreisrades (3) und des Ritzels (2) 3:1 oder 3:2 sein muss, dadurch gekennzeichnet, dass • der Kurbelzapfen (4) am Ritzel (2) exzentrisch direkt oder über mindestens eine Kurbelwange befestigt ist, so-dass der Kurbelzapfen (4) beim Umlauf des Ritzels (2) im Rollkreishohlrad (3) oder auf dem Rollkreis eine drei ecksförmige oder dreiblattförmige Bahn (12) beschreibt und jede dieser vom Kurbelzapfen durchfahrenen drei-ecks- oder dreiblatfförmigen Seiten einem der Arbeitstakte zugeordnet werden kann.
2. 2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, welche das Ritzel (2) beim Abrollen im Rollkreishohlrad (3) oder auf dem Rollrad führen, eine Kurbel oder eine Lagerscheibe (9) sind.
3. 3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollkreishohlrad (3) oder das Rollrad über eine partielle Aussenverzahnung mit einem Schneckengetriebe zusammenwirkt, welches das Rollkreishohlrad (3) oder Rollrad gegenüber dem Gehäuse drehfest fixiert und über welches das Rollkreishohlrad (3) oder Rollrad vor- und zurückgedreht werden kann, sodass sich die Lage der vom Kurbelzapfen (4) beschriebenen dreiecksförmigen oder dreiblattförmigen Bahn (12) gegenüber dem Gehäuse ebenso verdreht.
4. 4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Steuerungseinheit aus Rollkreishohlrad und Ritzel mindestens zwei Kurbelzapfen gesteuerte werden können, die über Kurbelwangen verbunden sind.