DE4019384A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine zum Antreiben von Kraftfahr­ zeugen, Motorrädern, Baumaschinen, Landmaschinen, Leichtflugzeugen, Schiffen, Generatoren etc.

Herkömmliche Brennkraftmaschinen in der Form von Kurbelmaschinen wer­ den auf verschiedenen Gebieten verwendet. Auf der anderen Seite sind kur­ bellose Maschinen konstruiert worden, die ohne Kurbel auskommen und eine Verbesserung gegenüber den Kurbelmaschinen darstellen sollten (siehe z. B. Toru Daidoji, "Crankless Engine", Nikkan Kogyo Shinbun-Sha (25. Mai 1961, Seite 239). Diese kurbellosen Maschinen weisen einen geneigten Kurbelstift auf, der auch als Z-förmige Kurbelwelle betracht werden kann.

Als Maschine dieses Typs sind Maschinen mit trommelförmigen Nocken und Taumelscheiben entwickelt worden. Beide haben Nachteile in bezug auf die Haltbarkeit und die Herstellbarkeit, da im Übertragungsbereich Linien- oder Punktberührung besteht oder die Gleitgeschwindigkeit zu hoch ist. Daher ha­ ben sich diese Maschinentypen nicht durchgesetzt. Als kurbellose Maschine, die in der Praxis angewendet worden ist, gibt es eine Rotationsmaschine, die von Matsuda Co. hergestellt wird.

Verglichen mit den hin- und hergehend arbeitenden Maschinen besitzen die Rotationsmaschinen eine gleichmäßige Drehbewegung, eine verringerte Grö­ ße und ein verringertes Gewicht, eine kleinere Anzahl von Teilen und einen einfacheren Aufbau. Andererseits ist der Brennstoffverbrauch ungünstig, vor allem aufgrund von Leckverlusten des Gases an der Seitendichtung, und ins­ besondere an diesem Punkte werfen die Rotationsmaschinen wesentliche Probleme auf.

Bei den hin- und hergehend arbeitenden, gegenwärtig verfügbaren Maschi­ nen sind vier bis fünf Einlaß- und Auslaßventile pro Zylinder zur Verbesse­ rung der Leistungen des Brennstoffverbrauchs verwendet worden. Dies stellt jedoch annähernd die Grenze dar.

Bei hin- und hergehend arbeitenden Maschinen besteht das Bestreben, eine Hochleistungsmaschine zu bauen, die eine weiche Drehung und einen beson­ ders ruhigen Lauf aufweist. Auch auf dem Gebiet von Luftkompressoren und Vakuumpumpen, die als Kolbenmaschinen ausgebildet sind, wird versucht, Produkte mit hohem Wirkungsgrad zu liefern.

Insbesondere bei hin- und hergehend arbeitenden Mehrzylindermaschinen mit Kurbelwelle haben sich Nachteile gezeigt. Beispielsweise sind die Her­ stellkosten hoch, da die Form kompliziert ist, und es ist notwendig, eine An­ zahl von geteilten Lagern zu verwenden, die in besonderer Weise an die Kur­ belwelle angepaßt sind, so daß die Größe der Maschine insgesamt zunimmt.

Außerdem führt eine Erhöhung der Anzahl der Lager zu dem Problem, daß die Reibungsverluste der Lager groß werden, so daß der mechanische Wir­ kungsgrad ungünstig ist und der Benzinverbrauch ansteigt.

Im übrigen sind die Materialkosten, die Schmiedekosten und die Bearbei­ tungskosten für die Kurbelwelle höher, und es ist eine erhebliche Zeit erfor­ derlich für komplizierte Bearbeitungsvorgänge im Kurbelgehäuse und dessen Lagerbereich, so daß erhöhte Produktionskosten in Kauf genommen werden müssen.

Mehrzylindermaschinen sind erforderlich, wenn eine erhöhte Leistung und eine gleichmäßige Drehung erforderlich ist, und als gegensätzliche Anforde­ rung besteht das Bestreben, das Gewicht und die Größe zu verringern.

Es ist andererseits notwendig, sowohl die Leistung zu verbessern als auch den Brennstoffverbrauch zu verringern. Zu diesem Zweck befassen sich Her­ steller nachhaltig mit neuen Lösungsmöglichkeiten, und in jüngerer Zeit hat die Tendenz bestanden, die Anzahl der Einlaß- und Auslaßventile zu erhöhen. Es entsteht jedoch der Eindruck, daß hier die möglichen Grenzen erreicht sind.

Vor diesem Hintergrund sind zahlreiche kurbellose Maschinen konstruiert worden, von denen die meisten jedoch nicht in die Praxis eingegangen sind.

Die folgenden Gründe werden dafür angegeben, daß kurbellose Maschinen in der Praxis noch nicht eingesetzt worden sind:

• 1. Bei vielen kurbellosen Maschinen gibt es Bereiche, in denen Kontaktflä­ chen in Punkt- oder Linienberührung stehen, wie etwa einer Trommelkurve und einer Nachlaufrolle, so daß ein in der Praxis nicht akzeptabler Verschleiß eintritt.
• 2. Da die Gleitgeschwindigkeit hoch ist, kann eine rasche Drehung nicht er­ zielt werden, so daß es nicht möglich ist, eine Leistungsverbesserung zu er­ reichen.
• 3. Bezogen auf denselben Hubraum, wird das Volumen der gesamten Ma­ schine zu groß, so daß das Gewicht unzulässig ansteigt.
• 4. Zahlreiche kurbellose Maschinen, die in Betracht kommen, bereiten Her­ stellungsprobleme.
• 5. Der Aufbau ist zu kompliziert, so daß die Herstellungskosten hoch sind und die Produktion unwirtschaftlich wird.

Es ist vor allem Aufgabe der Erfindung, eine Maschine ohne Kurbelwelle zu schaffen, die eine geringe Anzahl von Lagern aufweist, so daß die Seiten­ drücke auf die einzelnen Kolben und damit der Verschleiß verringert wer­ den, bei der eine geringe Gleitgeschwindigkeit und damit geringe Reibungs­ verluste in den Lagern bestehen, und die mit einem geringen Brennstoffver­ brauch auskommt.

Eingangs- und Ausgangswelle sollen austauschbar sein, so daß im Gegensatz zu Brennkraftmaschinen ein Betrieb sowohl als Kraft- als auch als Arbeitsma­ schine möglich ist, die Maschine also als Kompressor oder Vakuumpumpe laufen kann, und der mechanische Wirkungsgrad sowie die Übertragung der Antriebskräfte sollen verbessert werden.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Ein erfindungsgemäß verwendetes schwingendes oder pendelndes Teil und eine drehbare Welle entsprechen grundsätzlich der herkömmlichen Kurbel­ welle. Ein Achsstift des pendelnden Teils, das eine schwingende oder pen­ delnde Bewegung in bezug auf ein kugelförmiges oder kreuzgelenkförmiges Lager als Mittelpunkt ausführt, ist an der drehbaren Welle befestigt und dreht sich mit dieser als Ausgangswelle. Umgekehrt wird die drehbare Welle als Eingangswelle verwendet, wenn ein Kolben zum Komprimieren eines Fluids oder zur Reduzierung eines Fluid- oder Luftdruckes verwendet werden soll.

Bei einer herkömmlichen hin- und hergehend arbeitenden Maschine wird die Konstruktion der Kurbelwelle und die Anzahl der Lager umso größer, je größer die Zahl der Zylinder ist. Damit dies vermieden wird, wird erfin­ dungsgemäß keine Kurbelwelle vorgesehen, sondern ein Mechanismus, bei dem die Rotationskraft auf die drehbare Welle mit Hilfe eines pendelnden Teils übertragen wird, und ein Gelenk mit einem kugelförmigen oder stiftför­ migen Lager ist an dem pendelnden Teil angebracht, so daß eine Anzahl von Kolben mit diesen verbunden werden kann. Auf diese Weise kann selbst eine Maschine mit mehreren Kolben einfach aufgebaut sein.

Im übrigen dreht sich das pendelnde Teil nicht um seine eigene Achse, son­ dern es überträgt die Kraft allein durch die Pendelbewegung, so daß die Gleitgeschwindigkeit gering ist und der Wirkungsgrad erhöht wird. Da im übrigen die herkömmliche Kurbelwelle durch das pendelnde Teil ersetzt wird, das eine geringe Größe aufweist, besitzt die Maschine ein geringes Ge­ wicht. Der Brennstoffverbrauch wird reduziert, da die Kurbelwelle fehlt, die eine Anzahl von Lagern erfordern und den mechanischen Wirkungsgrad be­ einträchtigen würde.

Bei herkömmlichen Mehrzylindermaschinen ist die Kurbelwelle verhältnis­ mäßig lang, so daß Torsionsschwingungen auftreten und Maßnahmen zu de­ ren Unterdrückung getroffen werden müssen, beispielsweise mit Hilfe von Dämpfern. Selbst bei Mehrzylindermaschinen hat das pendelnde Teil der vorliegenden Erfindung in bezug auf derartige Schwingungen Vorteile, da es kurz ist. Zur Erhöhung der Ausgangsleistung und Verringerung des Brenn­ stoffverbrauchs ist es wünschenswert, einen Mechanismus zu verwenden, durch den das Kompressionsverhältnis in der Brennkammer verändert wer­ den kann. Bei Kurbelmaschinen ist ein derartiger Mechanismus in der Praxis schwer zu realisieren, da deren Konstruktion kompliziert ist, während bei der kurbellosen Maschine der vorliegenden Erfindung die Änderung des Kompressionsverhältnisses in einfacher Weise erreicht werden kann.

Da die erfindungsgemäße, kurbellose Maschine selbst bei einer Ausführung als Mehrzylindermaschine einfach aufgebaut ist, kann sie in einfacher Weise als Kompressor oder Vakuumpumpe oder als Kraftmaschine hergestellt wer­ den, so daß sich verhältnismäßig geringe Herstellkosten ergeben.

Erfindungsgemäß ist eine Verbrennungskammer auf beiden Seiten jedes Kol­ bens vorgesehen. Entspannungsenergie, die sich in einer Brennkammer bil­ det, verschiebt den Kolben und wird auf das pendelnde Teil über das Gelenk übertragen, das diese Verbindung zu dem pendelnden Teil herstellt. Mit Hilfe dieser Kraft schwingt das pendelnde Teil hin und her, während das Univer­ salgelenk dieses als Mittelpunkt abstützt, so daß das pendelnde Teil eine Drehbewegung auf die drehbare Welle überträgt und die Antriebskraft der Maschine erzeugt.

Umgekehrt wird bei Verwendung der drehbaren Welle als Eingangswelle die Drehkraft eines Antriebsmotors in die Maschine eingeleitet, so daß die Kol­ ben hin- und hergehen und ein Fluid, insbesondere Gas oder Luft, kompri­ miert oder druckreduziert werden kann.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine geschnittene Gesamtdarstellung einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Teilschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung zwischen den Kolben und dem pendeln­ den Teil;

Fig. 3(A) bis 3(D) sind schematische Darstellungen der Zylinderanord­ nung;

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform mit kreuzförmigem Universalgelenk;

Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform mit einer Brennkrammer auf einer Seite und mehreren Zylin­ dern;

Fig. 6 ist ein Schnitt einer weiteren Ausführungsform des pendelnden Teils und eines kugelförmigen Lagers;

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Mechanismus zur Stabilisierung der Pendelbewegung des pendelnden Teils;

Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform des in Fig. 7 gezeig­ ten Mechanismus;

Fig. 9 veranschaulicht eine Abwandlung gegenüber Fig. 8;

Fig. 10 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfin­ dung, die zusätzlich einen Mechanismus zur Änderung des Kompressionsverhältnisses enthält;

Fig. 11 ist eine Draufsicht zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung der Fig. 10.

In Fig. 1 ist eine drehbare Welle mit 1 bezeichnet, die im weiteren Verlauf auch als Ausgangswelle benannt werden soll. Die Welle wird in einem Gehäu­ se 11 drehbar mit Hilfe von Lagern 111 und 112 abgestützt.

Ein Ende der Ausgangswelle 1 ragt in das Innere des Gehäuses 11 hinein, und eine geneigte Bohrung 113 befindet sich in diesem Ende. In der Bohrung 113 befindet sich ein Lager 2.

In einer Position gegenüber der Bohrung 113 der Ausgangswelle 1 befindet sich eine Ausgleichsmasse 114 zum Ausgleichen der Zentrifugalkraft, die durch eine exzentrische Bewegung eines pendelnden oder schaukelnden Bauteils 3 erzeugt wird, das im folgenden der Einfachheit halber auch als An­ ker bezeichnet werden soll.

Andererseits ragt die Ausgangswelle 1 aus dem Gehäuse 11 hinaus und bildet dort einen Zapfen 115, der der Leistungsentnahme dient und mit einer Keil­ verzahnung, einer Nut oder dergleichen auf dem äußeren Umfang versehen ist.

In einer Position in der Nähe der Mitte der Ausgangswelle 1 befindet sich ei­ ne Schneckenverzahnung 116, die eine Nockenwelle antreibt. Die Schneckenverzahnung 116 kann auch zum Antreiben von Hilfsaggregaten ver­ wendet werden.

Der Anker 3 wird durch ein Kugelgelenk exzentrisch pendelnd abgestützt. Das Kugelgelenk 4 ist in einem Ansatz 5 montiert, und das vordere Ende ei­ nes Zapfenbereichs 32 auf der Seite der Ausgangswelle 1 wird in das Lager 2 eingeführt und durch dieses schwenkbar und drehbar gehalten.

Ein Kugelgelenk 72 befindet sich an einer äußeren Verbindung 31 des pen­ delnden Ankers 3 und ist mit einem Ende eines Gelenks 7 verbunden. Das andere Ende des Gelenks 7 verbindet ein kugelförmiges Lager 62 mit einem Kolben oder Zapfen 6.

Ein Kolben 8, der über das Gelenk 7 mit dem Anker 3 verbunden ist, liegt gleitend innerhalb eines Zylinders 9. Ein Zylinderkopf 92, der den Zylinder 9 abdeckt, ist mit einer Zündkerze 91 und einem Einlaßventil 93 versehen. Der Kolben 8 ist in dem Zylinder 9 hin- und hergehend beweglich.

Erfindungsgemäß sind zwei unterschiedliche Arten von Kolben 8 vorgesehen. Bei einem der Kolben befinden sich Brennkammern 90 auf beiden Seiten des Kolbens, wie es Fig. 1 zeigt, während andererseits gemäß Fig. 5 nur eine Brennkammer auf einer Seite vorgesehen ist. Der doppelseitige Typ hat die zweifache Zylinderzahl des einseitigen Typs.

Eine Ausgangswelle 10 gemäß Fig. 1 ermöglicht die Abnahme einer Rota­ tionskraft über ein von der Ausgangswelle 1 getrenntes System unter Ver­ wendung der exzentrischen Pendelbewegung des Ankers 3.

Ein Zapfen 22, der an dem Anker 3 angebracht ist, dient zum Antreiben der Hilfsausgangswelle 10. Der Zapfen 22 liegt in einem Lager, das die Leistung auf die Ausgangswelle 10 überträgt und sich zugleich mit dem Zapfen 22 dreht.

Die Hilfs-Ausgangswelle 10 wird verwendet zum Antreiben von Kühlgebläsen, Generatoren, Pumpen, Kompressoren für Klimaanlagen etc. Eine Riemen­ scheibe 101 befindet sich auf dem äußeren Ende der Ausgangswelle 10.

Eine Ölbohrung 20 dient zum Zuführen von Schmieröl zu den verschiedenen Gleitflächen.

Die kurbellose Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 ist eine Viertakt-Benzinma­ schine, die folgendermaßen arbeitet.

Das durch den Kolben 8 komprimierte Gas wird gezündet durch die Zünd­ kerze 91, verbrennt dadurch und expandiert, und der entstehende Druck schiebt den Kolben 8 in Richtung der gegenüberliegenden Brennkammer 90. Dieser Druck wird übertragen über das Gelenk 7 auf die äußere Verbindung 31 zum Anker 3 und verschiebt diese. Da der Zapfenbereich 32 des Ankers 3, der durch das Kugelgelenk 4 als Mittelpunkt abgestützt wird, nur in Dreh­ richtung der Ausgangswelle 1 beweglich ist, dient die Druckkraft des Kolbens 8 dazu, die Ausgangswelle 1 zu drehen, während der eingefügte Teil des An­ kers 3 in dem Kugelgelenk 4 als Mittelpunkt gedreht wird.

Der Verbrennungshub erfolgt auch im Zusammenhang mit der anderen Brennkammer 90. Bei jeder Brennkammer 90 werden Verbrennung, Aussto­ ßen, Ansaugen und Kompression in dieser Reihenfolge als ein Zyklus durch­ geführt. Das bedeutet, daß der Kolben 8, auf den der Verbrennungsdruck aus­ geübt ist und der dadurch in einer Brennkammer 90 vorgeschoben wird, zu­ gleich das Gas in einer anderen Brennkammer 90 komprimiert oder das ver­ brannte Gas ausstößt.

Ein Schneckenrad 117 auf der angetriebenen Seite steht senkrecht zu der Schneckenverzahnung 116 und auf der Ausgangswelle 1 und kämmt mit die­ ser und ist im übrigen mit einer Nockenwelle 94 verbunden. Die Nockenwel­ le 94 dient zur Betätigung des Eingangsventils 93, und zwar direkt oder über Kipphebel.

Ein Steuer-Zahnrad 118 ist auf der Nockenwelle 94 befestigt und mit einem Steuer-Zahnrad 119 über eine Kette ode einen Zahnriemen verbunden. Das Zahnrad 118 betätigt einen Ventilmechanismus, der sich auf einer gegen­ überliegenden Seite an einem Zylinderkopf 120 befindet.

Das Zahnradverhältnis zwischen den Schraubenrädern 116 und 117 wird auf 1 : 2 festgelegt, da bei einer Viertaktmaschine die Notwendigkeit besteht, daß die Anzahl der Umdrehungen der Nockenwelle 94 halb so groß ist wie diejenige der Ausgangswelle 1. Bei einer Zweitaktmaschine mit einem Ein­ laß-/Auslaß-Ventil kann das Zahnradverhältnis der Schneckenräder 116, 117 mit 1 : 1 festgesetzt werden.

Ein Wasser-Mantel 17 ist zum Kühlen jedes einzelnen Zylinders vorgesehen.

Mit 18 ist ein Schwungrad bezeichnet. Ein Zahnring 19 ist auf dem Schwung­ rad 18 befestigt und dient zum Anlassen der Maschine. Der Zahnring kämmt mit einem Ritzel eines Anlassermotors.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Verbindung zwischen den Kolben 8 und dem schwenkbaren Bauteil oder Anker 3. In dem Kolben 8 be­ findet sich eine zylindrische Bohrung 81, in der ein zylindrisches Gleitstück 14 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens 8 gleitet. Dieses Gleitstück ersetzt das Kugellager (allseits schwenkbare Lager) 72. Diese Lösung eignet sich für die Zylinderanordnungen gemäß Fig. 3(A) und 3(B) sowie Fig. 3(C) und 3(D). In diesem Falle sollte die Verbindung 31 des schwenkbaren Ankers 3 in Axialrichtung eines Stiftes 15 beweglich sein.

Die Lösung gemäß Fig. 3(B) eignet sich für Kraftfahrzeuge der gehobenen Klasse mit einer möglichst flachen Maschine, die zahlreiche Zyliider auf­ weist, die beispielsweise in einem beengten Motorraum untergebracht wer­ den muß. In diesem Falle sind zwei Maschinen gemäß Fig. 3(A) übereinander­ gelegt. Zahnräder 1c, 1c sind auf den Ausgangswellen 1, 1b befestigt. Diese Zahnräder kämmen miteinander mit einer Phasenverschiebung von 90°, bezo­ gen auf den Maschinentakt. Es kann sich daher um eine Vier- oder Achtzylin­ dermaschine handeln, die mit geringem Platzbedarf in einem Motorraum un­ tergebracht werden kann.

Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform, die ein Kreuzge­ lenk als Mittelpunkt der Schwenkbewegung des Ankers 3 anstelle eines Ku­ gellagers 4 gemäß Fig. 1, 5 und 6 aufweist. Das Kreuzgelenk umfaßt eine Hauptachse 12 und eine Nebenachse 13, die durch Ansatz 5 abgestützt wird.

Der in diesem Falle mit 28 bezeichnete Anker nimmt ein Lager 29, in dem die Hauptachse 12 liegt, so daß der Anker 28 um die Hauptachse 12 schwenkbar ist. Betrachtet man den Schnittpunkt zwischen der Hauptachse 12 und der Nebenachse 13 als Mittelpunkt, so führt der Anker 24 die selbe exzentrische Pendelbewegung aus, wie bei Verwendung eines Kugelgelenks 4 gemäß Fig. 1, 5 und 6.

In diesem Falle ist der Kolben 8 mit dem Gelenk über den Zapfen 6 und eine Buchse 61 verbunden. Die Hauptachse 12 und das Gelenk 7 sind über ein La­ ger 71 verbunden.

Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine tonnenförmige Mehrzylindermaschine ent­ sprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Brenn­ kammern 90 nur auf einer Seite des Kolbens 8 angeordnet sind. Eine ge­ eignete Anzahl von Zylindern ist beispielsweise sieben oder neun, jedoch kommt auch eine größere Anzahl in Frage.

Wenn ein Kugelgelenk 21 als äußere Lagerfläche für den Zapfenbereich 32 verwendet wird, der in die Bohrung 13 der Ausgangswelle 1 eingeschoben ist, ist es möglich, die Störungen zu absorbieren, die sich ergeben, wenn eine Kraft auf den schwenkbaren Anker 3 ausgeübt wird, und auch Herstellungsun­ genauigkeiten auszugleichen, so daß die Berührung der inneren Oberflächen des Kugelgelenks 21 mit der zugehörigen Achse verbessert wird und die Haltbarkeit der Konstruktion erhöht wird.

Damit der schwenkbare Anker 3 gemäß Fig. 5 eine stabile Schwenkbewe­ ung ausführt, wird ein Kegelrad 16 zur Stabilisierung verwendet.

Eine weitere Möglichkeit der Stabilisierung der Schwenkbewegung des An­ kers 3 ohne Verwendung eines Kegelrades besteht gemäß Fig. 7 darin, daß ein zylindrischer Ansatz am Kopf des Kugelgelenks 72 ausgebildet wird, so daß ein zyindrischer Zahn 73 gebildet wird, der als Zahn des Zahnrades dient und einem Zahnrad mit neun Zähnen im Falle einer Neunzylinderma­ schine entspricht, während ein ringförmiger Zahnkranz 74 an einem zylin­ drischen Abschnitt 50 des Gehäuses angebracht ist, mit dem die Zähne 73 kämmen. Auf diese Weise wird die Schwenkbewegung des Ankers 3 stabili­ siert.

Ein weiteres Verfahren zur Stabilisierung der Schwenkbewegung des Ankers 3 besteht in einem Gleitstift 75, der dem zuvor erwähnten zylindrischen An­ satz entspricht und in einer Position des Kugelgelenks 72 angebracht ist, wie Fig. 8 zeigt. Eine Führung 76, die nur in Bewegungsrichtung des Kolbens 8 beweglich ist, ist an dem angesetzten Abschnitt 50 befestigt. Der Gleitstift 75 wird entlang der Führung 76 bewegt, so daß die Schwenkbewegung des An­ kers stabilisiert wird. Wenn in diesem Falle ein Gleitstück 79 mit einer fla­ chen Oberfläche, das gegen die Führung 76 anschlägt, in dem Gleitstift 75 eingesetzt ist, verbessert sich die Haltbarkeit.

Fig. 9 zeigt eine Führung 78, die weitgehend der Führung 76 gemäß Fig. 8 entspricht. Eine Gleitfläche 77 mit zylindrischer Oberfläche gleitet entlang der Führung 78 zur Stabilisierung der Schwenkbewegung.

Der Kolben 8 gemäß Fig. 5 entspricht weitgehend demjenigen herkömmli­ chen Maschinen, sofern die Kugelgelenke 62 und 72 verwendet werden zur Verbindung des Kolbens 8 - Gelenkverbindung 7 - und des schwenkbaren An­ kers 3 - Gelenkverbindung 7 -.

In Fig. 5 ist ein Ritzel 35 gezeigt, das direkt an der Ausgangswelle 1 angeord­ net ist. Ein Zahnrad 36 kämmt mit dem Ritzel 35. Ein zweites Ritzel 37, das einstückig mit dem Zahnrad 36 ausgebildet ist, kämmt mit einem zweiten Zahnrad 38.

Ein Kegelritzel 95 ist auf der Nockenwelle 94 befestigt und kämmt mit einem Kegelrad 39, das einstückig mit dem zweiten Zahnrad 38 ausgebildet ist.

Bei einer Viertaktmaschine ist es beispielsweise notwendig, die Drehzahl der Nockenwelle 94 auf die Hälfte der Drehzahl der Ausgangswelle 1 festzuset­ zen. Wenn daher das Zahnverhältnis des zweiten Ritzels 37 und des zweiten Zahnrades 38 gleich dem Zahnverhältnis des Kegelrades 39 und des Kegel­ ritzels 95 ist, kann die Drehzahl der Nockenwelle 94 auf den halben Wert ge­ setzt werden, indem das Zahnverhältnis zwischen dem Ritzel 35 und dem Zahnrad 36 mit 1 : 2 gewählt wird. Da in diesem Falle die Drehzahl des Ke­ gelrades 39 und diejenige des Kegelritzels 95 beschleunigt werden, bilden das zweite Ritzel 37 und das zweite Zahnrad 38 eine Kombination, bei der deren Drehzahl verringert wird.

Die Ausgangswelle 34 für Hilfsaggregate übernimmt eine Drehung von der Kreisbewegung, die durch die exzentrische Schwenkbewegung des Ankers 3 übertragen wird.

Da die in Fig. 5 gezeigte Maschine einfach wirkende Zylinder aufweist, läßt sich die Anbringung der Ansaug- und Auspuffleitungen besser koordinieren, so daß es möglich ist, die Gesamtgröße zu verringern. Diese Maschine eignet sich daher für Kraftfahrzeuge mit kleinem Maschinenraum.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform mit einem vereinfachten Anker 3 mit Ku­ gelgelenk 4. Bei dieser Konstruktion wird ein kugelförmiger Haltering 51, der in Fig. 5 gezeigt ist, nicht verwendet, so daß die Montage und Wartung vereinfacht wird, während das Gehäuse 11 und der schwenkbare Anker 3 mit kugelförmigen Gleitflächen gemäß Fig. 6 versehen wird, durch die verhindert wird, daß sich der Anker 3 von dem Gelenk 4 löst.

In diesem Falle wird beim Betrieb der Maschine ein Expansionsdruck, der sich durch die Verbrennung ergibt, auf den Anker 3 in Richtung des Kugelge­ lenks 4 ausgeübt, während die Kräfte in Richtung der kugelförmigen Gleitflä­ che 52 gering sind, so daß hier nicht die Gefahr eines Reibungsverlustes oder eines Verschleißes besteht.

In Verbindung mit dem Kugelgelenk 4 gemäß Fig. 1, 5 und 6 ist es wichtig, daß der Lagerbereich widerstandsfähig gegen Verformung ist und aus einem Material besteht, das nicht verschleißanfällig, sondern haltbar ist.

Beispielsweise können keramische Materialien, deren Eigenschaften ausge­ zeichnet sind, verwendet werden. Diese Materialien neigen weniger zum Nässen, unterliegen keiner Verformung und weisen geringen Verschleiß auf. Diese Eigenschaften in Verbindung mit der Zufuhr eines geeigneten Öldrucks ermöglichen die Herstellung eines Lagers, das stabil ist und eine lange Le­ bensdauer aufweist.

Es ist ebenfalls wesentlich, daß das Material, das für die Lager verwendet wird, einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist. Im Falle von Feinkera­ mik aus Siliziumkarbid gibt es ein Material, dessen Reibungskoeffizient bei etwa 0,04 liegt [siehe "Nikkei Mechanical", Nikkei BP Co. (September 18, 1989)].

Es besteht jedoch das Problem der Bruchgefahr, die einen Nachteil der fein­ keramischen Werkstoffe darstellt. Wenn zur Überwindung dieses Nachteils ein Verfahren angewendet wird, bei dem Spezialstahl mit Zähigkeit als Ma­ trix verwendet wird, während polygonale Einsatzstücke aus Feinkeramik mit einer Dicke von einigen Millimetern seitlich nebeneinander auf die Oberflä­ che der Stahlmatrix aufgebracht werden, wird nicht nur die äußere Formge­ nauigkeit verbessert und die Bearbeitungszeit verkürzt, sondern es ergibt sich ein Lager mit hohem Verschleißwiderstand und hoher Genauigkeit, bei dem die entstehenden Kanäle als Ölkanäle dienen.

Als weitere Materialien können superharte Legierungen und Spezial-Legie­ rungsstähle nach der Karbonisierung und Härtung verwendet werden. Es ist jedoch wesentlich, ein geeignetes Gegenmaterial auszuwählen.

Zur Verbindung des Gelenks 7 gibt es zwei Verfahren, die anschließend er­ läutert werden sollen.

Wenn drei oder mehr Zylinder vorgesehen sind, wie es in Fig. 3(C) und 3(D) der Fall ist, wird die äußere Verbindung 31 des schwenkbaren Ankers 3 ge­ mäß Fig. 1, 5 und 6 nicht nur in Bewegungsrichtung des Kolbens, sondern auch in die Richtung des Pfeiles k gemäß Fig. 3(C) und 3(D) geschwenkt. Es ist daher nicht möglich, eine Verbindung mit Hilfe eines Stiftes herzustellen, der lediglich zweidimensionale Bewegungen zuläßt. Daher wird das kugelför­ mige Lager oder Kugelgelenk 72 verwendet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird ein Kreuzgelenk verwendet. In diesem Falle sind die Zylinderanordnungen gemäß Fig. 3(A) und 3(B) an­ wendbar. Ein Ende 30 der Hauptachse gemäß Fig. 4 schwenkt nur in Bewe­ gungsrichtung des Kolbens 8 unter Verwendung der Nebenachse 13 als Mit­ telpunkt. Diese zweidimensionale Bewegung enthält keine Bewegung in Rich­ tung des Pfeiles j in Fig. 3(A) und 3(B). In diesem Falle ist es daher möglich, ein stiftförmiges Lager 71 zu verwenden.

Bei einer Zylinderanordnung gemäß Fig. 3(A) und 3(B) sind daher nur zweidi­ mensionale Bewegungen in einer Ebene der Schnittlinie M-N, nämlich nur in Bewegungsrichtung des Kolbens 8, so daß eine Stiftverbindung als Gelenk 7 des schwenkbaren Ankers 3 verwendet werden kann, während bei Mehrzy­ linder-Anordnungen gemäß Fig. 3C und 3D die Notwendigkeit besteht, ein Kugelgelenk anstelle des Gelenks 7 zu verwenden.

Die Zylinderanordnungen gemäß Fig. 3(A) bis 3(D) sind ausnahmslos gerad­ zahlig. Dies gilt vor allem für Zweitaktmaschinen. Bei Viertaktmaschinen da­ gegen ist es günstiger, eine ungerade Zylinderzahl zu verwenden, da in diesem Falle die Zündfolge und der Gasstrom verbessert werden.

Der Kolben 8, die Brennkammer 90, die Zündkerze 91, das Einlaß- und Aus­ laßventil 93 und die Nockenwelle (94) können in herkömmlicher Weise aus­ gebildet sein. Die Verwendung dieser Teile erhöht nicht den Brennstoffver­ brauch durch Austritt, wie im Falle von Rotationsmaschinen. Die Erfindung ist auch auf diese Maschinen und Zweitaktmaschinen anwendbar.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung soll anhand von Fig. 10 und 11 erläutert werden.

Bei der in diesen Figuren gezeigten Konstruktion ist ein Mechanismus zu Änderungen des Kompressionsverhältnisses an der Maschine angebracht, durch den das Kompressionsverhältnis erhöht wird, so daß zugleich der thermische Wirkungsgrad verbessert, die Leistung gesteigert und der Brenn­ stoffverbrauch verringert werden. Wenn andererseits bei hohem Kompres­ sionsverhältnis eine hohe Last angelegt wird, während die Maschine mit nie­ driger Drehzahl läuft, kann es zu einem Klopfen aufgrund unvollständiger Verbrennung kommen. Dadurch verringert sich die Leistung, oder die Ma­ schine wird sogar beschädigt, so daß zur Vermeidung dieser Nachteile das hohe Kompressionsverhältnis in Richtung auf ein niedrigeres Verhältnis ge­ ändert werden sollte. Die Leistung soll daher erhöht und der Brennstoffver­ brauch verringert werden, indem wahlweise von den Vorteilen eines hohen oder auch niedrigen Kompressionsverhältnisses Gebrauch gemacht wird.

In letzter Zeit sind mehrere Verfahren zur Änderung des Kompressions­ verhältnisses vorgeschlagen worden. Ein Verfahren besteht beispielsweise darin, daß eine exzentrische Buchse im größeren oder kleineren Lager einer Pleuelstange angeordnet wird und gedreht wird zur Änderung der Länge der Pleuelstange und damit des Kompressionsverhältnisses. Ein anderes Ver­ fahren besteht darin, daß ein Hydraulikzylinder im Inneren des Kolbens an­ geordnet und das Kompressionsverhältnis dadurch geändert wird, daß die Höhe des Kolbens verändert wird. Dies geschieht mit Hilfe der Größe des Verbrennungsdruckes gegen den Öldruck im Zylinder. Bei allen bekannten Verfahren ist es notwendig, für jeden Kolben einen entsprechenden Mecha­ nismus vorzusehen, so daß bei einer Mehrzylindermaschine der Stellmecha­ nismus sehr kompliziert und das Gewicht der Kolben erhöht wird. Es ist da­ her nicht möglich, hohe Drehzahlen zu erreichen.

Erfindungsgemäß reicht es aus, den Mechanismus an nur einer Position vor­ zusehen und mit diesem einen Mechanismus die gesamte mehrzylindrige Ma­ schine zu verstellen. Dies geschieht dadurch, daß der schwenkbare Anker 3 in seiner Position gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich da­ her in ausgezeichneter Weise für Maschinen, die eine Kompressionsverstel­ lung benötigen.

Fig. 10 ist ein Schnitt durch einen Teilbereich einer Brennkraftmaschine mit einfach wirkenden Kolben, bei der Kugelgelenk 4 auf eine zylindrische Achse 45 aufgeschoben ist und parallel zur Richtung der Kolbenbewegung ver­ schiebbar ist.

Das Kugelgelenk 4 ist mit einer Stange 46 verbunden, die sich gleitend durch die Mitte der hohlzylindrisch ausgebildeten Achse 45 erstreckt. Ein gleiten­ der Hydraulikkolben und die Stange 46 sind innerhalb eines Hydraulikzylin­ ders 44 verbunden. Der Hydraulikzylinder 44 wird durch einen Deckel 47 verschlossen, während Öldurchlässe 48 und 49 in Verbindung miteinander gehalten werden. Ein Zapfen des Ankers 3 liegt gleitend in einem Kugelge­ lenk 21.

Die in Fig. 10 gezeigte Position entspricht einem hohen Kompressionsver­ hältnis, bei dem Öldruck durch den Durchlaß 48 eingeleitet wird. In diesem Falle ist der Öldruck am Durchlaß 49 im wesentlichen gleich Null. Das Kugel­ gelenk 4 hat sich in eine Position bewegt, in der das Kompressionsverhältnis des Kolbens am höchsten ist.

Andererseits zeigt Fig. 11 die Position bei dem niedrigsten Kompressionsver­ hältnis. Wenn der Druck durch den Durchlaß 48 abgelassen und in den Durchlaß 49 eingelassen wird, bewegt sich der Kolben 43 zusammen mit dem Kugelgelenk 4 in die Fig. 11 gezeigte Position. Folglich wird der schwenkbare Anker 3 zusammen mit dem Gelenk 7 und dem Kolben 8 in die dargestellten Positionen gebracht, in denen ein niedriges Kompressionsver­ hältnis herrscht.

Auf diese Weise kann das Kompressionsverhältnis zwischen hohen und nie­ drigen Werten hydraulisch gesteuert werden. Die Maschinendrehzahl und die Stellung des Gaspedals, das die Drehung der Maschine steuert, sowie die Position des Kolbens werden automatisch hydraulisch entsprechend der Last gesteuert, so daß das Kompressionsverhältnis der Maschine geändert wird. Dadurch ergibt sich nicht nur eine hohe Leistung bei komfortablem Motor­ lauf, sondern der Brennstoffverbrauch wird verringert.

Da sich im übrigen die Stange 46 durch den Deckel 47 erstreckt und zur Au­ ßenseite austritt, ist es ohne weiteres möglich, das Kompressionsverhältnis auf der Basis der Bewegung der Kolbenstange zu ermitteln, da die Kolben­ stange in bezug auf den Deckel ein- und austritt.

Die Erfindung ist nicht nur auf Brennkraftmaschinen, sondern auch auf Kom­ pressoren und Vakuumpumpen anwendbar, die ein automatisches Ventil, et­ wa ein Ringventil oder eine Ventilklappe als Einlaß-/Auslaßventil 93 für den Zylinder 9 aufweisen. Da im übrigen die Anzahl der Zylinder groß ein kann, eignet sich die Erfindung auch für große, mehrstufige Hochdruckkompresso­ ren oder große Vakuumpumpen.

Die Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen.

Es handelt sich um einen Mechanismus, bei dem die herkömmliche Kurbel­ welle durch ein schwenkbares Bauteil, im vorliegenden Zusammenhang auch Anker genannt, ersetzt wird. Dieses Bauteil führt nur eine Schwenk- oder Pendelbewegung durch, ohne daß eine Drehbewegung auftritt, sofern von der Ausgangswelle abgesehen wird.

Die wesentlichen Vorteile sind wie folgt:

• 1. Die zusätzliche Montage eines Stellmechanismus zur Veränderung des Kompressionsverhältnisses ist einfach. Auf diese Weise lassen sich die Lei­ stung erhöhen und der Brennstoffverbrauch verringern.
• 2. Da nur wenige drehbare oder gleitende Lagerteile vorhanden sind, sind die Reibungsverluste gering. Der mechanische Wirkungsgrad wird erhöht. Der Brennstoffverbrauch wird verringert.
• 3. Da auf den Kolben nur ein geringer seitlicher Druck ausgeübt wird, gibt es auch insoweit keine Reibungsverluste. Der Kolbenverschleiß ist gering.
• 4. Die Größe und das Gewicht der Maschine werden verringert.
• 5. Die Montage und Demontage der Maschine ist einfach.

Claims (21)

1. Kurbellose Kraft- oder Arbeitsmaschine, mit einem Kolben (8), der in einem Zylinder (9) hin- und hergeht, gekennzeichnet durch einen schwenkbaren oder pendelnden Anker (3) mit sich ändernder Schwenkach­ se, der einen zapfenförmigen Bereich (22) und eine äußere Verbindung (31) umfaßt, welcher Kolben (8) mit der äußeren Verbindung (31) über ein Ge­ lenk (7, 72) in Verbindung steht und welcher Zapfen (22) schwenkbar und kippbar mit einer drehbaren Welle (10) verbunden ist, derart, daß die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens und die Drehbewegung der Welle (10) miteinander gekoppelt sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (9) mit einem Zylinderkopf (92) versehen ist, der eine Zündkerze (91) und einen Einlaß-/Auslaß-Ventilmechanismus für eine Verwendung als Brenn­ kraftmaschine enthält.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (9) mit einer Einlaß- und Auslaßleitung für einen Betrieb als Druckerzeu­ gungs- oder Reduziermaschine verbunden ist, bei der die Drehbewegung der Welle (11) den Kolben (8) bewegt.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) mit einem Ansatz (5) innerhalb eines Gehäuses (11) über ein Kugelgelenk (4) verbunden ist.

5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) mit einem Ansatz (5) innerhalb des Gehäuses über ein Kreuzgelenk (4) ver­ bunden ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (31) und der Kolben (8) über ein stiftförmiges Lager verbunden sind.

7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Ausgleichsgewicht an einem Ende der drehbaren Welle (10) gegenüber dem Zapfen (6) angeordnet ist.

8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine gesonderte Ausgangswelle für Nebenaggregate, die mit einem sich drehenden Teil des Ankers (3) verbunden ist.

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gelenk (31) ein Gleitstück und eine Gleitbohrung (14, 81) umfaßt, die mit der Verbindung (31) über eine Achse verbunden sind.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Verbindung (31) zwischen dem Anker (3) und dem Kolben (8) über ein Kugelgelenk erfolgt.

11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Zylinder (9) und Kolben (8) auf gegenüberliegenden Seiten des schwenkbaren Ankers (3) vorgesehen sind.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinder und Kolben (9, 8) auf nur einer Seite des schwenkbaren An­ kers (3) vorgesehen sind.

13. Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder (9) um den Anker (3) herum angeordnet sind.

14. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Mehrzylinder-Maschinen mit gemeinsamer Welle ne­ beneinanderliegend angeordnet sind, und daß Zahnräder auf den drehbaren Wellen miteinander phasenversetzt in bezug auf die Arbeitszyklen kämmen.

15. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vordere Ende des Zapfen (6) mit der drehbaren Welle (10) über ein Kugelgelenk verbunden ist.

16. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mechanismus zur Stabilisierung der Schwenkbewegung des An­ kers (3).

17. Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabili­ sierungsmechanismus ein Kegelrad (16) auf der Rückseite des Ankers (3) ge­ genüber dem Zapfen (6) und ein weiteres, im Gehäuse angebrachtes Kegel­ rad, das mit dem ersten Kegelrad kämmt, umfaßt.

18. Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabili­ sierungsmechanismus ein Stirnzahnrad umfaßt, das am vorderen Ende der äußeren Verbindung (31) des Ankers (3) vorgesehen ist und mit einem Zahn­ rad im Gehäuse kämmt.

19. Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabili­ sierungsmechanismus einen Gleitstift (73), der am vorderen Ende der äuße­ ren Verbindung (31) des Ankers (3) vorgesehen ist, und eine im Gehäuse an­ geordnete Führung umfaßt, die einen Schlitz zum Führen des Stiftes aufweist.

20. Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabili­ sierungsmechanismus eine Gleitfläche an der äußeren Verbindung (31) des Ankers (3) und eine Führung im Gehäuse zum Führen der Gleitfläche wäh­ rend des Anschlagens an die Gleitfläche umfaßt.

21. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mechanismus zur Änderung des Kompressionsverhältnisses in dem Zylinder (9), der eine in den kugelförmigen Bereich eines Kugelgelenks (4) vorspringenden Stift (46) und eine Gelenkkugel, in die der Stift ver­ schiebbar eintritt, umfaßt, und daß das Ende des Stiftes gegenüber dem in die Gelenkkugel eintretenden Bereich mit einem hydraulischen Kolben (43) verbunden ist, der durch Öldruck verschiebbar ist.