Als Treibgaserzeuger dienende Brennkraftmaschine Es sind Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen die hochgespannten und auf hohe Temperatur ge brachten Treibgase in einer Expansionsmaschine, bei spielsweise einer Heissgasturbine, zur Arbeitsleistung verwendet werden. Bei derartigen Anlagen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Treibgase mit möglichst hohem Wirkungsgrad erzeugt und der Expansionsmaschine zugeführt werden. Die Ein richtungen, die zur Druckerhöhung und zur Tem peratursteigerung der Gase dienen, werden allgemein als Treibgaserzeuger bezeichnet.
Die bekannteste Ein richtung dieser Art besteht darin, in einem Verdichter Gase zu verdichten und diese in einer nachgeschal teten Brennkammer auf hohe Temperatur zu bringen. Als besonders zweckmässige Maschine hat sich bisher die Verwendung eines Freikolbenverdichters erwiesen. Der Nachteil dieser Maschine besteht vor allem in der niedrigen Hubzahl und in der unverhältnismässig grossen und schweren Bauart.
Es ist auch bekannt, Brennkraftmaschinen Abgas turbinen nachzuschalten. Damit wird zwar ein Teil der in den Abgasen enthaltenen Energie weiter aus genützt, jedoch verbleibt infolge des gegen den Gegen druck der Turbinen erfolgenden Ausschiebens der Verbrennungsgase ein Teil dieser Verbrennungsgase in der Brennkraftmaschine, dessen Energie somit nicht vollständig ausgenützt wird und der sich ausser dem mit den neu angesaugten Frischgasen vermischt und damit die Füllung beeinträchtigt.
Durch die Erfindung wird eine als Treibgaserzeu- ger dienende Brennkraftmaschine, deren hochge spannte Abgase zur weiteren Arbeitsleistung, bei spielsweise in einer Expansionsmaschine, verwendet werden, vorgeschlagen, die sich durch die im Ver hältnis zu einer Freikolbenmaschine sehr kleine Bau weise und einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
Erfindungsgemäss ist die Brennkraftmaschine als Rotationskolbenmotor ausgebildet, der ein feststehen des oder rotierendes Gehäuse mit im Querschnitt mindestens drei Bogen aufweisender Innenkontur be sitzt, in welchem exzentrisch ein Läufer drehbar an geordnet ist, der eine die Anzahl der Bogen um 1 übersteigende Anzahl von zahnartigen Vorsprüngen aufweist, die mit achsparallelen Firstlinien an der mehrbogigen Innenkontur des Gehäuses entlangglei- ten, wodurch mindestens vier Arbeitsräume wech selnden Volumens gebildet werden,
wobei im Ge häuse mindestens je eine Einlassöffnung für Frisch gase, eine Auslassöffnung für die hochgespannten Abgase und eine Ausschuböffnung für die entspann ten Restgase vorgesehen ist.
In einer derartigen Maschine spielen sich in jeder Arbeitskammer folgende sechs Takte ab: 1. Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemisches 2. Verdichten 3. Expandieren und Arbeitsabgabe 4. Ausschieben der hochgespannten Abgase 5. Nachexpansion der Restgase 6. Ausschieben der Abgasreste.
Während die bisher vorzugsweise zur Treibgas erzeugung verwendeten Freikolbenmaschinen im Zweitakt arbeiten und Leistung nur in Form der hochgespannten Treibgase abgeben, wird bei dem erfindungsgemässen Treibgaserzeuger nicht nur Treib gas erzeugt, sondern es kann auch noch Leistung von der Welle der Brennkraftmaschine abgenommen und für beliebige Zwecke, beispielsweise für den Antrieb eines Verdichters, verwendet werden.
Da durch, dass die Restgase im fünften Arbeitstakt nochmals expandieren können, wird eine zusätzliche Energieausnützung erzielt und es werden Rückwir- kungen auf den Ansaugvorgang durch den Gegen- druck der Expansionsmaschine vermieden, so dass eine schädliche Vermischung von restlichen Ver brennungsgasen mit Frischgasen nicht eintreten kann.
Es sei erwähnt, dass Rotationskolbenmotoren mit einem Gehäuse mit im Querschnitt drei Bogen auf weisender Innenkontur und mit exzentrisch in die sem Gehäuse gelagertem Läufer mit zahnartigen Vorsprüngen bekannt sind. Neu ist jedoch die Aus gestaltung eines solchen Motors in der Weise, dass er als Treibgaserzeuger mit gutem Wirkungsgrad verwendbar ist.
Als besonders zweckmässig hat sich für die Quer schnittsform des Gehäuses des Rotationskolben motors die Gestalt einer drei- oder sechsbogigen Epitrochoide oder einer äusseren Parallelkurve hiezu erwiesen.
In der Zeichnung sind einige Ausführungs beispiele der Erfindung im Prinzip dargestellt. Es zeigen: Fig. 1-12 Stellungsbilder, in denen der 6-Takt- Vorgang in einer Kreiskolben-Brennkraftmaschine mit vier Arbeitsräumen dargestellt wird, die sich bei der Relativbewegung eines Läufers mit vier zahn artigen Vorsprüngen in einem Gehäuse in Form einer dreibogigen Epitrochoide ergeben,
Fig. 13 einen Längsschnitt gemäss Linie 13-13 in Fig. 15 durch einen mit einem Drehkolben kompressor gekoppelten Kreiskolben-Verbrennungs- motor, dessen Gehäuse feststeht und einen Quer schnitt in Form einer dreibogigen Epitrochoide be sitzt,
Fig. 14 einen Querschnitt gemäss Linie 14-14 in Fig. 13 und Fig. 15 in seiner linken Hälfte einen Querschnitt gemäss Linie 15a-15a und in seiner rechten Hälfte einen Querschnitt gemäss Linie 15b-15b in Fig. 13, Fig. 16 einen schematischen Querschnitt durch einen Drehkolben-Verbrennungsmotor, dessen rotie rendes Gehäuse im Querschnitt die Form einer sechsbogigen Epitrochoide aufweist und Fig. 17 einen Längsschnitt durch einen Dreh kolben-Verbrennungsmotor,
dessen Läuferformen der schematischen Darstellung der Fig. 16 entsprechen, wobei die linke Seitenscheibe 1b des Gehäuses um 90 verdreht dargestellt ist.
In Fig. 1-12 sind zur Veranschaulichung des 6- Takt-Arbeitsverfahrens mehrere Phasen einer Kreis kolbenmaschine mit einem feststehenden Gehäuse in Form einer dreibogigen Epitrochoide und einem Läufer, dessen Kontur der inneren Hüllkurve dieser Epitrochoide angenähert ist, dargestellt. Dabei führt der Läufer auf einem Exzenter eine planetenartig kreisende Bewegung aus, wobei das Drehzahlver hältnis zwischen der Exzenterwelle und dem Läufer 4: 1 beträgt.
Bei kinematischer Umkehr, das heisst, wenn das Gehäuse rotiert, und zwar im gleichen Drehsinn wie der Läufer, jedoch mit einer im Ver hältnis 4:3 höheren Drehzahl, ändern sich gegen über dieser Darstellung weder die Volumenverhält- nisse noch die Steuerzeiten für die einzelnen Arbeits- kammern, so dass der in folgendem anhand der Zeichnungen beschriebene Gaswechselvorgang so wohl für einen Motor mit stehendem als auch für einen mit umlaufendem Gehäuse Gültigkeit hat.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, bildet das mit 1 be zeichnete Gehäuse mit dem Läufer 2 vier volumen veränderliche Arbeitsräume VJ, V2, V3 und V4, wo bei die Abdichtung zwischen den Arbeitsräumen durch im Läufer 2 angeordnete achsparallele Dicht leisten 3 erfolgt, die an der trochoidenförmigen Kon tur des Gehäuses 1 ständig entlanggleiten. Die Ein lassöffnung für das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist mit 4,
die Auslassöffnung für die hochgespannten Abgase mit 5 und die Ausschuböffnung für die entspannten Restgase mit 6 bezeichnet.
In der folgenden Beschreibung soll das Verhalten des in Fig. 1 untenliegenden Arbeitsraumes V1 be trachtet werden. Dieser Arbeitsraum besitzt bei der in Fig. 1 dargestellten Lage seinen Kleinstwert und entspricht damit einer Kolbenstellung oberer Tot punkt . In dieser Stellung erfolgt die Zündung, die durch den Pfeil 7 angedeutet ist.
In den Stellungen gemäss Fig. 2 bis 7 findet eine ständige Vergrösserung des Raumes V1 statt, bis in Fig. 8 das Auslassfenster 5 für die hochgespannten Abgase öffnet und die auf den gewünschten Druck abgesunkenen Verbren nungsgase abströmen können, um beispielsweise einer Expansionsmaschine zugeführt zu werden.
In Fig. 9, 10 und 11 ist die Auslassöffnung 5 in voller Grösse geöffnet. Ab Fig. 12 beginnt bei ab nehmender Volumengrösse ein allmähliches Schliessen der Auslassöffnung 5. Im Anschluss an Fig. 12 kommt der Raum V1 in die Stellung des Raumes V4 in Fig. 1. In der Stellung gemäss Fig. 5 hat der Raum V4 wie derum seinen Kleinstwert angenommen und die Aus lassöffnung 5 ist abgeschlossen.
Bei der anschliessen den Vergrösserung des Raumes V4, die sich bis zu Fig.10 erstreckt, findet eine Expansion des im Kompressionsraum eingeschlossenen Restgases statt. In der Stellung gemäss Fig. 11 wird die Ausschub- öffnung 6 durch die Läuferkontur freigegeben, so dass nunmehr ein Ausschieben aus dem Raum V4 ins Freie stattfinden kann. Im Anschluss an Fig. 12 kommt nun der verfolgte Raum in die Stellung des Raumes V., in Fig. 1.
Während der Stellungen bis Fig. 9 verkleinert sich der Raum V3, während der eingeschlossene Abgasrest durch die geöffnete Aus schuböffnung 6 ausströmen kann.
Beginnend mit der Stellung gemäss Fig. 10 erfolgt ein Ansaugen von Frischgas durch die Einlassöffnung 4 in den nun wieder anwachsenden Arbeitsraum V.. Der Ansaugvorgang endet bei der in Fig. 7 wieder gegebenen Lage für den nunmehrigen Raum V.. Die ser Raum ist nun mit Frischgas gefüllt, das in den Phasen gemäss Fig. 8 bis 12 komprimiert wird, wo nach in der anschliessenden Stellung, die derjenigen des Raumes V1 in Fig. 1 entspricht, erneut die Zün dung erfolgt. Anschliessend wiederholt sich das be schriebene Arbeitsspiel.
Die in Fig. 13 bis 15 dargestellte Anordnung zeigt einen Treibgaserzeuger, der aus einer Kreis- kolben-Brennkraftmaschine und einem Kompressor besteht. Dabei arbeitet die Kreiskolben-Brennkraft- maschine in der vorher anhand der 'Stellungsbilder beschriebenen Weise, während der Kompressor als Drehkolbenverdichter ausgeführt ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschine als Kreiskolbenverbrennungs- motor ausgebildet, das heisst das Gehäuse ist fest stehend, während der Läufer eine planetenartig krei sende Bewegung ausführt. Das feststehende Gehäuse 1' besteht aus den beiden Seitenscheiben la und 1b sowie einem Mantelteil 1c. Die Seitenscheibe 1b ent hält den Einlasskanal 5a, an den der Vergaser 51 an geschlossen ist und der in das Steuerfenster 4 ein mündet. Zentrisch zum Gehäuse 1' ist eine Exzenter welle 52 bei 56, 90 gelagert, um deren Exzenter zapfen 53 der Läufer 2' eine Drehbewegung ausführt.
Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Läufer 2' und dem Exzenterzapfen 53 wird durch ein innen verzahntes Rad 55 und ein mit der Seitenscheibe la fest verbundenes aussenverzahntes Rad 56' bestimmt. In dem dargestellten Beispiel beträgt das übersetzungs- verhältnis des Getriebes 3 : 4, wodurch sich ein Dreh zahlverhältnis von 1 : 4 zwischen dem Läufer 2' und der Exzenterwelle 52 ergibt.
In der Seitenscheibe la ist der Ausschubkanal 57, der versetzt dargestellt ist, und der Ausströmkanal 58 für das hochgespannte Abgas angeordnet. Der Ausschubkanal 57 mündet in die Ausschuböffnung 6, der Auslasskanal 58 in die Auslassöffnung 5. Sowohl der Gehäusemantel 1c als auch die Seitenscheiben la und 1b enthalten Kühlwasserräume 59, die besonders den Abgaskanal 58 umschliessen. Mit 80 ist die Zünd kerze bezeichnet.
Die Lage der Steuerfenster in der Seitenscheibe la ist im Querschnitt in Fig. 15 zu erkennen. Das Einlassfenster 4 wird in der dargestellten Phase des Läufers abgedeckt. Das Auslassfenster 5 dient zur Abfuhr der hochgespannten Abgase, die zur weiteren Arbeitsleistung beispielsweise einer Expansions maschine zugeführt werden. Die noch verbliebenen Restgase können durch das Ausschubfenster 6 in den Ausströmkanal 57 entweichen.
Zur Erhöhung des Abgasdurchsatzes und zur Verringerung der Temperatur ist mit dem Verbren nungsmotor ein Drehkolbenkompressor vereinigt, der aus einer feststehenden Steuerwalze 60, einem rotie renden Innenläufer 61 und einem exzentrisch hierzu gelagerten und mit doppelter Drehzahl im gleichen Drehsinn umlaufenden Aussenläufer 62 besteht.
Mit 63 ist das den Drehkolbenverdichter und das Zwi schengetriebe 64, 65 aufnehmende Gehäuse bezeich net. über dieses Zwischengetriebe 64, 65 wird der Innenläufer 61 des Drehkolbenkompressors und durch das Zwischengetriebe 66, 67 der Aussenläufer 62 des Drehkolbenkompressors von der Exzenterwelle 52 des Verbrennungsmotors angetrieben. Die Luft wird von dem Kompressor durch die Bohrung 68 in der feststehenden Steuerwalze 60 an gesaugt und gelangt durch Kanäle 73 in den Arbeits raum 74, der sich zwischen dem Innenläufer 61 und dem Aussenläufer 62 bildet.
Dabei hat die Innen kontur 72 des Aussenläufers 62 die Form einer Konchoide, während die Aussenkontur des Innen läufers 61 der bei der Relativbewegung des Aussen läufers entstehenden Hüllkurve entspricht. Bei der relativen Drehung von Innenläufer und Aussenläufer werden die Arbeitsräume 74, 75 in ihrem Volumen verändert, und die dabei komprimierte Luft kann durch den in der feststehenden Steuerwalze 60 an geordneten Kanal 69 weitergeleitet werden bis zur Einlassöffnung 69a in der Seitenscheibe 1b des Ver brennungsmotors.
Diese Öffnung 69a liegt annähernd dem Auslassfenster 5 der Brennkraftmaschine gegen über. In dem Ausführungsbeispiel ist das Arbeits volumen des Dreikolbenkompressors doppelt so gross gewählt wie das Arbeitsvolumen der Brennkraft- maschine.
Von der Exzenterwelle 52 kann durch ein Ge triebe 76, 77 die Leistung an eine Welle 78 ab gegeben werden und, beispielsweise zusammen mit der Leistung einer nachgeschalteten Expansions maschine, ausgenutzt werden. Mit 91, 92 und 93 sind Gehäuseteile bezeichnet.
In Fig. 16 ist schematisch ein Drehkolbenverbren- nungsmotor mit einem Aussenläufer in Form einer sechsbogigen Epitrochoide und einem an die innere Hüllkurve dieser Epitrochoide angenäherten sieben- zahnigen Innenläufer dargestellt. Dabei sind die glei chen Bezugszeichen verwendet wie bei der in Fig. 1 dargestellten Maschine.
Unterschiedlich zu der in Fig.1 bis 12 dargestellten Maschine werden hierbei sieben Arbeitsräume gebildet, und es sind jeweils zwei Ein lassöffnungen 4, zwei Auslassöffnungen 5 für die hoch gespannten Abgase sowie zwei Ausschuböffnungen 6 für die Restgase vorgesehen. Es erfolgt auch die Zündung an zwei Punkten 7.
In Fig. 17 ist der als Treibgaserzeuger dienende Drehkolben-Verbrennungsmotor entsprechend Fig. 16 im Längsschnitt in einer konstruktiven Ausführung gezeigt. Dabei ist das in diesem Fall rotierende Ge häuse 1 aus den Seitenscheiben la und 1b sowie dem Mantel 1c gebildet. Das Gehäuse 1 ist über Lager 11 in einem Ständer 8 gelagert und umgibt den Innen läufer 2, dessen Lagerung im Ständer 8 bei 12, 13, 14 zu erkennen ist. Mit Ml ist wiederum die Dreh achse des Gehäuses, mit M2 die Drehachse des Läu fers 2 bezeichnet, wobei die Exzentrizität e besteht.
Das erforderliche Drehzahlverhältnis von 6:7 zwi schen Läufer und Gehäuse wird durch ein Getriebe 15 erzwungen.
Das durch den Vergaser 10, der durch eine Lei tung 9 mit dem Ständer 8 verbunden ist, angesaugte Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt über einen Ringkanal 16 in die Einlasskanäle 17 und von hier aus durch die Einlassöffnungen 4 in die Arbeitsräume 18, die sich beim Umlauf der Maschine bilden. Bei 5 kön- neu die hochgespannten Abgase in die zur Mitte des Gehäuses 1 zurückführenden Druckleitungen 19 ab strömen, welche sich in einem Kanal 20 vereinigen,
der in den Teilen 8a und 8b des Ständers 8 angeord net ist und dessen Mittelachse etwa mit der Achse rrh des rotierenden Gehäuses 1 zusammenfällt. Der Auslass der Restgase erfolgt durch die Fenster 6 im Mantel 1e des Gehäuses 1 in radialer Richtung. Diese in Fig. 16 und 17 dargestellte Maschine kann natur gemäss ebenso wie die Maschine gemäss Fig. 13-15 mit einem Kompressor beliebiger Bauart gekoppelt werden.