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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit
zwei Schwenkkolben, die in einem Prozessraum zueinander gegenläufig verschwenkbar
an zwei zueinander parallelen Kolbenwellen angeordnet sind und zwei
Brennräume
innerhalb des Prozessraumes voneinander abtrennen.
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Das
Prinzip eines zweiflügeligen
Schwenkkolbenmotors mit gegenläufigen
Kolben und einer Kraftübertragung
auf einen gemeinsamen Pleuel ist bekannt. Beispielsweise ist aus
der
DE 18 13 107 ein Schwenkkolbenmotor
mit zwei Brennkammern bekannt, die durch zwei innerhalb des Gehäuses drehverschwenkbar
gelagerte Rotoren voneinander getrennt sind. An dem Motor sind Einrichtungen
vorgesehen, die das Einströmen
von Brennstoff und Luft in die Verbrennungsbereiche in entsprechender
zeitlicher Abstimmung mit der hin- und hergehenden Drehverschwenkung
der Rotoren steuern und das Brennstoff- und Luftgemisch innerhalb
des Verbrennungsbereichs zünden.
Eine Abgasöffnung
ist im Verbrennungsbereich ausgebildet.
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Die
einzelnen Rotoren sind jeweils an einer Welle gehalten, die durch Öffnungen
außerhalb
des Brennraumes hindurchgeführt
und an ihren Enden in Lagern drehbar gelagert sind. An einem Ende
sind Wellenzahnräder
befestigt, die derart ineinander greifen, dass durch sie gewährleistet
wird, dass die Rotoren derart synchron zusammengeschaltet sind, dass
sie sich jeweils in zueinander entgegengesetzten Winkelrichtungen
verdrehen. Die Antriebskraft wird bei diesem Motor in Form eines
Strahlantriebs erzeugt.
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Die
DE 19 47 406 beschreibt
ein Arbeitsverfahren und ein Schwenkkolbentriebwerk. Bei diesem Schwenk-
bzw. Schwingkolbentriebwerk ist wenigstens ein in einem Arbeitsgehäuse angeordnetes Schwingkolbenpaar
vorgesehen, bei dem jeder Schwingkolben kraftschlüssig mit
je einer axial verlaufenden und beidseitig axial in den Seitengehäusen gelagerten
Schwingkolbenwelle verbunden ist. Die Schwingkolbenwellen erstrecken
sich wenigstens auf einer Seite außerhalb des Seitengehäuses und
sind mit Zahnantriebsmitteln ausgestattet, die im Verhältnis von
1:1 miteinander im gleichen Achsabstand zwangsläufig gekoppelt sind, wobei
ein auf einer dieser Schwingkolbenachsen angebrachter Schwinghebel über eine
Pleuelstange mit einem Kurbelzapfen einer Kurbelwelle kraftschlüssig zur
Arbeitsübertragung
verbunden ist. Jeder der zugeordneten Schwingkolben eines Schwingkolbenpaares schwingt
pro Arbeitszug abwechselnd von- und zueinander allseitig reibungslos,
so dass volumetrisch verändernde
Arbeitsräume
zwischen den Arbeitsflächen
der Schwingkolben gebildet werden. Wesentlich ist, dass die erzeugte
Gesamtkraft aller Schwingkolben durch ihre Verkopplung über die
Zahnräder mittels
eines einzigen Schwinghebels, welcher mit der Schwingkolbenachse
der Schwingkolbenkraft schlüssig
verbunden ist, über
die Pleuelstange auf den Kurbelzapfen der Kurbelwelle übertragen
wird.
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Aufgrund
immer knapper werdender Ressourcen fossiler Brennstoffe und die
Verminderung der Umweltbelastungen durch Abgase ist die Einsparung
von Brennstoff ein vornehmliches Ziel bei der Entwicklung zukünftiger
Brennkraftmaschinen.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Verbrennungskraftmaschine mit einem verbesserten Wirkungsgrad
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei
der Verbrennungskraftmaschine der eingangs beschriebenen Art ist
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Prozessraum durch eine Wandung in der Form zweier teilweise
ineinander übergehender
balliger Abschnitte definiert ist, durch deren Mittelpunkte eine
Schwenkachse von jeweils einem der Schwenkkolben verläuft, die
Schwenkkolben derart ausgebildet sind, dass die zu der Wandung des
Prozessraumes weisenden Randflächen
der Schwenkkolben an der Wandung entlang gleitend abdichten, und
in der Wandung des Prozessraumes in einem der beiden Abschnitte
mehrere polygonale Gaseinlassöffnungen
in einer Ebene mit den Schwenkachsen und in dem anderen Abschnitt
mehrere polygonale Gasauslassöffnungen
vorgesehen sind, die den Gaseinlassöffnungen gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Zur
Schadstoffverminderung und Kraftstoffeinsparung muss eine Verbrennungskraftmaschine
einen größtmöglichen
Wirkungsgrad aufweisen. Durch eine Maximierung des Hubraum-Hubraumoberflächenverhältnisses,
also um tendenziell bei zunehmendem Hubraum eine geringere Zunahme
der Oberfläche
zu verwirklichen, wird der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine
erhöht.
Die Maximierung des Hubraum-Hubraumoberflächenverhältnisses führt in letzter Konsequenz zu
einer Anstrebung eines kugelförmigen
Prozessraumes. Erfindungsgemäß wird der
Prozessraum durch zwei ballige Abschnitte definiert. Mit einem balligen
Abschnitt wird ein Teil eines Rotationskörpers bezeichnet. Die balligen
Abschnitte, bevorzugt Kugelabschnitte, gehen teilweise ineinander über und
durch deren Mittelpunkte verläuft
jeweils eine der Schwenkachsen für die
Schwenkkolben.
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Durch
die jeweils nebeneinander vorgesehenen polygonalen, beispielsweise
viereckigen, Gasöffnungen
wird ein für
die Spülung
in kurzer Zeit ausreichender Öffnungsquerschnitt
erreicht. Durch die gegenüberliegende
Anordnung von den Gaseinlassöffnungen
und den Gasauslassöffnungen
erfolgt die Motorspülung
bzw. der Gaswechsel in einer Gleichströmung. Dies führt zu einer
deutlich vergrößerten effektiven
Spülzeit
als bei herkömmlichen
Zweitaktmotoren mit dem Prinzip einer Umkehrspülung.
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Bevorzugt
sind bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
in dem Bereich, in dem die beiden Kugelabschnitte aneinandergrenzen,
für die
beiden Brenn räume
jeweils mindestens eine Einspritzvorrichtung für Kraftstoff und mindestens
eine Zündvorrichtung
in der Wandung des Prozessraumes angeordnet.
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Um
den Spülvorgang
zu optimieren, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
vorgesehen, dass die Gaseinlassöffnungen
und die Gasauslassöffnungen
in Schwenkrichtung unterschiedlich groß sind.
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In
vorteilhafter Weise ist bei einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
vorgesehen, dass die Schwenkkolben mit einer Kurbelwelle über Kopplungselemente
gekoppelt sind, die derart ausgebildet sind, dass der Schwenkkolben
in dem gasauslassseitigen Kugelabschnitt gegenüber dem Schwenkkolben in dem
gaseinlassseitigen Kugelabschnitt bei der Schwenkbewegung vorläuft. Hierdurch
wird bewirkt, dass die Gasauslassöffnungen nach dem Zünd- und
Verbrennungsvorgang stets zuerst sich öffnen. Gleichzeitig wird für die andere Brennkammer
der Gasauslass bereits verschlossen, während weiterhin Frischluft
durch die Gaseinlassöffnungen
einströmen
kann und zur Vorbereitung des nächsten
Zünd- und
Verbrennungsvorgangs durch den Luftdruck der Frischluftzufuhr bereits
komprimiert wird.
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Bevorzugt
sind die Kolbenwellen voneinander beabstandet angeordnet und zwischen
den Kolbenwellen parallel zu diesen ist ein Distanzelement vorgesehen,
um die beiden Brennräume
voneinander zu trennen.
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Bevorzugt
sind das Distanzelement und die Schwenkkolben derart formschlüssig zueinander ausgebildet,
dass zwischen den radial inneren Bereichen der Schwenkkolben und
dem Distanzelement bei der Schwenkbewegung alternierend sich öffnende
bzw. schließende
Quetschschlitze gebildet sind.
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Zur
Aufladung der Frischluft ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schwenkkolben über die
Kolbenwellen ferner mit jeweils einem Laderkolben gekoppelt sind,
die im gleichen Takt wie die Schwenkkolben verschwenken und ausgebildet
sind, durch die Schwenkbewegung Luft aus einem Luftkanal anzusaugen
und komprimiert in Richtung der Gaseinlassöffnungen abzugeben.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren beispielhaft näher
erläutert,
in denen:
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1 – eine Skizze
eines Prozessgehäuses einer
erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
in einer Querschnittsdarstellung zeigt;
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2 – eine Querschnittsdarstellung
des Prozessgehäuses
aus 1 entlang der Linie I-I zeigt;
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3 – eine Querschnittsdarstellung
des Prozessgehäuses
aus 1 entlang der Linie II-II zeigt;
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4 – eine Detailansicht
einer einstellbaren Schlitzöffnung
zeigt; und
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5 – eine Querschnittsdarstellung
des Ladergehäuses
aus 3 entlang der Linien III-III und IV-IV zeigt.
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In
der 1 ist ein Prozessgehäuse 1 in einer Querschnittsdarstellung
skizziert, das einen Prozessraum 2 definiert. Der Prozessraum 2 wird
von einer Wandung umschlossen, die im Wesentlichen durch zwei Kugelabschnitte 3 und 4 gebildet
wird. Die Kugelabschnitte 3 und 4 grenzen aneinander
und gehen zumindest bereichsweise ineinander über. Die Grenzlinie zwischen
den Kugelabschnitten 3 und 4 verläuft entlang
der Linie I-I.
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In
dem Prozessraum 2 sind zwei Schwenkkolben 5 und 6 jeweils
an einer Kolbenwelle 7 und 8 angeordnet. Die Kolbenwelle 7 verläuft durch
den Mittelpunkt des Kugelabschnittes 3 und die Kolbenwelle 8 verläuft durch
den Mittelpunkt des Kugelabschnittes 4. Die Kolbenwellen 7 und 8 sind
ferner parallel zueinander und in der Darstellung der 1 senkrecht
zu der Zeichnungsebene angeordnet. Die Schwenkkolben 5 und 6 weisen
nach radial außen weisend
eine zu der Wandung der Kugel abschnitte 3 und 4 komplementäre Form
auf, so dass sie relativ reibungsfrei und abdichtend an der Wandung
entlang gleiten können.
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Die
Kolbenwellen 7 und 8 sind in geeigneten Lagern
(nicht dargestellt) in dem Prozessgehäuse 1 gelagert und
ragen seitlich aus dem Prozessraum 2 heraus. Die Kolbenwellen 7 und 8 ragen
an einer Seite in ein Kurbelgehäuse
(nicht dargestellt) hinein, um mit einer geeigneten mechanischen
Konstruktion die oszillierende Schwenkbewegung der Schwenkkolben 5 und 6 auf
ein Pleuel und eine Kurbelwelle zu übertragen.
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Zwischen
den Kolbenwellen 7 und 8 befindet sich ein Distanzelement 9,
so dass innerhalb des Prozessraumes 2 zwei Brennräume 10 und 11 durch das
Distanzelement 9, die Kolbenwellen 7 und 8 und die
Schwenkkolben 5 und 6 voneinander abgetrennt sind.
Aufgrund der gewählten
Darstellung in der 1 wird der Brennraum 10 auch
als oberer Brennraum und der Brennraum 11 entsprechend
als unterer Brennraum bezeichnet. Das Distanzelement 9 ist zu
den beiden Brennräumen 10 und 11 jeweils
konvex und zu den beiden Kolbenwellen 7 und 8 jeweils konkav
geformt. Die Schwenkkolben 5 und 6 sind in den
zu dem Kolbenwellen 7 bzw. 8 weisenden bzw. radial
inneren Bereichen zu der konvexen Form des Distanzelementes 9 komplementär bzw. formschlüssig ausgebildet.
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Durch
diese Ausgestaltung werden in jedem der beiden Brennräume 10 und 11 zwischen
den Schwenkkolben 5 und 6 und dem Distanzelement 9 jeweils
zwei Quetschschlitze 12 gebildet, die sich entsprechend
der Schwenkbewegung der beiden Schwenkkolben 5 und 6 alternierend öffnen und schließen. Bei
dem Schließvorgang,
kurz bevor die Schwenkkolben 5 und 6 einen Totpunkt
erreichen, wird das sich dort befindende Kraftstoff/Luft-Gemisch aus
den Quetschschlitzen 12 in die Brennräume 10 bzw. 11 heraus
gestoßen,
wodurch eine Verwirbelung erzeugt wird, die eine bessere und homogenere Vermischung
des Kraftstoff/Luft-Gemisches zu Folge hat.
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Die
den Brennkammern 10 und 11 zugewandten Seitenflächen der
Schwenkkolben 5 und 6 sind bevorzugt nicht planar
geformt, sondern sie sind in dem radial äußeren Bereich jeweils konkav
ausgebildet. In den jeweiligen Totpunkten der Schwenkbe wegung werden
dann Brennkammern 10 und 11 mit jeweils einer
möglichst
kugelförmigen,
zumindest jedoch einer muschelförmigen
Ausgestaltung realisiert.
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In
den Brennräumen 10 und 11 sind
jeweils mindestens eine Zündeinrichtung 13 und 14 und
eine Einspritzvorrichtung 15 und 16 vorgesehen.
So verfügt
jeder der beiden Brennräume 10 und 11 über jeweils
eine zugeordnete Zündeinrichtung 13 und 14, beispielsweise
eine übliche
Zündkerze,
und eine Einspritzvorrichtung 15 und 16 für den Kraftstoff,
beispielsweise eine übliche
Kraftstoff-Einspritzdüse.
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In
dem Kugelabschnitt 3 sind in der Ebene der beiden Kolbenwellen 7 und 8 mehrere
polygonale Gaseinlassöffnungen 17 in
der Wandung des Prozessraumes 2 vorgesehen, von denen zwei
in der 1 erkennbar sind. Den Gaseinlassöffnungen 17 in
der Ebene der beiden Kolbenwellen 7 und 8 gegenüberliegend
sind in dem Kugelabschnitt 4 entsprechend mehrere Gasauslassöffnungen 18 angeordnet,
die ebenfalls eine polygonale Form aufweisen. Durch diese gegenüberliegende
Anordnung der Gaseinlassöffnungen 17 und
der Gasauslassöffnungen 18 ist
bei dem dargestellten Schwenkkolbenmotor eine Gleichstromspülung realisiert.
D.h. bei dem Spülen
der Brennräume 10 und 11 für den Gas-
bzw. Ladungswechsel strömt
das Gas stets von den Einlassöffnungen 17 zu
den Gasauslassöffnungen 18.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Gaseinlassöffnungen 17 und
die Gasauslassöffnungen 18 viereckig
ausgebildet und die oberen und unteren Seitenkanten liegen jeweils
parallel zu der Kontaktfläche
der Schwenkkolben 5, 6 mit der Wandung des Prozessraumes 2.
Um eine abrupte Freigabe bzw. Schließung der Gasöffnungen 17, 18 zu
verhindern, können
die oberen und unteren Seitenkanten mit einem geeigneten Winkel
zu der Kontaktfläche
ausgebildet sein.
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Obwohl
der erfindungsgemäße Schwenkkolbenmotor
vom Prinzip her ein Zweitaktmotor ist, unterscheidet er sich von
einem üblichen
nicht-ventilgesteuerten Zweitaktmotor mit einer Umkehrspülung durch
die realisierte Gleichstromspülung.
Dadurch ist die effektive Spülzeit
deutlich vergrößert, beispielsweise
etwa doppelt so groß.
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Aus
der Ebene der Kolbenwellen 7 und 8 herausragend
und versetzt zu den Gaseinlassöffnungen 17 bzw.
den Gasauslassöffnungen 18 sind
zusätzliche
Schlitzöffnungen 19 bzw. 20 in
der Wandung des Prozessraumes 2 vorgesehen, in denen steuerbare
Klappen (nicht dargestellt) angeordnet sind. Mit Hilfe der steuerbaren
Klappen kann die Größe der Schlitzöffnungen 19 bzw. 20 als
zusätzliche Gaseinlässe bzw.
Gasauslässe
bedarfsgerecht an die Leistungsanforderung eingestellt werden, um
die Kompressionseigenschaften des Schwenkkolbenmotors veränderlich
anzupassen.
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In
der 1 sind die Schwenkkolben 5 und 6 an
einem Totpunkt der Schwenkbewegung befindlich dargestellt (durchgezogene
Linien). Aufgrund der Darstellung in der 1 wird dieser
Totpunkt auch als oberer Totpunkt bezeichnet. Die Position der Schwenkkolben 5 und 6 in
dem entsprechenden unteren Totpunkt ist in der 1 durch
Darstellung der Schwenkkolben 5 und 6 mit Strichlinien
angedeutet. Ferner sind durch Punktlinien in der 1 Zwischenpositionen
für die
Schwenkkolben 5 und 6 darstellt. Dies entspricht
beispielsweise dem Spülbeginn
für die
obere Brennkammer 10.
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Die
Zwischenposition (gepunktete Linien) zeigt den Zeitpunkt, bei dem
nach einer Verbrennung und der sich anschließenden Ausdehnungsphase in dem
oberen Brennraum 10 die Gasauslassöffnungen 18 bereits
geöffnet
sind und das Abgas entweicht. Die Freigabe der Gaseinlassöffnungen 17 beginnt
zu diesem Zeitpunkt erst, so dass erst eine kleine Frischluftmenge
in den oberen Brennraum 10 eindringt. In dem unteren Brennraum 11 beginnt
die Kompressionsphase.
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Die
mechanische Konstruktion in dem Kurbelgehäuse (nicht dargestellt) ist
bevorzugt derart ausgebildet sein, dass wie in der 1 gezeigt
der gasauslassseitige Schwenkkolben 6 dem gaseinlassseitigen
Schwenkkolben 5 vorläuft.
Alternativ können
die Gaseinlassöffnungen 17 und
die Gasauslassöffnungen 18 in
Schwenkrichtung unterschiedlich groß ausgebildet sein, um eine
der beiden Gasöffnungsseiten
zeitlich zuerst zu öffnen
und anschließend
erst die andere Gasöffnungsseite.
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Wenn
die Schwenkkolben 5 und 6 sich in dem unteren
Totpunkt befinden, ist die Kompressionsphase für den unteren Brennraum 11 abgeschlossen
und das sich dort befindliche Kraftstoff/Luft-Gemisch kann gezündet werden.
Bei dem Überstreichen
des auslassseitigen Schwenkkolbens 6 an den Gasauslassöffnungen 18 vorbei,
entweicht das Abgas nicht vollständig
aus dem Brennraum 10. Ein Teil des Abgases wird von dem
Schwenkkolben 6 in den unteren Bereich des Kugelabschnitts 4 mitgenommen
und entweicht erst bei der Rückbewegung
nach der Zündung
in dem unteren Brennraum 11 durch die Gasauslassöffnungen 18.
Sinngemäß wird auch
ein Teil der Frischluft in dem Kugelabschnitt 3 bis in
die Totpunktlage mitgenommen, so dass dieser erst bei der Rückschwenkung
die restlichen Abgase effektiv ausspült. Dies führt zu der längeren Spülzeit. Noch ein
weiterer Teil des Abgases kann in dem Brennraum 10 verbleiben.
Dies führt,
insbesondere in einem Teillastbetrieb, zu einer optimaleren Verbrennung.
Auch wird durch den vorstehend beschriebenen Spülvorgang der gasauslassseitige
Schwenkkolben 6 einer geringeren Belastung und folglich
einem geringeren Verschleiß ausgesetzt.
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Das
Prozessgehäuse 1 ist
aus zwei Gehäusehälften zusammengesetzt,
von denen in der Figur nur eine gezeigt ist. Für die Montage weist jede der Hälften einen
am Außenrand
umlaufenden Flanschbereich 21 auf, in dem voneinander beabstandet mehrere
Bohrungen 22 vorgesehen sind. Die Bohrungen 22 der
beiden Prozessgehäusehälften sind so
angeordnet, dass sie bei der Montage der Gehäusehälften genau übereinander
liegen und eine exakte Ausrichtung der Gehäusehälften zueinander bewirken.
Mittels geeigneter Befestigungselemente (nicht dargestellt) können die
Gehäusehälften miteinander verbunden
werden.
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2 zeigt
eine Querschnittsdarstellung des Prozessgehäuses 1 entlang der
Linie I-I der 1. Die vorstehend erwähnten Prozessgehäusehälften 23 und 24 werden
derart aneinandergesetzt, dass in den Bohrungen 22 in den
jeweiligen Flanschen 21 zylindrische oder konische Stifte 25 als
Befestigungseinrichtung eingesetzt sind. Für eine hochpräzise Anordnung
der Prozessgehäusehälften 23 und 24 sind die
Bohrungen 22 sowie die Stifte 25 bevorzugt konisch
ausgebildet. Bei der Herstellung und Montage der Prozessgehäusehälften 23 und 24 ist
es wichtig, dass bei dem Übergang
von der Prozessgehäusehälfte 23 zu
der Prozessgehäusehälfte 24 keine
Stufe oder Absatz in der Wandung des Prozessraumes 2 auftritt.
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In
der Darstellung der 2 sind deutlich die mehreren,
in diesem Ausführungsbeispiel
drei, Gasauslassöffnungen 18 zu
erkennen, die in der gleichen Ebene wie die Kolbenwelle 8 angeordnet
sind. Seitlich neben den Gasauslassöffnungen 18 befinden sich
zu der Ebene der Kolbenwelle 8 versetzt und rotationssymmetrisch
angeordnet zwei Schlitzöffnungen 20 für steuerbare
Klappen.
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In
die Wandung des Prozessraumes 2 sind zwei Einspritzvorrichtungen 15 bzw. 16,
beispielsweise übliche
Einspritzdüsen,
durch die Wandung hindurchragend und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
Versetzt zu den Einspritzvorrichtungen 15 und 16 sind
in der Wandung des Prozessraumes 2 insgesamt vier Zündeinrichtungen 13 und 14,
beispielsweise übliche
Zündkerzen,
vorgesehen. Die Einspritzvorrichtungen 15 und 16 sowie
die Zündeinrichtungen 13 und 14 befinden
sich alle in der Ebene, die in der 1 mit I-I
bezeichnet wird.
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Wie
aus der 2 ersichtlich ist, ragt die
Kolbenwelle 8 aus dem Prozessraum 2 heraus und
außerhalb
des Prozessraumes 2 sind an der Kolbenwelle 8 entsprechende
Ausgleichgewichte 26 zum Ausgleich der Fliehkräfte ausgebildet,
die auf die Kolbenwelle 8 aufgrund der Masse des Schwenkkolbens 6 (1)
und dessen Schwenkbewegung einwirken. Der an das Prozessgehäuse 1 sich
anschließende Gehäuseteil
wird im Folgenden mit Ausgleichgewichtsgehäuse 27 bezeichnet.
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Im
weiteren Verlauf der Kolbenwelle 8 ragt diese in ein Ladergehäuse 28,
das an dem Ausgleichgewichtsgehäuse 27 angeordnet
ist. An der Kolbenwelle 8 sind Laderkolben 29 angeordnet,
die entsprechend der Drehbewegung der Kolbenwelle 8 ebenfalls
eine alternierende Schwenkbewegung ausführen. Hierdurch wird Luft aus
einem Luftkanal 30 angesaugt und verdichtet und durch den
Innenraum mit den Ausgleichsgewichten 26 des Ausgleichgewichtsgehäuses 27 nach
der Verdichtung bzw. Kompression abgegeben. Die verdichtete bzw.
aufgeladene Frischluft wird zum Prozessraum 2 weitergeleitet. Damit
eine gerichtete Strömung
der zu verdichtenden Frischluft durch das Ladergehäuse 28 sichergestellt
werden kann, sind an den Zu- bzw.
Ausgangseiten des Laderraums 31 geeignete Ventile, beispielsweise
Membranventile, vorgesehen.
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Alternativ
zu der hier vorgestellten Schwenkklappen-Aufladung kann die Frischluft
für den
erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmotor
auch durch andere Verdichter bzw. Auflader komprimiert werden, um
für den
Brennvorgang zur Verfügung
zu stehen. Dies kann beispielsweise durch einen Turbolader bzw.
Abgasturbolader oder einen Druckwellenlader erfolgen.
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Ein
Teil der Frischluft kann über
einen Rückführkanal 32 dem
Frischluftkanal 30 wieder zugeführt werden. Die Rückführung wird
hierbei mittels der Stellung einer Drosselklappe 33 gesteuert.
Dies ermöglicht
die Vermeidung eines Überdrucks
in dem Auflader, insbesondere in den Fällen, wenn die Verbrennungskraftmaschine
nur mit einer Teillast läuft.
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In
der 3 ist das Prozessgehäuse 1 entlang der
Linie II-II aus der 1 dargestellt. In der 3 sind
deutlich die Kolbenwellen 5 und 6 zu erkennen,
die an einer Seite aus dem Prozessraum 2 in das Ausgleichgewichtsgehäuse 27 und
weiter in das Ladergehäuse 28 hineinragen.
Die verdichtete Luft wird über
einen Luftkanal 34 und eine Drosselklappe 35 zu
den Gaseinlassöffnungen 17 geleitet, durch
die sie in den Prozessraum 2 eindringt. Den Gaseinlassöffnungen 17 gegenüberliegend
angeordnet befinden sich die Gasauslassöffnungen 18, durch die
das Abgas nach dem Brennvorgang über
den Abgaskanal 36 ausströmt.
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Um
möglichst
schnell die erforderliche Betriebstemperatur im Prozessraum 2 zu
erreichen, ist dieser vorteilhaft thermisch von den übrigen Motorbauteilen
getrennt. Dies erfolgt durch thermische Isolatoren 37,
die beispielsweise aus Keramik oder einem anderen geeigneten Material
bzw. einer Materialmischung bestehen. Der Prozessraum 2 ist
mit wenig Material umgeben, um die Wärmespeicherkapazität des Prozessgehäuses 1 zu
minimieren. Dadurch kann eine signifikante Kraftstoffersparnis,
insbesondere bei Kurzstreckenfahrten eines Kraftfahrzeuges, erzielt
werden.
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Da
weiterhin der Ausstoß schädlicher
Abgase des Verbrennungsmotors bei einem kalten Motor sehr hoch ist
und mit der zunehmenden Erwärmung des
Prozessgehäuses 1 aufgrund
der exothermen Verbrennungsreaktion deutlich reduziert wird, wird durch
die thermische Entkopplung das Prozessgehäuse 1 erheblich schneller
warm, weil nur geringfügig
aufgenommene Wärmeenergie
an andere Komponenten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise
ein Kurbelgehäuse
(nicht dargstellt) oder das Ladergehäuse 28, weitergeleitet
wird. Im Ergebnis wird deutlich weniger schädliches Abgas beim Starten
und Anlassen des Motors an die Umwelt abgegeben.
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Insbesondere
bei Kurzstreckenfahrten und vollständiger Abkühlung, beispielsweise bei den
zeitversetzten Fahrten zur und von der Arbeitsstätte, hilft die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine, den
Ausstoß von
Umweltgiften zu verringern.
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Ebenfalls
in der 3 sind die zusätzlichen Schlitzöffnungen 19 und 20 zu
erkennen. Anhand der 4 wird die Einstellbarkeit am
Beispiel der Schlitzöffnung 19 in
dem Kugelabschnitt 3 erläutert. Die Schlitzöffnung 19 wird
mittels einer drehbaren Verschlussklappe 38 verschlossen.
Die Verschlussklappe 38 ist um eine Drehachse 39 verschwenkbar
und gibt in Abhängigkeit
des Schwenkwinkels die Schlitzöffnung 19 teilweise
oder vollständig
frei, um durch die Veränderung
der insgesamt vorhandenen und aufsummierten Öffnungsfläche der Gaseinlassöffnungen 17 und
der Schlitzöffnung 19 die
Kompressionseigenschaften des Schwenkkolbenmotors den aktuellen
Anforderungen anzupassen. In der 4 ist ferner
mit Hilfe gestrichelter Linien eine vollständige Freigabe der Schlitzöffnung 19 dargestellt.
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Im
Folgenden wird unter Bezug auf die 5 und teilweise
auf die 2 und 3 das Ladergehäuse 28 und
dessen Funktion beschrieben. Die Darstellung der 5 zeigt
in der unteren Hälfte
der Zeichnungsansicht eine Schnittdarstellung entlang der Linie
III-III aus der 3. Die obere Hälfte der Zeichnungsansicht
zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV aus der 3.
In dem Ladergehäuse
sind an den Kolbenwellen 7 bzw. 8 die Laderkolben 29 schwenkbar
angeordnet. In der 5 sind die Laderkolben im oberen
Totpunkt mit einer durchgezogenen Linie und in dem unteren Totpunkt
mit einer unterbrochenen Linie dargestellt. Zwischen der Innenwandung
des Ladergehäuses 28 und
den Laderkolben 29 sind beispielsweise Labyrinth-Dichtungen
vorgesehen, die ohne Schmierung eine hinreichende Dichtung gewährleisten.
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Der
Innenraum des Ladergehäuses 28 ist
in vier Teilvolumen aufgeteilt. Dies sind zunächst zwei Kompressionskammern 41 und 42 sowie
eine dazwischen angeordnete Saugkammer 43 und eine Druckkammer 44.
Die Saugkammer 43 bzw. die Druckkammer 44 sind
von den Kompressionskammern 41 und 42 jeweils
durch geschlitzte Zwischenwände 45 getrennt,
die jeweils ein Membranventil 46 aufweisen. Die Membranventile 46 öffnen jeweils
nur in eine Richtung. Die Saugkammer 43 ist von der Druckkammer 44 durch
eine parallel zu den Laderkolben 29 ausgerichtete Trennwand 47 (siehe 3)
getrennt. Die Membranen selber sind in der 5 durch
gestrichelte Linien an der Zwischenwand 45 anliegend bzw.
durch Saug- oder Überdruck
gewölbt
dargestellt.
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Die
Frischluft tritt aus dem Luftkanal 30 (3)
in die Saugkammer 43 ein. Wenn sich die Laderkolben 29 von
dem oberen Totpunkt zu dem unteren Totpunkt verschwenken, öffnen sich
die oberen Membranventile 46 zwischen der Saugkammer 43 und
den beiden Kompressionskammern 41 bzw. 42 aufgrund
eines Unterdrucks. Die oberen Membranventile 46 zwischen
den Kompressionskammern 41 bzw. 42 und der Druckkammer 44 bleiben
verschlossen und Frischluft wird aus der Saugkammer 43 in die
Kompressionskammern 41 bzw. 42 auf der nach oben
weisenden Seite der Laderkolben 29 angesaugt. Der Saugvorgang
endet, wenn die Laderkolben 29 den unteren Totpunkt erreicht
haben.
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Durch
die Rückbewegung
der Laderkolben 29 werden die oberen Membranventile 46 zwischen den
Kompressionskammern 41 bzw. 42 und der Saugkammer 43 verschlossen
und die in den Kompressionskammern 41 bzw. 42 befindliche
Luft wird komprimiert, bis der Luftdruck den Druck in der Druckkammer 44 übersteigt.
Dann öffnen
sich die oberen Membranventile 46 zwischen den Kompressionskammern 41 bzw. 42 und
der Druckkammer 44 und die komprimierte oder aufgeladene
Luft strömt
in die Druckkammer 44, von der sie anschließend über das
Ausgleichgewichtsge häuse 27 in
den Luftkanal 34 gelangt. Die Kompression endet, wenn die
Laderkolben 29 erneut den oberen Totpunkt erreicht haben.
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In
den beiden Kompressionskammern 41 bzw. 42 finden
gleichzeitig jeweils ein Saugvorgang und ein Kompressionsvorgang
statt. Während
auf den oberen Seiten der Laderkolben 29 Saugvorgänge durchgeführt werden,
finden auf den entsprechend unteren Seiten Kompressionsvorgänge statt und
umgekehrt. Dabei sind bei einer Schwenkbewegung der Laderkolben 29 von
oben nach unten gleichzeitig die oberen Membranventile 46 zu
der Saugkammer 43 und die unteren Membranventile 46 zu
der Druckkammer 44 geöffnet.
Bei der Gegenbewegung, in der die Laderkolben 29 von unten
nach oben verschwenken, sind hingegen die oberen Membranventile 46 zu
der Druckkammer 44 und die unteren Membranventile 46 zu
der Saugkammer 43 gleichzeitig geöffnet. Die Frischluft aus dem
Luftkanal 30 kann bereits im Vorfeld durch einen weiteren
geeigneten Lader komprimiert sein.
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Die
Laderkolben 29 werden über
die Kolbenwellen 7 und 8 angetrieben, so dass
sie im gleichen Takt wie die Schwenkkolben 5 und 6 verschwenken. Um
eine geeignete Aufladung der Frischluft für die Brennkammer durchführen zu
können,
muss deshalb das Innenvolumen der beiden Kompressionskammern 41 und 42 zusammen
größer als
das Innenvolumen des Prozessraumes 2 sein. Über die
Größe der Kompressionskammern 41 und 42 ist
der Druck des Ladevorgangs einstellbar.