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    公开号:WO1989009871A1
    申请号:PCT/DE1989/000213
    申请日:1989-04-07
    公开日:1989-10-19
    发明作者:Thomas Hohwieler
    申请人:Thomas Hohwieler；
    IPC主号:F01C9-00
    专利说明:
    [0001] AI - _ υ fc — υ ■ c erjl_ olbe_ --_re-in_ raft*nasc_ ιr.e
    [0002] Die Erfindung ist eine Zweitakt-Schwenkkolben-Brennkraft¬ maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
    [0003] Verbrennungsmotoren sind seit über hundert Jahren bekannt und in unzähligen Varianten vorgeschlagen und gebaut worden, so daß sich eine nähere Beschreibung des Prinzips erübrigt. Am bekanntesten, fast ausschließlich in der Praxis benutzt, ist der Hubkolbenmotor, der jedoch gravierende Nachteile hat, die bis heute nicht zufriedenstellend behoben werden konnten. Insbesondere erzeugen die erforderlichen Pleuelstangen Seiten' krafte, die schädl iche Reibungen an den Zylinderwanden be¬ wirken. Die Hubkol benmotore arbeiten meist im Viertakt und benotigen Ventile, da die Zylinder wahrend des Arbeitstaktes für die Zufuhr des Brennstoffes verschlossen und für den Ab¬ zug der verbrannten Reste wieder geöffnet werden müssen. Die Ventilsteuerung ist bekanntlich sehr kritisch und aufwendig, was auch die Drehzahl des Motors begrenzt.
    [0004] Mit dem Kreis olbenmotor hatte man geglaubt, diese achteile und Schwierigkeiten überwinden zu können, doch hat die Praxis gezeigt, daß auch dieser Motor Nachteile hat, die eine Ver¬ drängung des Hubkolbenmotors nicht zuließen.
    [0005] Schließlich gibt es noch die sogenannten Schwenkkol benmotore , bei denen in einem Hohlzylinder zwischen zwei radialen Trenn¬ wanden zwei ebenfalls radiale Schwenkkolben hin und her pendeln und dabei das Ansaugen und Verdichten des Brennkraftstoffes be¬ wirken. Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind beispiels¬ weise in der DE-OS 33 30 125, DE-OS 23 51 781 und DE-OS 34 47 004 beschri eben . Während es sich bei dem Motor der DE-OS 23 51 781 um einen sehr komplizierten Aufbau handelt, scheint bei dem Motor der DE-OS 33 30 125 und dem de DE-OS 34 47 004 die Wirkungs¬ weise und damit die Funktionsf higkei problematisch, wenn nicht fraglich zu sein. Jedenfalls sind offenbar keine auf diesen Lehren beruhende Verbrennungs otore bekannt geworden.
    [0006] Der vorliegende Verbrennungsmotor beruht auf dem Prinzip des Schwenkkolbenmotors und ist insbesondere als stationärer Kleinmotor oder als Fahrzeugmotor einsetzbar.
    [0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwenkkol ben- Brennkraf aschi ne zu schaffen, die einfach gebaut ist und sehr effektiv arbeitet.
    [0008] Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
    [0009] Durch die Verwendung nur eines Schwenkkolbens hat man einmal den Vorteil , einen wesentlich größeren Schwenkwinkel des Kolbens zu erreichen, was im Vergleich zu den bekannten Motoren dieser Art mit zwei oder mehr Schwenkkolben eine wesentlich bessere Hubraumausnutzung bei vergleichbaren Außenabmessungen, sowie günstigere Hebel verhäl tni sse bei der Kraftübertragung er¬ möglichen. Die geringere Zahl der korrespondierenden Flächen erlaubt zum andern einen entsprechend geringeren Bedarf an Fl chendichtungen. Als wesentlichen Vorteil gewinnt man aber, daß der Überströmkanal vollständig in die Drehschwingnabe einbezogen ist, obwohl diese zudem wesentlich kleiner aus¬ gebildet ist, als bei den bekannten Schwenkkol ben-Brennkraft- mase inen . Der vorliegende Verbrennungsmotor arbeitet nur mit einem Schwenkkol en, was durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung der Schwenkbewegung in eine Rotationsbe¬ wegung mittels des Hebels, der Pleuelstange und der Kurbel¬ welle erreicht wird, wobei der Hebel als Gegengewicht dient und somit das Problem des Massenausgleichs gelöst ist.
    [0010] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des neuen Motors ergibt sich, wenn die mathematische Beziehung
    [0011] 2 x sin oά- 12
    [0012] befolgt wird, wobei R der Abstand der beiden Drehpunkte des Hebels, S der Schwenkweg des Hebels und - der Schwenkwinkel ist.
    [0013] Eine andere Ausführung des vorliegenden Verbrennungsmotors macht es möglich, den Querschnitt des Auslaßkanals und das Verdichtungsver ältnis während des Betriebes in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zu ve ndern. Dadurch wird erreicht, daß die Leistungscharakteristik über den gesamten Drehzahl¬ bereich günstig gestaltet werden kann und der spezifische Verbrauch, sowie die Abgaswerte optimiert werden.
    [0014] Die herkömmlichen Zwei takt-Motoren sind nur i nnerhal b .ei nes engen Drehzahl berei ches mit optimalem Gaswechsel zu betreiben, In den niedrigen Drehzahlregionen hingegen mangelt es an Leistung und bei hohen Drehzahlen stef-gt der spezifische Ver¬ brauch stark an. Die Ursache ist, daß die Querschnittsfläche des Auslaßkanals nur innerhalb eines vorbestimmten Resonanz¬ bereiches das rasche Ausströmen der verbrannten Gase und im Zusammenwirken mit der Abgasanlage das Füllen des Brennraumes mit übergeströmtem Frischgas ermöglicht. Bei modernen Zwei takt-Hubkol benmotoren wird deshalb mittels eines Walzenschiebers die Querschnittsfläche des Auslaßkanals der Abgasmenge angepaßt.. Das bedeutet, daß, ausgehend von einem kleinen Querschnitt bei niedrigen Drehzahlen, die Querschnitts¬ fläche analog zur steigenden Drehzahl kontinuierlich angepaßt werden kann.
    [0015] Der vorliegende Verbrennungsmotor erzielt denselben Effekt durch Drehen des Zylinders. Der Zylinder wird dabei durch Elektromo¬ tor, Unterdruck oder Fliehkraft innerhalb zweier Extremstel¬ lungen drehzahl abhängi g gedreht. Dadurch kann 'auch die Größe des Verdichtungsraumes dem Füllungsgrad angeglichen werden, was die Einhaltung niedriger Abgas- und Verbrauchswerte in sämtlichen Betriebszuständen ermöglicht.
    [0016] Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungs¬ beispiele erläutert. Es zeigt:
    [0017] Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch den Verbrennungs¬ motor und zwar durch den Brennraumteil ,
    [0018] Fig. 2 eine Rückansicht durch das geschnittene Kurbelge¬ häuse,
    [0019] Fig. 3 eine Draufsicht des Verbrennungsmotors im Vollschnitt,
    [0020] Fig. 4 die Funktionsabl ufe des Verbrennungsmotors,
    [0021] Fig. 5 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors mit veränder¬ lichen Steuerzeiten, geschnitten im Bereich des Brenn¬ raumes ,
    [0022] Fig. 6 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors Fig. 5 mit gedrehtem Zylinder,
    [0023] Fig. 7 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors Fig. 5 mit geschwenktem Kolben,
    [0024] Fig. 8 eine Vorderansicht des Verbrennungsmotors Fig. 6 mit geschwenktem Kolben,
    [0025] Fig. 9 eine Draufsicht des Verbrennungsmotors Fig. 5 bis 8,
    [0026] Fig.10 eine Prinzipskizze des Verbrennungsmotors Fig. 5 bis 9 Fig. 1 zeigt den Verbrennungsmotor von vorne mit geschnittenem Motorgehäuse 1, das als Hohlzylinder ausgebildet ist. In der Zylinderachse 2 ist die Welle 3 angeordnet, die in der vorderen und hinteren Zylinderabdeckung 4 bzw. 5 (Fig. 3) in geeigneter Weise gelagert ist. Auf der Welle 3 ist fest und mit ihr drehbar der segmentartige Schwenkkolben 6 angeordnet. In dem zylindri¬ schen Motorgehäuse 1 ist ferner ein ortsfestes Trennsegment 7 vorgesehen. Durch diese Ausbildung des Motorgehäuses 1 ent¬ stehen zwei voneinander abgeschlossene Hohlräume, nämlich der Brennraum 8 und der Vorverdichtungsraum 9, deren Bedeutung noch erläutert wird. Das Trennsegment 7 ist mittels der Schrau¬ ben 10 und 11 mit der Wandung des Motorgehäuses verbunden, wo¬ bei die Innenseite des Trennsegmentes 7 dicht an der Welle 3 anliegt. Die Dichtungselemente sind mit 12 und 13 bezeichnet. Der Schwenkkolben 6 ist mittels der Dichtungselemente 14 und 15 gegen die Innenwandung des zylindrischen Motorgehäuses 1 abgedichtet. In den Brennraum 8 ragt die Zündkerze 16 hinein. Die Welle 3 hat eine kanal formige Ausnehmung, nämlich den Über¬ strömkanal 17. In der Wandung des Motorgehäuses 1 ist ferner der Einlaßkanal 18 für das Kraftstoffgemi seh und der Ausla߬ kanal 19 für die Abgase vorgesehen.
    [0027] Die Fig. 1 zeigt alle Motorteile in richtigem Verhältnis. In dem dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Bogenlänge des segmentförmi gen Schwenkkolbens etwa 100°. Bedingt durch die weitere, noch zu beschreibende Ausbildung des neuen Motors beträgt der Schwenkbereich des Schwenkkol ens 6 ebenfalls etwa 100° Bogengrade, das heißt, die Vorderkante 20 des Schwenkkolbens 6 gelangt etwa bis "zu der gedachten Linie 21. Aus Gewichtsgürnden ist der Schwenkkolben 6 hohl , wie mit dem Bezugszeichen 22 angegeben ist.
    [0028] Die Übertragung der oszillierenden Bewegungen des Schwenk¬ kolbens 6 auf die Abtriebswelle erfolgt mittels einer Pleuel¬ stange und einer Kurbelwelle, deren Geometrie wesentlich für die Funktionsf higkeit des Motors ist. Dies wird anhand der Fig. 2 erl utert. Das Motorgehäuse 1 ist in der Fig. 2 nicht dargestellt. Es liegt bezüglich der Welle 3 vor dem Kurbelgetriebe, wie man aus Fig.l erkennen kann. Auf der Welle 3 ist der im gleichen Rhythmus wie der Schwenkkolben 6 verschwenkbare Hebel 23 mit dem Doppelpfeil 24 angedeutet. An dem der Welle 3 abgekehr¬ ten Ende des Hebels 23 ist die eine Seite der Pleuelstange 25 gelenkig befestigt, während die andere Seite der Pleuel¬ stange 25 drehbar auf der Kurbelwelle sitzt. Auf der Abtriebs- welle 27 sind in bekannter Weise zwei Schwungkörper 26 ange¬ ordnet. Die Abtriebswelle und damit die Schwungkörper rotie¬ ren in Richtung des Pfeiles 28. Der Hebel 23, der im darge¬ stellten Beispiel zwischen den Punkten 29 und 30 auf einem Kreisbogen der Länge S, wobei der Schwenkwinkel mit j bezeichnet ist, hin und her schwenkt, überträgt diese Schwenk¬ bewegung über die Pleuelstange 25 auf die Abtriebswelle 27. Der gemeinsame Achspunkt 31 wird dabei auf dem Kreis 32 im Uhrzeigersinn bewegt.
    [0029] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besteht nun zwischen den Größen S, < und R, wobei R der Abstand zwischen den beiden Achspunkten 33 und 34 des Hebels 23 ist, die mathematische Beziehung
    [0030] R - S
    [0031] 2 x sin σ /2 um optimale Betriebsverhältnisse zu schaffen.
    [0032] Fig. 3 zeigt zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung einen waagerechten Schnitt durch den Verbrennungsmotor. Die Zünd¬ einrichtung kann auf der Abtriebswelle 27 vorgesehen werden. Da diese Technik allgemein bekannt ist, braucht sie hier nicht näher erläutert zu werden.
    [0033] Die Arbeitsweise des Verbrennungsmotors wird nunmehr anhand der Fig. erläutert. Hierbei ist nur das Motorgehäuse 1 mit dem Schwenkkol en 6 dargestellt. Die Erläuterung beginnt mit der Figur 4a und setzt sich im Uhrzeigersinn über die Figur 4b bis Figur 4d fort, wie durch die Pfeile 35 bis 38 ange¬ deutet ist. In der Stellung des Schwenkkolbens 6 gemäß Fig. 4a wird das komprimierte Kraftstoffgemi seh in dem Brennraum 8 gezündet. Da hierbei der Einlaßkanal 18 geöffnet ist, kann frisches Kraftstoffgemisch in den Vorverdichtungsraum 9 einströmen, wie durch die Pfeile 39 angedeutet ist. Durch die Zündung wird der Schwenkkolben 6 entgegen dem Uhrzeigersinn ver¬ schwenkt und verschließt hierbei den Einlaßkanal 18, wie man aus der Fig. 4b ersehen kann, während der Auslaßkanal nach und nach geöffnet wird. Bei der Schwenkbewegung des Schwenk¬ kolbens 6 wird der Überströmkanal 17 in dem Bereich des Brennraumes 8 verschwenkt, so daß das vorverdichtete Kraft¬ stoffgemisch von dem Vorverdichtungsraum 9 in den Brennraum 6 einströmen kann. Dabei sind die Abmessungen des Schwenk¬ kolbens 6 und des Ausströmkanals 19 so gewählt, daß die Ab¬ gase bereits anfangen auszuströmen, bevor das vorverdichtete Gemisch in den Brennraum 8 einströmen kann. Hierdurch erzielt man ein besseres Austreiben der Abgase und erreicht, daß möglichst wenig Frischgemisch mitausströmt. Diese Verhältnisse kann man noch dadurch günstiger machen, daß der in der linken Endstellung des Schwenkkolbens 6 (Linie 21 in der Fig. 1) ver¬ bleibende Restraum 40 noch relativ groß ist, so daß der dort herrschende Überdruck hinreichend, aber nicht so groß ist, daß ein betr chtlicher Anteil des vorverdichteten Kraftstoffge¬ misches durch den Auslaßkanal 19 entweichen könnte.
    [0034] Fig. 4c zeigt die linke Endstellung des Schwenkkolbens 6. Hierbei ist der Einlaßkanal 18 vollständig geschlossen und der Auslaßkanal 19 maximal geöffnet. Der Überströmkanal hat eben¬ falls seine größte Durchflußöffnung von dem Restraum 40 in den Brennraum 8. Der Schwenkkolben 6 beginnt nun wieder zurückzu¬ schwingen und bewirkt in der Stellung gemäß Fig. 4d eine voll¬ ständige Schließung des Einströmkanals 18 sowie des Ausström¬ kanals 19 und desüberströmkanal s 17. Hierbei wird das K_raft- stoffgemisch in dem Brennraum 8 verdichtet, bis es in der Situation gemäß Fig. 4a gezündet wird. Von da an wiederholen sich die beschriebenen Vorg nge.
    [0035] ERSATZBLATT Fig. 5 zeigt eine Variante des Verbrennungsmotors, die es er¬ möglicht, die Auslaßquerschnittsfläche und die Größe des Ver¬ dichtungsraumes während des Betriebes zu verändern, in der Vorderansicht mit geschnittenem Zylinder 1. Der Zylinder 1 ist über eine Hohlwelle 44 (Fig. 9, 10), in der die Welle 3 gelagert ist, drehbar mit dem Kurbelgehäuse 42 verbunden. Der Drehwinkel der Hohlwelle 44 und somit des Zylinders 1 wird durch geeignete Anschläge auf ca. 5° begrenzt. Das Drehen des Zylinders 1 erfolgt durch einen nicht näher dargestellten An¬ trieb, für den sich besonders ein Elektromotor, aber auch ein Antrieb durch Fliehkraft des Schwungrades oder Unterdruck des Ansaugkrümmers eignet.
    [0036] Der Schwingkolben 6, der sich in der oberen Totpunktstellung befindet, weist ein Übermaß 46 auf, das nicht kleiner als der Drehwinkel des Zylinders 1 sein darf, da ein dichtes Ver¬ schließen des Auslaßkanals 19 sonst nach der Drehung des Zylinders 1 nicht mehr gewährleistet wäre.
    [0037] Die Querschnittsfläche des Einlaßkanals 18 darf durch die Zylinderbewegung nicht beeinträchtigt werden, weshalb Einla߬ kanal 18 und Auslaßkanal 19 räumlich voneinander getrennt werden müssen. Eine Membrane 41, wie sie auch in Zweitakt- Hubkolbenmotoren Verwendung findet, ermöglicht die Verlegung des Einlaßkanals 18 in das als Zylinderkopf ausgelegte Trenn¬ segment 7. Der weitere Aufbau entspricht dem in den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Verbrennungsmotor.
    [0038] Fig. 6 zeigt den Motor mit gleicher Position des Schwenkkol¬ bens 6 wie in Fig. 5, allerdings wurde der Zylinder um 5C nach rechts gedreht, erkennbar an den beiden Kanten des Schwenkkolbens 6. Der Verdichtungsraum 8 wurde dadurch ver¬ kleinert, was bei niedrigen Drehzahlen und damit verbundenem geringem Füllungsgrad durch den gesteigerten Kompressionsdruck eine effektivere Verbrennung erlaubt.
    [0039] Fig. 7 zeigt den Verbrennungsmotor mit in Grundstellung be¬ findlichem Zylinder 1 und Schwenkkolben 6 in unterer Totpunkt¬ stellung. Auslaßkanal 19 und Überströmkanal 17 sind maximal
    [0040] ERSATZBLATT geöffnet. Im oberen Drehzahl erei ch wird dadurch ein optimaler Gaswechsel ermöglicht.
    [0041] Fig. 8 zeigt den Verbrennungsmotor mit gedrehtem Zylinder 1 und Schwenkkolben 6 in unterer Totpunktstellung. Der Ausla߬ kanal 19 wird durch die Zylinderdrehung im Durchmesser ver¬ kleinert, in stärkerem Maße als der Überströmkanal 17. Im niederen Drehzahl bereich wird somit bei guter Frischgasfüllung das Resonanzverhalten des Auslaßkanals 19 positiv beeinflußt. Das heißt, daß übergeströmtes Frischgas durch die Reflexion im Auspufftrakt in den Zylinder 1 zurückgelangt und einen Auf1 adungseffekt bewirkt.
    [0042] Daraus ergibt sich die Verbesserung des Verbrauchs- und Abgas¬ verhaltens sowie der Leistungscharakteristik.
    [0043] Fig. 9 zeigt eine Draufsicht des Verbrennungsmotors.
    [0044] Fig. 10 zeigt den schematischen Aufbau des Verbrennungsmotors, insbesondere die drehbare Verbindung von Zylinder 1 und Kurbel¬ gehäuse 42. Der Zylinder 1 ist mit der Hohlwelle 44, die ihrer¬ seits in dem Kurbelgehäuse 42 drehbar gelagert ist, fest ver¬ bunden .
    [0045] In der Hohlwelle 44 ist die Welle 3, die den Schwenkkolben 6 mit dem Hebel 23 verbindet, gelagert. Um die Bewegungsmöglich¬ keit der Pleuelstange 25 auch bei unterschiedlicher Position des Zylinders 1 zu gewährleisten, muß in der Hohlwelle 44 eine ausreichend große Aussparung 45 vorhanden sein. Die Abtriebswelle 27, die über die Pleuelstange 25 mit dem Hebel 23 verbunden ist, hat ihren Lagersitz in der Gehä'use- bohrung 46.
    [0046] ERSATZBLATT
    权利要求:
    Claims
    An s prü c he
    Zwei takt-Schwenkkol ben-Brennkraftmaschi ne mit einem zylindrischen, an beiden Seiten abgeschlossenen Motorgehäuse 1, in dessen Mittelachse eine Welle 3 mit kanalartiger Ausnehmung (Überströmkanal 17) zur Aπlenkung des Schwenkkolbens 6 vorgesehen ist, mit einer segmentartigen Trennwand 7, mit einer Zünd¬ einrichtung 43 und einer Vorrichtung zur Zuführung des Kraftstoffgemi sches 18 und zur Abführung der Abgase 19, welche Vorrichtungen durch den Schwenk¬ kolben verschließbar und offenbar sind, mit einem an der Welle befestigten Hebel 23, dessen freies Ende mit der Pleuelstange 25 drehbar verbunden ist, dadurch gekennzei hnet, daß zur Erzielung eines optimalen Leistungsgewichtes nur ein Kolben mit .kleiner Drehschwingnabe eine Schwenkbewegung größer 90° ausführt.
    Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Zylinder 1 zur Erzielung ver¬ änderlicher Steuerzεiten und e'ines variablen Ver¬ dichtungsverhältnisses relativ zu dem Kurbelge¬ häuse 42, in Abhängigkeit von Last und Drehzahl , nach links und rechts gedreht werden kann. ) . Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Zylinders mittels Elektromotor, Unterdruck oder Fliehkraft erfol gt.
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkkolben ein Kantenwinkelmaß entsprechend der Beziehung
    Kantenwinkelmaß + Drehwinkel = Schwenkwinkel des
    Kolbens + Drehwinkel des Zylinders aufwei st.
    5. Brennkraftmasc ine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal 18 mit einer Membrane 41 versehen ist.
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    法律状态:
    1989-10-19| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): BR |
    1989-10-19| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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