DE102009033512B4

DE102009033512B4 - Segmentkolbenmotor, insbesondere in der Ausgestaltung eines Vier-Takt-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102009033512B4
Application number: DE102009033512.9A
Authority: DE
Inventors: Artur Krause
Original assignee: Individual
Current assignee: Claus Thomas De; Krause Bernhard De; Krause Joerg De; Tillack Heinz De
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: DE102009033512A1; DE102009033512B8

Abstract

Verbrennungskraftmaschine (60) mit Segmentkolben (17a, 17b), einem Vorlaufkolben (17a) und einem Nachlaufkolben (17b), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (60) mit einer rotatorischen Verbrennungsraumbewegung eines Arbeitsraums (112) gestaltet ist, wobei die Verbrennungsraumbewegung und die Segmentkolben (17a, 17b) eine eine Abtriebswelle (25) umrundende Bewegung ausführen, wobei im Vergleich zu der Verbrennungsraumbewegung in einer Phase eines Bewegungsablaufs des Arbeitsraums (112) zeitgleich ein winkelgrößerer Segmentkolbenweg zurückgelegt wird, und wobei der Arbeitsraum (112) und die den Arbeitsraum (112) einfassenden Segmentkolben (17a, 17b) koaxial gelagert sind, und wobei Winkelgeschwindigkeiten der beiden Segmentkolben (17a, 17b) während eines Umlaufes jeweils wenigstens einmal ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit Segmentkolben, bei denen der Arbeitsraum nicht nur in seiner Größe variabel ist, sondern auch ortsvariabel, sowie ein Verbrennungsverfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 13 in einer geeigneten Verbrennungskraftmaschine.
Stand der Technik
Es sind zahlreiche Motorenkonzepte bekannt. Ein sehr weit verbreitetes Motorenkonzept kann als Hubkolbenmotorkonzept bezeichnet werden. Andere Motorkonzepte sind z. B. unter dem Begriff Wankel-Kreiskolben-Motor bekannt. Jedes Motorkonzept hat im Vergleich zu den anderen bekannten Motorkonzepten inhärente, durch das Konzept selbst hervorgerufene, Nachteile. Bei Hubkolbenmotoren wird eine Volumenänderung, hervorgerufen durch die auf- und herabgehende Kolbenbewegung, über einen Kraftarm mit einer zu- und abnehmenden Leistungsfunktion in eine Drehbewegung umgesetzt. Die zur Verfügung stehende Kammervolumenleistung wird durch die Kurbelwelle im Laufe der Hubfunktion halbiert. Eine Kurbelwelle, alternativ auch eine Exzenterwelle, kann während des Arbeitsablaufes nur einmal bei einer Umdrehung den maximal möglichen Kraftarm, der auch als Hebelarm mit seiner ihm typischen Hebellänge bezeichnet wird, bei Erreichen der halben Kolbenhubstrecke in Vortrieb, also in Drehbewegung, umsetzen. Für einen Leistungswinkel von ca. 145°, der Winkel ergibt sich zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt abzüglich eines Winkels für die Ventilüberschneidungen, benötigt der Viertakt-Otto-Motor zwei Umdrehungen, d. h. 720° Kurbelwellendrehung. Im Vergleich dazu erreicht ein Zweitaktmotor einen Leistungswinkel von bis zu 120° bei nur einer einzigen Kurbelwellendrehung, d. h. bei 360° Kurbelwellendrehung. Bei dem Zweitaktmotor ist der offene Gaswechsel, der zu einer Vermischung zwischen Frisch- und Altgas führt und zu Frischgasverlusten darüber hinaus beiträgt, nachteilig. Auch die Exzenterwelle bei einem Wankel-Kreiskolben-Motor, auch nur als Wankel-Motor bezeichnet, folgt dem Drehbewegungsprinzip einer Kurbelwelle, über die die Kammervolumenleistung umgewandelt wird. Auch hier ist die Kurbelwelle bzw. die Exzenterwelle den zu- und abnehmenden Kraftarmverhältnissen unterworfen. Während bei den Viertaktmotoren die Trennung zwischen Frischgas und Abgas deutlich besser ist als bei einem Zweitaktmotor, der darüber hinaus deswegen einen geringen Wirkungsgrad hat, weil die Vorverdichtung in Form von Gegendruck die Arbeitsleistung senkt, kann, insbesondere bei Ventilüberschneidungen, die Trennung bzw. Spülung zwischen Frischgas und Abgas immer noch nicht als optimiert bezeichnet werden.
Ein viel versprechendes Motorenkonzept lässt sich unter dem in Deutschland bekannten Schlagwort „Kauertz-Motor” wiedergeben, von dem sich verschiedene Ausführungsvarianten in den Druckschriften DE 1 426 022 A (Anmelder: Kauertz; Anmeldetag: 30.05.1961), DE 1 927 208 A (Anmelder: Kauertz; Anmeldetag: 29.05.1969), US 3 144 007 (Erfinder: Kauertz; Anmeldetag: 28.06.1961) und US 4 257 752 (Erfinder: Fogarty; Anmeldetag: 02.04.1979) finden. Ähnlich wie beim Wankel-Motor arbeitet das Prinzip des Kauertz-Motors mit beweglichen Arbeitsräumen und nicht wie bei dem Hubkolben-Motor mit ortsfesten Arbeitsräumen, dessen Volumen einseitig verändert wird. Abweichend vom Wankel-Motor, bei dem ein zentral angeordneter Kolben mehrere Arbeitsräume während seiner Drehbewegung volumenmäßig anpasst, arbeitet das Motorprinzip nach Kauertz mit wenigstens zwei kreisbogenförmig gestalteten Kolben, die auch als Segmentkolben bezeichnet werden können, in gruppierender Weise. Wie den zuvor genannten Druckschriften zu entnehmen ist, bedarf es einer geeigneten Steuermimik, damit die Segmentkolben den Arbeitsraum entsprechend aufspannen bzw. phasenweise das im Arbeitsraum eingeschlossene Gas verdichten, ansaugen oder ausstoßen. Weitergehende Aspekte zum Kauertz-Motor lassen sich auch älteren Fachzeitschriften entnehmen, wie z. B. der Fachzeitschrift Kraftfahrzeugtechnik, 12. Jahrgang, Heft 4, 1962, VEB Verlag Technik Berlin, S. 151–153, der Artikel von W. Siepmann: „Der Kauertz Motor und seine technisch ähnlichen Vorläufer”. Ein grundsätzlicher Artikel von S. Rauch: „Der Drehkolbenmotor. Utopie oder Realität?”, S. 69–78, ist weiterhin dem Buch „Motor-Jahr 1962” entnehmbar.
Die DE 27 46 679 A1 (Anmelder: Baer; Anmeldetag: 18.10.1977) stellt eine Segmentkolbenmaschine mit vier Kolben, jeweils zwei zu einem Paar zusammengefasst, vor, die durch unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten die Arbeitsräume in der Segmentkolbenmaschine anwachsen und abnehmen lassen können.
Eine auf zwei Segmentkolben reduzierte Ausführungsform zeigt die FR 2 672 084 A1 (Anmelder: Etablissements CANOVA SARL; Anmeldetag: 25.01.1991), in der ebenfalls vorgeschlagen wird, die Vorwärtswandergeschwindigkeit des Vorlaufkolbens und des Nachlaufkolbens je nach Winkelposition unterschiedlich schnell in die Vorwärtsrichtung weiter wandern zu lassen. Weitere konstruktive Gestaltungen ähnlicher Segmentkolbenmaschinen mit Planetengetrieben lassen sich der WO 96/018 024 A1 (Anmelder: RODRIGUES; Prioritätstag: 07.12.1994) und der US 3 356 079 A (Anmelderin: Virmel Corporation; Anmeldetag: 10.02.1964) entnehmen.
In der DE 10 2005 020 221 A1 (Anmelder: Riedl, Franz; Anmeldetag: 30.04.2005) wird eine Rotationskolbenmaschine beschrieben, deren Kammern von einer paarweisen Anzahl an Kolben mit einer relativ zueinander gegenläufigen Schwenkbewegung gebildet sind. Kolben einer anderen Schwenkrichtung sollen dabei permanent mit oder mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis zur Antriebswelle rotieren. Es werden verschiedene Ausführungsformen in Verbindung mit einem Getriebeteil gezeigt. Ein unterschiedlicher Übersetzungsweg, der sich aus Schwenkhebel und Pleuel ergibt, könnte aus dem Ausführungsbeispiel von 5 in Betracht kommen. Der Brennraum soll statisch mit einer angeflanschten Verbrennungskammer sowie einem verstellbaren Verbrennungskammerdeckel ausgebildet sein.
Erfindungsbeschreibung
Bei der sich in letzter Zeit verstärkenden Diskussion bezüglich des Wirkungsgrades, des CO₂-Ausstoßes und der Abgasschadstoffe besteht ein intensiv verfolgter Wunsch, anderweitige Motorkonzepte zu finden, die aufbauend auf bisher langjährig gesammelten Erfahrungen, wie z. B. zu Vier-Takt-Verbrennungsvorgängen, Konzepte für Verbrennungskraftmaschinen vorstellen, die noch deutliche Potenziale der Optimierung haben.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 sowie durch ein Verbrennungsverfahren nach Anspruch 13 erfüllt. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine arbeitet mit Segmentkolben. Ein Segmentkolben ist ein Kolben, der im Wesentlichen kreisbogenförmig so ausgebildet ist, dass er in einem Ringraum eine rotierende Bewegung ausführen kann. Zwischen zwei Segmentkolben bildet sich ein Arbeitsraum aus, dessen Volumen in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Arbeitstakten in der Größe variiert. In dem Maße, wie die Segmentkolben eine um einen Mittelpunkt ausgerichtete Rotationsbewegung durchführen, läuft der zwischen den Segmentkolben aufgespannte Arbeitsraum um den gleichen Rotationsmittelpunkt. Die Segmentkolben können in Bezug auf die rotierende Bewegungsrichtung als Vorlaufsegmentkolben und Nachlaufsegmentkolben bezeichnet werden.
Der Arbeitsraum ist zeitweilig auch der Verbrennungsraum. Somit schieben die Segmentkolben den Arbeitsraum bis zum Explosions- bzw. Brennvorgang. Die Rotationsbewegung des Verbrennungsraums wird fortgesetzt. Beim Ausstoß der verbrannten Gase, den Abgasen, erfahren die Segmentkolben eine weitere Rotationsbewegung.
Der Verbrennungsraum bewegt sich rotatorisch. Der Verbrennungsraum wandert um die gleiche Achse. Der Verbrennungsraum wandert um die gleiche Achse wie die Segmentkolben. Die Abtriebswelle wird von dem Verbrennungsraum umrundet. Wenigstens ein Segmentkolben legt einen Weg während einer Phase des Bewegungsablaufes zurück, die eine größere Winkelbewegung aufweist, als die Verbrennungsraumbewegung im gleichen Zeitraum zurücklegt. Verbrennungsraum und die zum Verbrennungsraum dazugehörigen Segmentkolben sind koaxial gelagert.
Die Winkelgeschwindigkeiten der Segmentkolben sind phasenweise, d. h. zu bestimmten Zeitpunkten während eines Umlaufes, in dieselbe Richtung, nämlich in die Drehrichtung der Verbrennungskraftmaschine, genauer in die Drehrichtung der Abtriebswelle, laufend. Die Winkelgeschwindigkeiten der Segmentkolben sind phasenweise, d. h. zu bestimmten Zeitpunkten während eines Umlaufes, in ihrer Größe voneinander verschieden. Die Winkelgeschwindigkeiten der beiden Segmentkolben weisen während eines Umlaufes wenigstens einmal, insbesondere zumindest kurzfristig, unterschiedliches Vorzeichen auf. Der Nachlaufsegmentkolben kann während des Arbeitstaktes, insbesondere während einer zur Gemischzündung zeitnahen Phase des Arbeitstaktes, eine dem Vorlaufsegmentkolben entgegengesetzte Winkelgeschwindigkeit aufweisen. Der Nachlaufsegmentkolben kann während des Ansaugtaktes, insbesondere während einer dem Beginn des Ansaugtaktes zeitnahen Phase, eine dem Vorlaufsegmentkolben entgegengesetzte Winkelgeschwindigkeit aufweisen. Der Vorlaufsegmentkolben kann während des Verdichtungstaktes, insbesondere während einer der Mitte oder dem Ende des Verdichtungstaktes zeitnahen Phase, eine dem Nachlaufsegmentkolben entgegengesetzte Winkelgeschwindigkeit aufweisen. Der Vorlaufsegmentkolben kann während des Ausstoßtaktes, insbesondere während einer der Mitte oder dem Ende des Ausstoßtaktes zeitnahen Phase, eine dem Nachlaufsegmentkolben entgegengesetzte Winkelgeschwindigkeit aufweisen. Insgesamt legt jeder Segmentkolben die gleiche Wegstrecke zurück. Durch das Überstreichen der Wegstrecke bewegt sich der Arbeitsraum.
Der in einer Verbrennungskraftmaschine sich ereignende Verbrennungsvorgang erzeugt mechanische Arbeit aus einem kalorischen Vorgang, der in einem Arbeitsraum abläuft, der zweiseitig variabel gestaltet ist. Der Verbrennungsvorgang folgt einem Viertaktverbrennungsvorgang. Der Bewegungsablauf des Arbeitsraums folgt einer kreisförmig geschlossenen Bewegung. Während des Bewegungsablaufs wird der Viertaktverbrennungsvorgang durchlaufen. Die Position des Arbeitsraums bestimmt einen zeitweiligen Durchgang zwischen Arbeitsraum und Gaswechselöffnung. Die Gaswechselöffnungen sind Saugöffnungen oder Abgasöffnungen. Der Arbeitsraum bestimmt somit von sich aus das Einleiten und das Ausleiten der Frisch- und Abgase. Im Ergebnis durchlaufen die beiden verschiebbaren Flächen den gleichen Weg. Der Weg des kreisförmig geschlossenen Bewegungsablaufes, der zurückgelegt wird, erlaubt in Abhängigkeit seiner Position die einzelnen Takte eines mehrtaktigen, insbesondere viertaktigen, Verbrennungsvorgangs. Die Winkelgeschwindigkeiten der beiden Segmentkolben weisen, wie bereits erläutert wurde, während eines Umlaufes wenigstens einmal unterschiedliches Vorzeichen auf.
Zur Erörterung weiterer vorteilhafter Aspekte wird in Anlehnung an gängige Motorkonzepte auch in der vorliegenden Erfindung von Zylindern gesprochen, obwohl die Zylinder eher als ringförmige bzw. scheibenartige Räume gestaltet sind. Aufgrund des Explosionsdrucks nach der Zündung des Treibstoffs erfolgt der Vorwärtstrieb des Vorlaufsegmentkolbens. Die gesamten Bewegungsabläufe beziehen sich rotatorisch auf eine zentrale Achse der Verbrennungskraftmaschine. Die Mitte der Verbrennungskraftmaschine liegt auf der zentralen Achse. Die Rotationsbewegung erfolgt um die Mitte bzw. um die Achse der Verbrennungskraftmaschine. Mimikeneinleithebel, die die mechanische Verbindung zwischen den zentral angeordneten Wellen, auf denen die Segmentkolben lagern, und Radsätzen des Steuergetriebes herstellen, verbinden an dem einen Ende mit einer Welle und an dem anderen Ende mit wenigstens einem Planetenrad.
Nach dieser grundlegenden, einleitenden Darlegung des groben, mechanischen Konzepts der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sollen nachfolgend einige besondere Aspekte der Verbrennungskraftmaschine hervorgehoben werden.
Vorteilhafterweise wird die Verbrennungskraftmaschine mit zwei Segmentkolben pro Zylinder ausgestattet. Die Segmentkolben lagern jeweils auf einer eigenen Welle. Die beiden Wellen können als Hohlwellen ausgestaltet sein. Somit lassen sich die Hohlwellen koaxial anordnen. Zwischen den Segmentkolben wird ein Arbeitsraum gebildet. So wie die Segmentkolben wandern, wandert auch der Arbeitsraum mit seiner eigenen mittleren Geschwindigkeit, die sich aus der Wanderungsbewegung der beiden Kolben überlagernd ergibt, um die Hohlwellen. Der Arbeitsraum bewegt sich somit rotatorisch. Die Verbrennungskraftmaschine hat ein Gehäuse. Das Gehäuse umfasst unter anderem die Segmentkolben und begrenzt an den übrigen, nicht durch die Segmentkolben begrenzten Seiten den Arbeitsraum. Je nach Gestaltung der Bewegungsabläufe können beliebige, mehrtaktige Verbrennungskraftumwandlungsvorgänge durchlaufen werden. Bei einer umlaufenden Bewegung von 360° sind alle Arbeitstakte einmal durchlaufen. Pro geschlossener Umdrehung wird somit ein Arbeitsvorgang realisiert. Die Segmentkolben erleben eine Lageveränderung. Die Segmentkolben bestimmen durch ihre jeweils eingenommene Position, ob zumindest eine oder keine im Gehäuse vorhandene Gaswechselöffnung durchgängig zu dem Arbeitsraum ist. Während bestimmter Bewegungsphasen der beiden Segmentkolben, insbesondere während gegenläufiger Bewegungsphasen der beiden Segmentkolben, d. h. bei paarweiser Einnahme bestimmter Segmentkolben-Positionen durch einen Vorlauf- und einen Nachlaufsegmentkolben, können mehr als eine, beispielsweise zwei Gaswechselöffnungen, wie eine Einlass- und eine Auslassöffnung eines Zylinders, gleichzeitig, zumindest kurzfristig, insbesondere teilweise, zu dem Arbeitsraum durchgängig sein. Die Segmentkolben decken somit die vorhandenen Gaswechselöffnungen ab. Das Gehäuse hat wenigstens zwei Gaswechselöffnungen. Eine Gaswechselöffnung ist für die Frischgaszufuhr, der Einlass, und eine Gaswechselöffnung ist für die Abgasausleitung, der Auslass, bestimmt. Der Explosionsdruck muss bei der erfindungsgemäßen Maschine nicht mittels Übersetzungsgetriebe aus einer Linearbewegung eines den Explosionsdruck aufnehmenden Kolbens in eine kreisende Bewegung umgewandelt werden, denn die Kolben selber können aufgrund ihrer Form und ihres Bewegungsfreiheitsgrades eine Kreisbewegung realisieren.
Vorteilhafterweise gibt es zur Steuerung der Bewegungsabläufe und zur Einstellung der Synchronität zwischen den einzelnen beweglichen Teilen der Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Mimik, vorzugsweise für jeden einzelnen Segmentkolben eine eigene Mimik. Somit sind idealer Weise zwei Mimiken bei der Ausführungsform mit einem Vorlaufsegmentkolben und einem Nachlaufsegmentkolben pro Zylinder vorhanden. Die Bewegungen der Segmentkolben sind aufeinander über die Mimik abgestimmt, jedoch bewegt sich jeder Segmentkolben zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten im Vergleich zu dem anderen Segmentkolben. Die Mimik beeinflusst in aufeinander abgestimmter Weise die jeweiligen Winkelgeschwindigkeiten der Segmentkolben. Die Mimik bewirkt einen gerichteten Ablauf der Verbrennungskraftmaschine.
Nach einem weiteren sehr interessanten Aspekt lässt sich die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine auch dahingehend näher beschreiben, dass die vorhandenen Segmentkolben zeitwinkelgesteuert jeweils gewisse Zeiträume andauernde Ruhe- und Bewegungsphasen durchlaufen. Hierfür wird jeder Kolben durch eine Mimik gesteuert. Jeder Kolben kann durch eine eigene ihm zugeordnete Mimik gesteuert werden. Hierfür hat jeder Kolben des gleichen Typs, sofern mehr als ein Zylinder vorhanden ist, eine Mimik. Alle Segmentkolben des gleichen Typs können somit auf die gleiche Mimik bezogen sein. Die Mimik steuert die Bewegungsabläufe der Segmentkolben. Die Ruhe- und Bewegungsphasen werden zeitwinkelversetzt durchlaufen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Abtriebswelle mittig zu dem Bewegungsweg der Segmentkolben angeordnet ist. Die Segmentkolben kreisen um die Abtriebswelle. Die Abtriebswelle durchstößt die Mimiken. Ein Teil der Mimik umschließt die Abtriebswelle. Die Mimik setzt sich aus einem Planetengetriebe zusammen, an dem weitere Bauteile angebracht sein können. Das Sonnenrad des Planetengetriebes steht in Verbindung mit der mittig zur Abtriebswelle angeordneten Zentralachse der Verbrennungskraftmaschine. An wenigstens ein Planetenrad des Planetengetriebes ist ein Segmentkolben mechanisch angebunden. Das ausgewählte Planetenrad und der dem Planetenrad zugeordnete Segmentkolben stehen somit in direkter, mechanischer Verbindung. Das größte Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine lässt sich im Zahneingriff zwischen Planetenrad und Sonnenrad auffinden.
Nach einem weiteren, interessanten Aspekt weichen die Winkelgeschwindigkeiten während der Bewegungsabläufe der Segmentkolben und des Arbeitsraums zeitweilig voneinander ab.
Der Verbrennungsraum und die Segmentkolben bilden eine insgesamt wandernde Einheit. Der Verbrennungsraum und die Segmentkolben bilden eine wandernde, insgesamt sich in ihrer umfänglichen Erstreckung größenmäßig ändernde Einheit. Die wandernde Einheit kann in ihrer umfänglichen Erstreckung anwachsen. Die wandernde Einheit kann in ihrer umfänglichen Erstreckung schrumpfen. Die wandernde Einheit kann in ihrer umfänglichen Erstreckung oszillieren. Die Frequenz der umfänglichen Erstreckungsoszillationen ist abhängig von der Gemischzufuhrmenge modulierbar. Bei steigender Maschinendrehzahl, insbesondere infolge einer gesteigerten Gemischzufuhrmenge beim Ansaugen, erhöht sich die Frequenz der umfänglichen Erstreckungsoszillationen entsprechend. Bei einer Zurücknahme der Drehzahl, insbesondere infolge einer gedrosselten Gemischzufuhrmenge beim Ansaugen, sinkt die Frequenz der umfänglichen Erstreckungsoszillationen entsprechend. Hierbei wandert jeder Segmentkolben mit seinem eigenen Bewegungsrhythmus. Aus dem Bewegungsrhythmus der Segmentkolben ergibt sich die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitsraums. Aus dem Bewegungsrhythmus der Segmentkolben ergibt sich die volumenmäßige Größenänderung des Arbeitsraums. Aus dem Bewegungsrhythmus der Segmentkolben ergibt sich die mittlere rotatorische Ortsversetzung des Arbeitsraums.
Während des Brennvorgangs, wenn der Arbeitsraum ein Verbrennungsraum ist, wandert über eine gewisse Dauer, also eine zeitlang, nur der vorauslaufende Segmentkolben, während der nachlaufende Segmentkolben eine deutlich geringere Bewegung zurücklegt, er kann als quasi-statisch in dieser Phase angesehen werden. In einer solchen zeitlich begrenzten Phase kann in einem ersten Fall der nachlaufende Segmentkolben sogar eine zum vorlaufenden Kolben rückläufige Rotationsbewegung ausführen. In einer solchen zeitlich begrenzten Phase kann aber in einem zweiten Fall auch der vorlaufende Segmentkolben eine zum nachlaufenden Kolben rückläufige Rotationsbewegung ausführen. Betrachtet man zunächst den ersten Fall, so bezeichnen die Begriffe „statisch” und „quasi-statisch” somit im gegebenen Zusammenhang eine Winkelgeschwindigkeit des Nachlaufsegmentkolbens, die relativ zu jener des Vorlaufsegmentkolbens praktisch eine gegen das Gehäuse ortsfeste Position des Nachlaufsegmentkolbens ermöglicht. Die praktisch ortsfeste Position kann in der in Rede stehenden statischen bzw. quasi-statischen Phase geringfügig in die oder entgegen der Drehrichtung der Maschine wandern. Auch ein langsames Wandern zeitlich hintereinander in beide Richtungen, d. h. in die oder entgegen der Drehrichtung der Maschine, ist denkbar und möglich. Dieses langsame Wandern kann oszillieren. Beispielsweise kann das langsame Wandern des Nachlaufsegmentkolbens aus einer schnellen Bewegung in die Drehrichtung der Maschine heraus abbremsend zuerst beginnen mit einer langsamen Winkelgeschwindigkeit in Drehrichtung, gefolgt von einer langsamen, quasi-ortsfesten Gegenbewegung in die Gegendrehrichtung, welche wiederum in eine langsame, quasi-ortsfeste Bewegung in die Drehrichtung übergeht. In der Folge geht das langsame Wandern, beispielsweise während der Anfangsphasen des Ansaugtaktes oder des Arbeitstaktes, in eine schnelle Folgebewegung in die Drehrichtung zum Vorlaufsegmentkolben hin über. In analoger Weise kann im zweiten Fall auch der Vorlaufkolben gegenüber dem Nachlaufkolben langsame Wanderungsbewegungen, wie eben beschrieben, ausführen. Die langsamen Wanderungsbewegungen der beiden Segmentkolben können innerhalb eines Taktes, wie innerhalb des Verdichtens bzw. innerhalb des Arbeitens, aufeinander folgen. Insbesondere kann, beispielsweise während der Übergangsphase eines Verdichtungstaktes in einen Arbeitstakt, zeitlich vorher der Vorlaufkolben und zeitlich danach der Nachlaufkolben eine quasi-statische, quasi-ortsfeste, langsame Wanderbewegung ausführen. Man kann in diesem Zusammenhang von einem zeitlich konsekutiven Schleichen der beiden Kolben sprechen. Bei einem Ansaugtakt, und zwar insbesondere in dessen Anfangsphase, kann während eines langsamen Wanderns des Nachlaufkolbens, die Einlassgaswechselöffnung vollständig und die Auslassgaswechselöffnung teilweise, vorzugsweise geringfügig, d. h. nur teilweise öffnend, zum Arbeitsraum durchgängig sein. Bei einem Ausstoßtakt, und zwar insbesondere in dessen Anfangsphase, kann während eines langsamen Wanderns des Vorlaufkolbens die Auslassgaswechselöffnung vollständig und die Einlassgaswechselöffnung teilweise, vorzugsweise geringfügig, d. h. teilweise die Öffnung freigebend, zum Arbeitsraum durchgängig sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte lassen sich nachfolgend den detailreicheren Darstellungen der Verbrennungskraftmaschine entnehmen.
Im Unterschied zu üblichen Rotationshubkolbenmaschinen kommt die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ohne Gaswechselventile aus. Die Verbrennungskraftmaschine ist ventilfrei. Die Segmentkolben übernehmen gleichzeitig die Funktion von Schiebern. Die Verbrennungskraftmaschine ist somit steuerschieberfrei. Eine zusätzliche Platte, die als Steuerschieber arbeitet, muss nicht mitgeschleppt werden. Der eigentliche Steuervorgang wird durch die Relativposition zwischen Segmentkolben und dem die Segmentkolben einfassenden Gehäuse bestimmt. Die umlaufenden Segmentkolben steuern sich selbst durch ihre Positionseinnahme auf ihrem kreisrunden Bewegungsweg. Ein zusätzliches Steuerteil für den Gaswechsel entfällt.
Zur weiteren Steigerung der Gasdichtigkeit können Dichtleisten vorgesehen sein. Die Dichtleisten sind als Segmentdichtleisten ausgestaltet. Sie dichten auf einer Oberfläche des Segmentkolbens. Mit Hilfe der Segmentdichtleisten wird die Abdichtung zwischen dem Arbeitsraum und den Gaswechselöffnungen gesteigert. Der Segmentkolben verschließt zeitweilig die Gaswechselöffnungen. Der Segmentkolben verschließt zeitweilig ganz oder zumindest teilweise die Gaswechselöffnungen. Der Segmentkolben kann zeitweilig zumindest eine der Gaswechselöffnungen, zumindest teilweise, verschließen, während die zumindest eine andere Gaswechselöffnung, zumindest teilweise, zum Arbeitsraum durchgängig ist. Die Gaswechselöffnungen liegen im rechten Winkel zu der Hauptbewegungsrichtung der Segmentkolben. Somit können die Seitenwände, die nicht die Arbeitsflächen des Segmentkolbens sind, als Abdeckungen der Gaswechselöffnungen genutzt werden. Eine Seite der Segmentkolben ist die Arbeitsfläche. Eine Seite der Segmentkolben dient als Dichtfläche der Gaswechselöffnungen. Bei zwei Segmentkolben gibt es somit zwei Dichtflächen. Bei zwei Segmentkolben pro Zylinder gibt es zwei Arbeitsflächen.
Die Segmentkolben sitzen auf Hohlachsen. Die Hohlachsen sind vorteilhafter Weise koaxial zueinander angeordnet. Bei der Verwendung von zwei Segmentkolben pro Zylinder gibt es somit zwei Hohlachsen. Die Segmentkolben lagern auf den Hohlachsen und führen bzw. werden phasenweise geführt durch die Hohlachsen. Eine der beiden Hohlachsen wirkt auf eine erste Mimik ein. Der zweite Segmentkolben bzw. die zweite Hohlachse wirkt auf die zweite Mimik ein. In jeder Mimik gibt es ein Sonnenrad. Die Sonnenräder lagern auf einer Abtriebswelle. Die Hohlachsen können eine Kraftübertragung, insbesondere über einen Einleithebel, auf Planetenräder der Mimiken durchführen. Die Abtriebswelle ist vorteilhafter Weise eine einstückige Abtriebswelle. Durch die Positionierung der Sonnenräder an Stirnseiten des Gehäuses erfolgt unter Zuhilfenahme von Planetenrädern, die Teil der Mimik sind, die Bewegungssteuerung der Segmentkolben.
Die Bewegungsabläufe sind zeitwinkelgesteuert. Der eingenommene Positionswinkel des Segmentkolbens folgt einem eigenen Zeitablauf. Die Abtriebswelle, die mittig zur Mimik angeordnet sein kann, gilt als Bezugsachse. In Bezug auf die Bezugsachse können Ruhe- und Bewegungsphasen der Segmentkolben bestimmt werden. Die Segmentkolben haben somit keine permanente, identische Winkelgeschwindigkeit während ihrer Kreisbewegung. Die Segmentkolben haben somit keine permanent identische Winkelgeschwindigkeit während ihrer Kreisbewegung. Darüber hinaus sind die Segmentkolben zueinander zeitwinkelversetzt. Man kann auch von phasenversetzten ungleichförmigen Rotationsabläufen der beiden Segmentkolben sprechen. Jeder Segmentkolben hat seine eigene Rotationsgeschwindigkeit, die in Abhängigkeit von der eingenommenen Kreisposition unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweist. Zu der Mimik gehört ein Planetengetriebe. Das Sonnenrad sitzt so in der Verbrennungskraftmaschine, dass die Abtriebswelle mittig die Verbrennungskraftmaschine durchquert. Somit kann der Steuervorgang durch ein kompaktes und leichtes Planetengetriebe realisiert werden. Die mitzuschleppenden Massen, die nur für Steuerungsaufgaben zuständig sind, nicht jedoch die Energieumwandlung aufnehmen und weiterleiten, können gewichtsmäßig reduziert werden. Zur weiteren Gewichtsreduktion können die Segmentkolben innen hohl sein.
Das Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens eine Gaswechselöffnung. Vorteilhafter Weise gibt es eine Gaswechselöffnung für einen Einlass. Es gibt eine weitere Gaswechselöffnung für den Auslass. Die Einlass- und die Auslassgaswechselöffnungen können ebenfalls mehrfach vorhanden sein. Der Segmentkolben überstreicht innwandig das Gehäuse so, dass die Gaswechselöffnungen zeitweilig durch Seitenflächen des Segmentkolbens verschlossen werden. Durch die steuernde Funktion der Segmentkolben entfallen zusätzliche Steuerplatten. Zusätzliche Schlitzsteuerungen sind nicht nötig. Auch Gaswechselventile müssen nicht verwaltet werden. Die Gaswechselöffnungen werden durch die Segmentkolben bei der Kompression und bei der Expansion der Gase verschlossen bzw. vom Arbeitsraum abgetrennt.
Der Arbeitsraum durchschreitet in Übereinstimmung mit seiner Kreisposition verschiedene Arbeitstakte. Hierbei wandelt sich der Charakter des Arbeitsraums zeitweise in einen Verbrennungsraum. Der Arbeitsraum dient der Ausführung bestimmter konsekutiver, d. h. zeitlich und räumlich aufeinanderfolgender, Ablaufphasen eines mehrtaktigen Verbrennungskraftumwandlungsvorgangs. Der Arbeitsraum rotiert um den Mittelpunkt der Verbrennungskraftmaschine. Der Mittelpunkt der Verbrennungskraftmaschine liegt auf der Mittelachse, die durch die Abtriebswelle bestimmt wird. Jeder Segmentkolben ist unabhängig von den anderen Segmentkolben. Somit können die Segmentkolben zueinander eine asynchrone Drehbewegung zurücklegen. Jeder Segmentkolben legt folglich seinen eigenen Segmentkolbenweg zurück. In einer Bewegungsphase legt der Arbeitsraum eine Verbrennungsraumbewegung von ungefähr 150° zurück, während die Abtriebswelle selbst nur eine Drehung von 90° zurücklegt. Die Bewegungsrichtung der Abtriebswelle und die Bewegungsrichtung des Verbrennungsraums laufen in die gleiche Richtung. Verbrennungsraum bzw. Arbeitsraum und Abtriebswelle haben die gleiche Rotationsrichtung. Der weitere Segmentkolben legt während der gleichen Phase nicht mehr als 30° zurück. Durch diese unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten realisiert die Verbrennungskraftmaschine eine Leistungsabgabeübersetzung mit einem Faktor von ca. 1,5.
Der Bewegungsablauf der Segmentkolben bestimmt das zeitgesteuerte Öffnen und Schließen der Gaswechselöffnungen unmittelbar durch die Segmentkolben. Das Beladen und das Entladen des Verbrennungsraums mit Gasen, wie Frischgas und Abgas, erfolgt durch das Öffnen und Schließen durch die Segmentkolben.
Die vorhandenen Mimiken, wenigstens eine Mimik sollte vorhanden sein, sind an einer Gehäusestirnwand angeordnet. Das Gehäuse hat eine zylinderförmige Gestalt. Das jeweilige Sonnenrad ist somit parallel zum Arbeitsraum ausgerichtet. Die stirnseitig angeordneten Zähne des Sonnenrads erzwingen die gleiche Bewegungsrichtung wie die Ausrichtung des Arbeitsraums. Zur Mimik gehören Planetenradträger. Die Planetenradträger halten Planetenräder. Die Planetenradträger umschließen die Abtriebswelle. Somit sind die Planetenräder seitlich zur Abtriebswelle angeordnet. Die Planetenräder umkreisen in einer Ausgestaltung die Abtriebswelle, die fluchtend oder parallel zum Sonnenrad des Planetengetriebes liegt. Die Mimik stellt die Zeitwinkelsteuerung der Segmentkolben sicher. Darüber hinaus stellt die Mimik die Lage des Arbeitsraums sicher. Die Mimik bestimmt das Be- und Entladen des Arbeitsraums mit Frisch- und Abgas.
Die Verbrennungskraftmaschine hat wenigstens einen Einleithebel, vorzugsweise wenigstens einen Einleithebel, pro Segmentkolben. Eine Planetenradwelle übernimmt die Funktion einer Kurbelwelle. Die Planetenradwelle kann daher auch als Kurbel-Planetenradwelle bezeichnet werden. Auch die Bezeichnungen Segment-Hubhebel oder Planeten-Hubwelle werden dafür benutzt. Die jeweiligen Hohlwellen dienen als Segmenthohlwellen. Der Einleithebel ist an einer Segmenthohlwelle angeschlossen. Eine ablaufende Drehbewegung des Planetenrades in Folge eines auf das Planetenrad ausgeübten Explosionsdrucks lenkt über die Mimik einen Teil des Explosionsdrucks, der auf den zweiten Segmentkolben einwirkt, so um, dass der zweite Segmentkolben, das bedeutet der Nachlaufsegmentkolben, nahezu statisch verharren kann. Bei Unterschreitung eines gewissen Explosionsdrucks erfolgt danach die weitere Vortriebsbewegung auch des Nachlaufsegmentkolbens. Durch die Umlenkung wirkt die aus dem Explosionsdruck zu beziehende Bewegungsenergie immer nur in die Bewegungsrichtung des Arbeitsraums.
Der Segmentkolben wird, je nach seiner Relativposition zum Arbeitsraum, als Vorlaufkolben oder als Nachlaufkolben bezeichnet. Der Vorlaufkolben hat eine Arbeitsfläche, die auf der der Bewegungsrichtung abgewandten Seite angeordnet ist. Der Nachlaufkolben hat eine Arbeitsfläche, die auf der der Bewegungsrichtung zugewandten Seite angeordnet ist.
Die Segmentkolben sind mit einem größeren Winkel zueinander winkelversetzt an ihrer jeweiligen Hohlwelle befestigt als der Winkelabstand zwischen den Gaswechselöffnungen. Der zweite Winkelabstand bestimmt sich zwischen Einlassgaswechselöffnung und Auslassgaswechselöffnung.
Wird das Prinzip eines Einzelzylinders mehrfach nebeneinander realisiert, so bildet sich eine schichtweise Anordnung der einzelnen Arbeitsräume. Die Segmentkolben sind bei mehreren Zylindern nebeneinander aufgereiht. Auf diese Weise kann Segmentkolben-Reihenmotor ausgebildet werden. Arbeitsraum und Segmentkolben schaffen jeweils eine Schnittebene.
Oberflächengeführt kann an der Außenseite des Gehäuses eines Zylinders eine Kühlschnecke vorgesehen sein oder es können auch Kühlringe, insbesondere zur wassergekühlten Flächenkühlung, dort vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine schafft in sehr kompaktem Raum eine rotierende Kolbenmaschine, bei der zwei Kolben den Arbeitsraum begrenzen und die im Arbeitsraum zur Verfügung stehende Energie unmittelbar in eine gleichgerichtete Kreisbewegung umsetzen. Verluste durch Bewegungsumlenkungen entfallen.
In einem vorteilhaften Bewegungsablauf der Verbrennungskraftmaschine verändern die torusartigen Querflächen, die die Seitenflächen der Segmentkolben sind, ihre genaue Lage. Sie sind somit als verschiebbare Flächen zu bezeichnen. Die verschiebbaren Flächen begrenzen den Arbeitsraum in rechtwinkliger Weise. Der Arbeitsraum ist ein Ausschnitt aus einem Torus. Das Gehäuse schafft einen Volltorus, der teilweise durch die Segmentkolben genutzt wird. Die verschiebbaren Flächen wandern diskontinuierlich. Die verfügbaren Flächen wandern asynchron zueinander.
Der Explosionsdruck kann nur eine rotatorische Bewegung hervorrufen. Drehbewegung der Abtriebswelle und die Fortbewegungsrichtung bzw. Hauptbewegungsrichtung der Segmentkolben ist identisch.
Die vorteilhafte direkte Nutzung des Explosionsdrucks in gleichgerichtete Bewegungsabläufe fördert die Wirkungsgradsteigerung. Durch die Integration von unterschiedlichen Funktionen bzw. Aufgaben in die Segmentkolben, wobei die Abtriebswelle gleichzeitig die Bewegungsabläufe der Segmentkolben steuert, erspart sich eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine die Wechselöffnungssteuervorrichtungen. Die Segmentkolben setzen sowohl die Arbeitsenergie um, als sie auch den Gaswechsel bestimmen.
Kurze Figurenbeschreibung
Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, wobei
1 als Stand der Technik für Otto-Viertaktmotoren ein Winkelschema der Takte eines viertaktigen Verbrennungsmotors in Bezug auf seine Kurbelwellenposition aufzeichnet,
2 ein Winkelschema der Takte eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in Bezug auf seine Abtriebswelle aufzeichnet,
3 bis 6 schematisch den Bewegungsablauf eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors während der vier Takte Saugen (3), Verdichten (4), Arbeiten (5) und Ausstoßen (6) in je sechs 15°-Bewegungsschritten,
7 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit zwei Planetentrieben als Mimiken vorwiegend in Explosionsdarstellung,
8 eine der Mimiken aus 7 als erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Planetentriebes,
9 jeweils einzeln herausgezeichnet, eine Draufsicht auf eine Planetenführung, d. h. einen Planetenradträger, eine Lagerbrücke, einen Segment-Hubhebel, d. h. eine Planeten-Hubwelle bzw. eine Kurbel-Planetenradwelle, einen Segmenthebel und ein Segment-Pleuel, d. h. einen Planetenhebel, einer Mimik als zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Planetentriebes,
10 eine Längsdraufsicht auf die Kolben samt Wellen und jeweiliger Mimik gemäß der ersten Ausführungsform,
11 eine Längsdraufsicht ähnlich 10, jedoch zusätzlich mit jenem Teil des Gehäuses, das die Kolben umfasst,
12 eine Längsdraufsicht ähnlich 11, jedoch mit weiteren Teilen des Gehäuses, das die Kolben und eine der Mimiken umfasst,
13 eine Frontalansicht auf einen teilweise montierten Motor, wobei eine Mimik samt einem Teil des Gehäuses, und zwar der Gaswechsel-Kammer, sichtbar sind,
14 eine Frontalansicht ähnlich 13, die Maschine jedoch mit Antriebsflansch und Abgasführung,
15 einen Längsschnitt durch eine vollständig montierte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit zwei innenhohlen Segmentkolben und einer Mimik gemäß der zweiten Mimik-Ausführungsform je Kolben,
16 eine Querschnittansicht gemäß Schnitt XI aus 15 auf einen Teil der Verbrennungskraftmaschine, die innenhohlen Segmentkolben im Vordergrund und die teilweise sichtbare Mimik hinter den Kolben und
17 eine Querschnittansicht gemäß Schnitt XII aus 15 auf einen Teil der Verbrennungskraftmaschine, die innenhohlen Segmentkolben im Hintergrund und die vor den Kolben sichtbare Mimik im Vordergrund
zeigt.
Detaillierte Figurenbeschreibung
Zur Förderung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird mit Hilfe von 1 ein klassisches Hubkolbenkonzept einem erfindungsgemäßen Motorkonzept in den nachfolgenden Figuren gegenüber gestellt.
Wie aus dem Winkelschema der 1 zu entnehmen ist, benötigt ein herkömmlicher 4-Takt-Hubkolbenmotor 720° Kurbelwellendrehwinkel, um alle vier Arbeitstakte 64, 68, 72, 76, d. h. Saugen 64 als Takt 1, Verdichten 68 als Takt 2, Arbeiten 72 als Takt 3 und Ausstoßen 76 als Takt 4 in Motordrehrichtung 88 zu durchlaufen. Dabei öffnet der Einlass bei dem Kurbelwinkel Eö, wodurch das Saugen 64 über 225° Kurbelwinkel eingeleitet wird. Bei Kurbelwinkel Es schließt der Einlass, wodurch das Saugen 64 beendet wird und das Verdichten 68 über 145° Kurbelwinkel beginnt. Darauf folgt zeitlich das Arbeiten 72 über ebenfalls 145° Kurbelwinkel, wonach bei Kurbelwinkel Aö der Auslass öffnet, wodurch das Ausstoßen 76 über 230° Kurbelwinkel eingeleitet wird, welches bei Kurbelwinkel As, wo der Auslass wieder schließt, beendet wird.
Dabei ist in 1 eine Ventilüberschneidung bei OT 133 von 25° beim Übergang von Takt 4, d. h. Ausstoßen 76, zu Takt 1, d. h. Saugen 64, zugrunde gelegt. Das Einlassventil öffnet bereits, bevor das Auslassventil schon ganz geschlossen ist. Dadurch wird bekanntlich von der beschleunigten Abgassäule im Abgaskrümmer frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Verbrennungsraum gesaugt und ein Verbleiben von Abgasresten im Brennraum verringert. Diese Technik wird bekanntlich speziell bei 4-Takt-Saugmotoren verwendet.
Weiterhin ist in 1 eine Ventilüberschneidung bei UT 132 von 70° beim Übergang von Takt 3, d. h. Arbeiten 72, zu Takt 4, d. h. Ausstoßen 76, zugrunde gelegt. Bei Hochleistungsmotoren öffnet das Auslassventil bekanntlich bereits vor Erreichen des unteren Totpunkts, wodurch die Gassäule frühzeitig entspannt wird, sodass die anschließende Aufwärtsbewegung des Kolbens nicht so stark gebremst wird. Während dieser Aufwärtsbewegung öffnet sich dann auch das Einlassventil, sodass jetzt beide gleichzeitig geöffnet sind. Da das Gasgemisch allerdings schon stark Richtung Auslassventil beschleunigt wurde, wird kein Gas am Einlassventil zurückgedrückt, sondern, auch begünstigt durch eine große Ventilbeschleunigung, die zusätzlich Luft mitreißt, findet ein Spülvorgang statt. Die Abkürzungen OT für oberer Totpunkt und UT für unterer Totpunkt entsprechen dem üblichen Sprachgebrauch eines Motorentechnikers und werden beibehalten.
Wirkungsgrad reduzierend tragen bei der herkömmlichen Hubkolbenmaschine verschiedene Ursachen bei, wie zum Beispiel die übliche, oben beschriebene Ventilüberschneidung zwischen Einlass- und Auslassventilen, genauso wie die übliche Kraftumlenkung über ein Hebelwerk wie ein Pleuel. Zwischen Taktanfang und Taktende verändert sich die genutzte Kraftarmlänge in Abhängigkeit des zu nutzenden Kräfteparallelogramms. Die aus dem Explosionsdruck zu entnehmende Arbeitsleistung ist häufig auf einen Punkt bei ca. 15° Kurbelwellendrehwinkel nach OT optimiert, danach reduziert sich die entnehmbare Arbeitsleistung, häufig zum Beispiel auf die Hälfte bei einem Kurbelwellendrehwinkel von nur 30° bis 40° nach OT.
Die Abkürzungen OT und UT sind die in Fachkreisen üblichen Kurzbezeichnungen für oberer Totpunkt (OT) und unterer Totpunkt (UT). Diese Bezeichnungen sind für die herkömmliche Hubkolbenmaschine notorisch bekannt. Als Totpunkte werden demgemäß die Stellungen der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bezeichnet, in denen der Hubkolben keine Bewegung mehr in axialer Richtung ausführt. Die Lage der Totpunkte wird durch die Geometrie von Kurbelwelle, Pleuel und Kolben eindeutig bestimmt. Der obere Totpunkt (OT) ist erreicht, wenn die Kolbenoberseite sich nah am Zylinderkopf befindet und der untere Totpunkt (UT) ist erreicht, wenn die Kolbenoberseite vom Zylinderkopf am weitesten entfernt ist. Weiterhin werden bei herkömmlichen Viertakthubkolbenmotoren der Ladungswechsel-OT (LWOT, zwischen Ausstoß- und Ansaugtakt) und der Zünd-OT (ZOT, zwischen Kompressions- und Arbeitstakt) unterschieden. Der obere Totpunkt dient üblicherweise als Referenz für die Kurbelwellenlage. Eine Kurbelwellenlage von 0° Kurbelwellendrehwinkel, kurz Kurbelwinkel, entspricht in der Regel der Stellung Zünd-OT. Bei Ottomotoren wird der Zündzeitpunkt in Grad vor OT angegeben. OT bezeichnet bei Hubkolbenmotoren sohin den obersten Punkt, den ein Hubkolben im Zylinder einer Hubkolbenmaschine im Laufe seiner Huboszillationen erreicht, während UT den untersten Punkt bezeichnet, den ein Hubkolben im Zylinder einer Hubkolbenmaschine im Laufe seiner Huboszillationen erreicht. Am OT ergibt sich beim Übergang vom Verdichtungs- zum Arbeitstakt die höchste Verdichtung. Am UT ergibt sich beim Übergang vom Arbeits- zum Ausstoßtakt das größte Volumen der verbrannten Abgase.
In Fortführung des etablierten Sprachgebrauchs wird das Verständnis zum OT und UT auf den Kreiskolbenmotor übertragen.
Beim Kreiskolbenmotor sind mit Totpunktlagen die Stellungen des Kreiskolbens gemeint, bei denen das Kammervolumen minimal beziehungsweise maximal ist. Bei Läuferstellung 30° (entspricht Exzenterwinkel 90°) stellt sich das kleinste Kammervolumen (OT), bei Läuferstellung 60° (entspricht Exzenterwinkel 180°) das größte Kammervolumen ein (UT).
In teilweiser Analogie zum Kreiskolbenmotor können auch bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ein OT und ein UT definiert werden. Es gibt eine Kolbenstellungspaarung des Vorlauf- und des Nachlaufsegmentkolbens, bei der sich die höchste Verdichtung des Treibstoff-Luft-Gemisches einstellt. In dieser Stellung, beim Übergang vom Kompressions- zum Arbeitstakt, befindet sich der Arbeitsraum volumenmäßig in einem seiner beiden Minima. Dieser Zustand bzw. diese Kolbenstellungspaarung wird im Hinblick auf die erfindungsgemäße Maschine analog als OT bezeichnet. Weiterhin gibt es eine Kolbenstellungspaarung des Vorlauf- und des Nachlaufsegmentkolbens, bei der sich das kleinste Volumen des Arbeitsraumes beim Ladungswechsel ergibt. Beim Übergang vom Ausstoß- zum Ansaugtakt entspricht der Druck in diesem zweiten Volumenminimum des Arbeitsraumes dem Ladungswechseldruck. Dieser letztere Zustand bzw. diese letztere Kolbenstellungspaarung wird im Hinblick auf die erfindungsgemäße Maschine analog als UT bezeichnet.
Für den Funktionsablauf Saugen 64, Verdichten bzw. Komprimieren 68, Arbeiten 72 und Ausstoßen 76 benötigt der heutige Otto-Rundkolben-Viertaktmotor, wie in 1 gezeigt, zwei 360° Umdrehungen. Um einen Arbeitswinkel von 145° zu erreichen, sind 720° Kurbelwellendrehung erforderlich. Gegenüber der in 2 dargestellten Taktablaufdarstellung eines Segmentkolbenmotors ist die mögliche Kammervolumenleistung somit wegen der Wirkung der Kurbelwellen, d. h. wegen der drehwinkelabhängigen Hubfunktion, halbiert. Beim Ottomotor und beim Wankelmotor ist die max. Druckleistung nach 15° Kurbel- bzw. Exzenterwellen- Drehung zu OT erreicht und bei weiteren 30° bis 40° Drehung wird die Druckleistung halbiert. Der mögliche Höchstdruck kann bei beiden bekannten Systemen nie die längste Hebelwirkung, d. h. die halbe Hublänge, 90° zu OT in Leistung umsetzen.
Der Vergleich der Steuerdiagramme des Ottomotors in 1 und des Segmentkolbenmotors in 2 zeigt zwischen den Taktwinkeln der Takte 1 bis 4 keine grossen Winkelweg-Unterschiede, jedoch vermag nur der Segmentkolbenmotor seine Kraftarmlänge und damit seine Hebelwirkung von Taktanfang bis Taktende unveränderlich beizubehalten.
Die gewünschte Viertaktfunktion Saugen 64 als Takt 1, Verdichten 68 als Takt 2, Arbeiten 72 als Takt 3 und Ausstoßen 76 als Takt 4 nach 2 wird bei einem erfindungsgemäßen Segmentkolbenmotor mittels eines Planetentriebes, vorzugsweise im Verhältnis 2:1, mit nur einer Umdrehung in Motordrehrichtung 88 verwirklicht. Wie 2 deutlich zeigt, sind die Takte 1 und 2, d. h. Saugen 64 und Verdichten 68, einerseits und die Takte 3 und 4, d. h. Arbeiten 72 und Ausstoßen 76, andererseits in ihren jeweils paarweise beanspruchten Kurbelwinkelbereichen, insbesondere im Vergleich mit 1, ineinander geschoben. Sohin sind alle Funktionen beim Segmentkolbenmotor innerhalb einer einzigen 360°-Umdrehung unterbringbar. Vorteilhafterweise ergeben sich keine Kraftarmverluste wie bei einer Kurbelwelle oder einer Wankelmotor-Exzenterwelle. Die Segmentkolben ermöglichen eine (theoretische) Verbrauchshalbierung. Die Segmentkolben ermöglichen eine (theoretische) Leistungsverdoppelung.
In 2 ist bei Bezugszeichen 90 ein Zündzeitwinkel von 10° zugrunde gelegt. Alle angegebenen Winkelangaben in den diversen Figuren, insbesondere in 2, sind lediglich Beispielsangaben für vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung und schränken die Erfindung, welche auch für andere Winkel bzw. Winkelbereiche funktionieren kann, in keiner Weise ein.
In den Funktionsablauf-Zeichnungen der 3 bis 6 sind die Segmentkolben 17a, 17b in den von ihnen ausgeführten Taktfunktionen in 15°-Bewegungsschritten für eine volle 360°-Umdrehung dargestellt, wobei 3 den Ansaugtakt 64, 4 den Verdichtungstakt 68, 5 den Arbeitstakt 72 und 6 den Ausstoßtakt 76 zeigt. In den 3 bis 6 schreitet der Bewegungszustand jeweils von links nach rechts und von oben nach unten fort.
Alle 24 Darstellungen von unterschiedlichen Positionen der Segmentkolben 17a, 17b in den 3 bis 6 werden nachfolgend gleichzeitig erläutert.
In der ersten Phase des Ansaugtaktes 64 wird zunächst durch umfängliche Erstreckungsvergrößerung des Arbeitsraumes 112 infolge Vorlaufens des Segementkolbens 17a der Einlass 104 als Gaswechselöffnung zum Ansaugen von Treibstoff-Luft-Gemisch freigegeben, wodurch die Gaswechselöffnung 104 im Gehäuse 16 zeitweilig zum Arbeitsraum 112 durchgängig wird. Damit der Einlass 104 über seinen vollen Querschnitt mit dem Arbeitsraum 112 kommunizieren kann, muss der Vorlaufsegmentkolben 17a etwa einen Winkel von 23° überstreichen (s. auch 2). Während der Nachlaufsegmentkolben 17b quasi-stationär bleibt, eilt der Vorlaufsegmentkolben 17a im weiteren Verlauf des Ansaugens 64 weiter in Motordrehrichtung 88 vor, wobei der Einlass 104 zum Arbeitsraum 112 durchgängig ist. Während seiner quasi-stationären Phase im Ansaugtakt 64 wandert der Nachlaufsegmentkolben 17b entgegen der Motordrehrichtung 88 um etwa 10° zurück, wodurch der Auslass 108, zumindest teilweise, zumindest kurzzeitig, zum Arbeitsraum 112 durchgängig wird. In dieser Phase sind beide Gaswechselöffnungen 104, 108, der Einlass 104 und der Auslass 108, zum Arbeitsraum 112 durchgängig (s. 3 Mitte). In der Folge beginnt der Nachlaufsegmentkolben 17b dem bereits weit in Richtung OT vorangeschrittenen Vorlaufsegmentkolben 17a wieder nachzueilen. Dadurch wird zuerst der Auslass 108 vom Arbeitsraum 112 kommunikationsmäßig abgetrennt.
In der Folge, d. h. am Ende des Ansaugtaktes 64, d. h. beim Übergang zum Verdichtungstakt 68 (4 links oben), wird auch der Einlass 104 vom Nachlaufsegmentkolben 17b überstrichen, wodurch der Einlass 104 ebenfalls vom Arbeitsraum 112 abgetrennt wird. Der maximale Saugwinkel 84 kann beispielsweise 137,07° betragen. Beide Gaswechselöffnungen 104, 108 sind nun nicht mehr zum Arbeitsraum 112 durchgängig. In der Folge beginnt eine quasi-stationäre Phase für den Vorlaufsegmentkolben 17a nahe OT, während der Nachlaufsegmentkolben 17b in seiner Winkelgeschwindigkeit beschleunigt wird und dadurch die Verdichtung gegen den Widerstand des fast ortsfest verharrenden Vorlaufsegmentkolbens 17a durchführt. Gegen Ende des Verdichtungstaktes 68 kehrt der Vorlaufsegmentkolben 17a seine Wanderungsrichtung um und schleicht dem eilig in Motordrehrichtung 88 auf ihn zukommenden Nachlaufsegmentkolben 17b gegen die Motordrehrichtung 88 entgegen.
In dieser Phase, oder auch erst wenn der Vorlaufsegmentkolben 17a bereits wieder umgekehrt ist und sich wieder in die Motordrehrichtung 88 zu bewegen beginnt, erfolgt die Zündung, beispielsweise bei einem Zündzeitwinkel von 10° (5).
Nach der Zündung erfolgt der Arbeitstakt 72. In dieser Phase dreht sich das Bewegungsspiel der Kolben 17a und 17b wieder um. Der Nachlaufsegmentkolben 17b verharrt quasi-stationär etwa bei OT. Der Vorlaufsegmentkolben 17a wird von den Gaskräften der expandierenden inneren Explosion in Motordrehrichtung 88 beschleunigt.
In der Folge, d. h. am Ende des Arbeitstaktes 72, d. h. beim Übergang zum Ausstoßtakt 76 (6 links oben), wird ein maximaler Arbeitswinkel 92 errreicht. Der maximale Arbeitswinkel 92 kann 137,07° betragen.
Nachdem der Vorlaufsegmentkolben 17a den maximalen Arbeitswinkel 92 überschritten hat, beginnt der Ausstoßtakt 76 (6). Der Ausstoßtakt 76 beginnt, wenn der Vorlaufsegmentkolben 17a durch sein Voranschreiten in Motordrehrichtung 88 den Auslass 108 zum Arbeitsraum 112 durchgängig zu machen beginnt. Nachdem der Vorlaufsegmentkolben 17a den vollen Querschnitt des Auslasses 108 zum Arbeitsraum 112 hin freigegeben hat, tritt er in eine quasi-stationäre Phase ein. Der Vorlaufsegmentkolben 17a kann in der quasi-stationären Phase während des Ausstoßens 76 noch bis zum Einlass 104 weiterwandern und auch diesen, zumindest teilweise, zumindest kurzzeitig, zum Arbeitsraum 112 durchgängig machen. Der Vorlaufsegmentkolben 17a kann durch ein Zurückschleichen entgegen der Motordrehrichtung 88 den Einlass 104 während des Ausstoßens 76 auch wieder schließen, während der Auslass 108 weitherhin zum Arbeitsraum 112 durchgängig bleibt.
Bereits bevor der Vorlaufsegmentkolben 17a damit beginnt, den Auslass 108 zum Arbeitsraum 112 hin durchgängig zu machen, beschleunigt der Nachlaufsegmentkolben 17b wieder aus seiner quasi-stationären Lage bei OT in Motordrehrichtung 88 und eilt dem Vorlaufsegmentkolben 17a somit wieder beschleunigt nach. Dadurch wird das verbrannte Abgas aus dem Arbeitsraum 112 durch den Auslass 108 ausgetrieben. Am Ende des Ausstoßtaktes beginnt der Nachlaufsegmentkolben 17b den Auslass 108 wieder vom Arbeitsraum 112 abzuschließen. Am Übergang zum nächsten Ansaugtakt 64 sind dann wieder beide Gaswechselöffnungen 104, 108 kurzzeitig nicht zum Arbeitsraum 112 hin durchgängig.
In der beschriebenen Weise übernimmt der Segmentkolben 17a den Takt 1, d. h. die Taktfunktion Ansaugen 64, sowie Takt 3, d. h. das Arbeiten 72, wobei der Segmentkolben 17b in entsprechender Position, mittels des Planetentriebes 120 fast bewegungslos gehalten wird (3 und 5). Der Segmentkolben 17b übernimmt den Takt 2, d. h. das Verdichten 68, und den Takt 4, d. h. die Funktion Ausstoßen 76, wobei der Segmentkolben 17a in entsprechender Position, aufgrund der Wirkung des Planetentriebes 120, fast bewegungslos bleibt (4 und 6). Durch die im Wechsel entstehenden, aufeinander abgestimmten Winkelbeschleunigungen einerseits und die Winkelgeschwindigkeitszurücknahmen bis zur beinahen Bewegungslosigkeit der Segmentkolben 17a und 17b andererseits gelingt die Realisierung der erforderlichen Winkelweg-Steuerzeiten für die Taktfunktionen Saugen 64, Verdichten 68, Arbeiten 72 und Ausstoßen 76.
Nach der Zündung, d. h. während der Taktfunktion Arbeiten 64, wird die Leistungsabgabe am Segmentkolben 17a mittels der mit ihm verbundenen Segmenthohlwelle 20, des mit der Segmenthohlwelle 20 verbundenen Segmenthebels 12, des Planetentriebes 120, 10, 5, 21, 4, 1 und der Lagerbrücke 33 zur Abtriebswelle 25 geführt, wobei der Gegendruck auf den Segmentkolben 17b mittels der Planetentrieb-Funktion, d. h. der gegenseitigen Interaktion des Planetenrades 4 und des Sonnenrades 1, als Vortrieb der Abtriebswelle 25 umgelenkt wird (in den 3 bis 6 sind die Segmenthohlwellen 20, 29, der Segmenthebel 12, die Planeten-Hubwellen 5, der Planetenträger 21, die Lagerbrücke 33, sowie die Abtriebswelle 25 der Übersichtlichkeit halber nicht herausgezeichnet; siehe diesbezüglich beispielsweise 7 oder 8; die Planetenhebel 10 sind lediglich als Verbindungsstriche ihrer idealisierten Lagerpunkte angedeutet).
Der zur Verfügung stehende Explosionsdruck aus der Taktfunktion Arbeiten 64 kann sich aufgrund des feststehenden Sonnenrades 1 nur in Vortrieb der Abtriebswelle 25 umwandeln (in den 3 bis 6 ist der Einfachheit halber nur ein Planetentrieb 120 mit einem Sonnenrad 1 und zwei bezüglich des Sonnenrades einander gegenüber liegenden Planetenrädern 4 für den Segmentkolben 17a eingezeichnet).
Die in einem bekannten Otto-Zweitaktmotor gleich zweifach vorhandenen funktionsbedingten Leistungsvernichter sind in einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 60 nicht vorhanden. Zur oben erörterten Kurbelwellen-Kraftarmveränderung von OT nach UT, d. h. drehwinkelabhängige Verlängerung von Null bis auf die halbe Hublänge und wieder zurück auf Null, kommt die Vorverdichtung als Gegendruck zur Arbeitsleistung. Beides entfällt in einer erfindungsgemäßen Maschine 60. Eine absolut saubere Trennung zwischen Frischgas und Abgas ist nicht möglich.
Die als viertaktiger Ablauf dargestellte Arbeitsweise einer Verbrennungskraftmaschine 60 kann auch als zweitaktige Arbeitsmaschine verwirklicht werden.
Im Segmentkolbenmotor ist demgegenüber – unabhängig von dem Taktungstyp des Verbrennungsmotors – eine saubere Trennung zwischen Frischgas und Abgas in Form einer Spülung funktionsbedingt zum Erreichen besserer Abgaswerte verwirklicht. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Spülfunktion mittels Abgasrückführung unterbleiben. In einer alternativen Ausgestaltung werden die Planetenhebel 10 kürzer gestaltet. Der Bewegungsablauf lässt sich über die Hebellänge des Hebels 10 einstellen. Zwischen den Segmentkolben 17a, 17b und dem Kammergehäuse 16, 19, 26, 27 treten wie beim Kolbenmotor keine Brennraumwinkel unter 90° auf (siehe das Wankelmotor-Problem). Als weiterer Vorteil kann festgehalten werden, dass somit keine schlecht brennbare Ouetschströmung entsteht.
7 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 60 in Explosionsdarstellung, nachfolgend auch als Motor bezeichnet. Die äußeren Teile des Motors 60, wie das Gehäuse mit den Teilen 16, 19, 26, 27, in dem sich die Kolben 17a, 17b bewegen, samt weiteren Gehäuse- bzw. Außenteilen, wie ein Gewindeflansch 14 samt zwei Zylinderschrauben 15 für ein Zündmittel (nicht dargestellt), wie eine Zündkerze, ein Segmentkolbenmantel 16, ein Manteldeckel 19, ein Saugkammer-Flansch 23 mit einem Gemisch-Zuführungsflansch 96, eine Gaswechsel-Kammer 26, ein Abgas-Kammerdeckel 27, ein Lagerdeckel 36, ein Kammermantel 39, ein Antriebsflansch 43, sind in der oberen Teilereihe zu sehen. Die untere Teilereihe zeigt die innere Mechanik der Maschine, wobei jeder der beiden Segmentkolben 17a, 17b von einer eigenen Mimik 120a, 120b in Form eines Planetentriebes 120 in einer ersten Ausführungsform gesteuert wird. Der Vorlaufsegmentkolben 17a wird auch als erster Segmentkolben, der Nachlaufsegmentkolben 17b als zweiter Segmentkolben bezeichnet. Die Segmentkolben 17a, 17b sind als Kreisabschnitte gestaltet. Die Segmentkolben 17a, 17b formen den Zylinderraum abschnittsweise in bogenförmiger Gestalt nach.
Die innere Mechanik umfasst somit die beiden Segmentkolben 17a und 17b, wobei der Vorlaufsegmentkolben 17a zur Verbindung mit einer Segmenthohlwelle 20 und der Nachlaufsegmentkolben 17b zur Verbindung mit einer Segmenthohlwelle 29 (nur bruchstückhaft dargestellt) bestimmt ist. Die Verbindung eines Segmentkolbens 17a, 17b mit seiner Segmenthohlwelle 20, 29 kann gebaut, insbesondere formschlüssig, kraftschlüssig etc., oder auch einstückig ausgebildet sein. Zwischen einer Segmenthohlwelle 20, 29 und dem jeweiligen ihr zugeordneten Planetentrieb 120 kann eine Zentrierung 38 angeordnet sein.
Das Planetengetriebe 120 in der ersten Ausführungsform, wie es in 7 zu sehen und in 8 noch einmal größer herausgezeichnet ist, umfasst im Wesentlichen ein Sonnenrad 1, genauer ein Sonnenstirnrad 1, zwei Planetenräder 4, zwei Planeten-Hubwellen 5, die auch als Kurbel-Planetenradwelle, Planetenradwelle bzw. Segment-Hubhebel bezeichnet werden dürfen, zwei Nadellager 6, acht Lagerklammern 7, vier Hebelachsen 8, zwei Planetenhebel 10, die auch als Segment-Pleuel bezeichnet werden, vier Nadellager 11, einen Segmenthebel 12, der aus zwei formgleichen, jedoch gegengleich zusammengesetzten Teilsegmenthebeln gebaut ist (8), eine Planetenführung 21, die auch als Planetenradträger bezeichnet wird, die aus zwei formgleichen, jedoch gegengleich zusammengesetzten Planetenführungsteilen gebaut ist (8), eine Lagerbrücke 33, einen Nadelinnenring 41, zwei Nadellager 35, 42. Die Bauteile sind untereinander zu verbinden. Hierbei sind die nachfolgenden Bauteile vorteilhaft zu verwenden. Es sind, wie insbesondere in 7 zu sehen ist, Zylinderstifte 2, Zylinderschrauben 3, Schlitzmuttern 9, Scheibenfedern 13 zur Realisierung einer Welle-Nabe-Verbindung als formschlüssige Verbindungstechnik zur Drehmomentübertragung zwischen Abtriebswelle 25 und der Planetenführung 21, Gleitlager 28, 30, Passbolzen 31, Senkschrauben 32, Sicherungsscheiben 34, Schlitzmuttern 54, Wellenhebelbolzen 56, Wellenhebelbolzen-Bohrungen 57 und Unterlegscheiben 58 vorhanden, mit deren Hilfe ein erfindungsgemäßer Planententrieb 120 zusammengebaut werden kann. Der Fachmann kann die Anordnung und Zugehörigkeit der genannten Verbindungs- bzw. Gelenkskomponenten, insbesondere für die erste Ausführungsform, der graphischen Darstellung der 7 und teilweise den nachfolgenden Figuren entnehmen.
Von den dargestellten Ausbildungen aller Figuren sind Abweichungen und Modifikationen sowohl nach Anzahl der jeweils verwendeten Teile als auch nach deren Proportionen denkbar und möglich. Beispielsweise könnte je Planetentrieb 120 lediglich ein Planetenrad 4 vorhanden sein. Es könnten auch mehr als zwei Planetenräder 4 je Planetentrieb 120, beispielsweise drei oder vier Planetenräder 4 je Planetengetriebe 120, vorhanden sein. Auch könnten gebaute Teile, wie der Segmenthebel 12 oder die Planetenführung 21, auch einstückig ausgeführt sein.
Der Kolben 17a ist mit Segmentdichtleisten 45, 48, 50, der Kolben 17b mit Segmentdichtleisten 47, 49, 128 jeweils gegenüber dem Arbeitsraum abdichtbar. Weiterhin dichten Wellendichtungen 46 den im Betrieb mit Druckschwankungen infolge der Explosions- und Gaskräfte beaufschlagten Innenraum der Maschine ab. Weitere Wellendichtungen 51 dichten die Spielräume zwischen Zentralwelle 25 und den Hohlwellen 20, 29 ab.
Die Zentralwelle der Maschine wird von der Abtriebswelle bzw. Antriebswelle 25 gebildet. Auf der Abtriebswelle 25 steht das Motorantriebsmoment für Drehmomentverbraucher zur Verfügung.
Weitere Zylinderschrauben, wie die Zylinderschrauben 24, 37 und 40 dienen dazu, das gebaute Gehäuse im weiteren Sinn 39, 27, 26, 16, 19, 23 und 36 axialzusammenzubauen und zusammenzuhalten.
Die Schrauben 55 dienen der Befestigung der Abgasführung 52 an dem Abgas-Abführungsflansch 100, der sich nach Zusammenbau als zweiteiliger Anformabschnitt aus der Gaswechsel-Kammer 26 und dem Abgas-Kammerdeckel 27 ausbildet.
Sowohl der Saugkammer-Flansch 23 als auch der Kammermantel 39 umfassen bei der ersten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 60 je zwei Anformungen je mit einem Innengewinde für je einen darin einschraubbaren Standbolzen 44, auf dem die Maschine 60 aufgestellt werden kann.
8 zeigt eines der beiden Planetengetriebe 120 aus 7 in Explosionsdarstellung größer herausgezeichnet. Wie in 8 deutlich wird, sind in der Planetenführung 21 und im Segmenthebel 12, und zwar jeweils in jedem der diese aufbauenden Teile, Ausnehmungen 89 eingearbeitet. Die Ausnehmungen 89 dienen zur Gewichtseinsparung, insbesondere zur Reduktion des Trägheitsmomentes, der Planetenführung 21 bzw. des Segmenthebels 12.
9 zeigt einige Details einer zweiten von der ersten etwas unterschiedlichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mimik. Die Mimik ist ohne die Masse reduzierenden Ausnehmungen aufgebaut, somit mit einer durchgehenden Planetenführung 21. Die dargestellten Teile sind jedoch als Flachteile ausgebildet, was wiederum die Realisierung leichter bzw. trägheitsarmer Teile ermöglicht. Die Ausführung als Flachteile hindert nicht daran, die Teile in ihren Innenbereichen verstärkt, z. B. dicker als in den Randbereichen, auszubilden. Links oben ist in einer Draufsicht eine Planetenführung 21 dargestellt, die aus den beiden erwähnten Teilen mittels vier Schrauben zusammengebaut ist. Die Planetenführung 21 hat im Wesentlichen die Form eines rechteckigen Flachteiles mit rundlichen Breitseiten und abgerundeten Ecken. Entlang der Längsseiten, deren jede eine dreieckige laterale Erweiterung mit Innengewinden für zwei der vier Schrauben aufweist, sind Bohrungen für die ebenfalls dargestellten Senkschrauben-Passbolzen-Kombinationen 31, 32 vorgesehen. Je eine Wellenhebelbolzen-Bohrung 57 zur Aufnahme eines Wellenbolzens 56 ist an jedem der beiden Längsenden angeordnet (die Wellenhebelbolzen 56 sind in 9 nicht dargestellt; siehe beispielsweise 7). Im Zentrum des Planetenradträgers 21 ist eine Zentralbohrung 83 angeordnet, die vier Formschlussnuten 59 zur direkten oder indirekten formschlüssigen Verbindung mit einer Welle aufweist. Die formschlüssige Verbindung kann beispielsweise indirekt mittels Scheibenfedern erfolgen. Es könnten aber auch passende Nasen einer Welle direkt formschlüssig in die Nuten 59 eingreifen.
Weiterhin zeigt 9 eine Lagerbrücke 33, die mittels der Senkschrauben-Passbolzen-Kombinationen 31, 32 mit der Planetenführung 21 beabstandet verbindbar ist. Die Lagerbrücke 33 hat im Wesentlichen die Form eines Flachringes. Von dem kreisförmigen Außenrand des Flachringes streben zwei gegenüberliegende Ausbauchungen 62 radial nach außen. Diese weisen zwei Wellenhebelbolzen-Bohrungen 61 zur Aufnahme je eines Wellenhebelbolzens 56 auf (die Wellenhebelbolzen 56 sind in 9 nicht dargestellt; siehe beispielsweise 7).
Weiterhin zeigt 9 eine Planeten-Hubwelle 5, die eine Art Kurbelwellenwange 79 aufweist. Die Kurbel-Planetenradwelle 5 weist eine nicht durchgängige Sacklochbohrung 63 und eine durchgängige Bohrung 77 auf. Die Sacklochbohrung könnte auch eine durchgängige Bohrung 63 sein. Die in der Längsachse der Planetenradwelle 5 gesehen mittig angeordnete, als Sackloch ausgeführte, Wellenhebelbolzen-Bohrung 63 weist drei Formschlussnuten 78 zur Drehmomentein- bzw. weiterleitung eines Wellenhebelbolzens 56 auf. Die Hebelachsen-Bohrung 77 an dem der Hubwellen-Wange 79 gegenüberliegenden Ende 81 dient der Aufnahme einer Hebelachse 8.
Weiterhin zeigt 9 einen Segmenthebel 12, der aus den beiden erwähnten Teilen mittels zweier Senkschrauben zusammengebaut ist. Der Segmenthebel 12 hat im Wesentlichen die Form einer Raute mit zwei einander gegenüberliegenden abgerundeten Ecken 86. Die Hebelachsen-Bohrungen 82 in der Nähe der Rundecken 86 dienen zum Zwecke der Verbindung eines Segmenthebels 12 mit einem Planetentrieb 120 der Aufnahme eines Nadellagers 11 mit einer Lagerklammer 7 und einer Hebelachse 8. Durch eine Hebelachse 8 ist eine Kurbel-Planetenrad-Hubwelle 5 mit dem Segmenthebel 12 zur Drehmomentein- bzw. weiterleitung verbindbar (die Wellenhebelbolzen 56 sind in 9 nicht dargestellt; siehe beispielsweise 7).
Weiterhin zeigt 9 einen leicht taillierten Planetenhebel 10 mit zwei in seine beiden jeweils endlings angeordneten Bohrungen 87 eingesetzten Nadellagern 11. Der Planetenhebel 10 dient der mittelbaren kurbelnden Verbindung eines Segmenthebel 12 mit einer Planetenradwelle 5. Dabei nimmt die eine der Bohrungen 87 eine Hebelachse 8 in ihrem Nadellager 11 zur rotierbaren Verbindung mit der Planetenradwelle 5 auf. Die andere der beiden Bohrungen 87 schafft mit dem in sie eingesetzten Nadellager 11 eine rotierbare Verbindung zu dem Segmenthebel 12 hin.
Aspekte der in 8 gezeigten Mimik in Form des Planetengetriebes 120 lassen sich auch mit einzelnen Aspekten der in 9 gezeigten Mimiken in jedem Detail kombinieren.
10 zeigt die innere Mechanik aus 7 in einem zusammengebauten Zustand. Mittig sind die beiden Kolben 17a und 17b zu sehen. Die Bohröffnung 93 in jedem Segmentkolben 17a, 17b ist für Befestigungsschrauben des Segmentkolbens 17a, 17b an der dem jeweiligen Kolben zugeordneten Segmenthohlwelle 20, 29 vorgesehen. Die Verbindung zwischen einem Segmentkolben 17a, 17b ist somit für die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 60 gebaut. Die Befestigung der Segmentkolben 17a, 17b an der jeweils zugeordneten Segmentwelle 20, 29 könnte auch durch Passfedern erfolgen.
Der Vorlaufsegmentkolben 17a könnte auch einstückig mit seiner Segmenthohlwelle 20 ausgebildet sein. Der Nachlaufsegmentkolben 17b könnte auch einstückig mit seiner Segmenthohlwelle 29 ausgebildet sein.
Beide Segmenthohlwellen 20 und 29 sind drehbar auf der Abtriebswelle 25 gelagert. Auf die Segmenthohlwelle 20 folgt planetentriebseitig die Zentrierung 38.
Lateral, d. h. endseitig in der Nähe des linken Endes der Abtriebswelle 25, folgt auf die Segmenthohlwelle 20 die Mimik 120a des Vorlaufsegmentkolbens 17a in Form eines Planetentriebes 120. Lateral gegenüber, d. h. endseitig in der Nähe des rechten Endes der Abtriebswelle 25, folgt auf die Segmenthohlwelle 29 die Mimik 120b des Vorlaufsegmentkolbens 17b in Form eines Planetentriebes 120.
Ein Segmenthebel 12 ist drehfest mit der Segmenthohlwelle 20 verbunden. Ein weiterer Segmenthebel 12 ist drehfest mit der Segmenthohlwelle 29 verbunden. Die beiden gebauten Segmenthebel 12 sind gegengleich zueinander auf ihrer jeweiligen Hohlwelle 20 bzw. 29 angeordnet.
Jeder Segmenthebel 12 ist drehbar mittels jeweils eines segmenthebelseitigen Nadellagers 11 mit einem Ende zweier jeweils ihm zugeordneten Planetenhebel 10 verbunden (die Nadellager 11 sind in 10 wegen des zusammengebauten Zustandes nicht sichtbar). Das jeweils andere Ende jedes der beiden Planetenhebel 10 ist mit jeweils einer Seite einer Kurbel-Planetenwelle 5 mittels einer Hebelachse 8 und eines hubwellenseitigen, in einer auf der besagten Seite außermittig angeordneten Bohrung 77 der Kurbel-Planetenwelle 5 sitzenden Nadellagers 11 drehbar verbunden. Auf der jeweils anderen Seite jeder Kurbel-Planetenwelle 5 sitzt mittels eines Nadellagers 6 gelagert ein Wellenhebelbolzen 56 (auch die Nadellager 6 sind im zusammengebauten Zustand nicht sichtbar).
Auf der Abtriebswelle 25 sind zwei Sonnenräder 1 angeordnet. Für jede der beiden Mimiken 120a und 120b ist jeweils ein Sonnenrad 1 vorhanden. Jedes Sonnenrad 1 ist drehbar auf der Abtriebswelle 25 gelagert. Die drehbare Lagerung ist mittels Kugellagern (nicht sichtbar) realisiert.
Auf der Abtriebswelle 25 sind zwei Planetenradträger 21 angeordnet. Für jede der beiden Mimiken 120a und 120b ist jeweils ein Planetenradträger 21 vorhanden. Jeder Planetenradträger 21 ist drehfest mit der Abtriebswelle 25 verbunden. Die drehfeste Verbindung ist mittels Scheibenfedern 13 (nicht sichtbar) realisiert. Jeder Planetenradträger 21 weist zwei entlang der Längsseite des Planetenradträgers 21 einander gegenüberliegende Wellenhebelbolzen-Bohrungen 57 auf. Durch jede der beiden Wellenhebelbolzen-Bohrungen 57 eines Planetenradträgers 21 ist ein von einer Kurbel-Planetenradwelle 5 herkommender Wellenhebelbolzen 56 drehbar gelagert hindurchgeführt. Ein Planetenträger 21 einer Mimik 120a, 120b hat sohin zwei Seiten. Die eine Seite ist den beiden Kurbel-Planetenradwellen 5 der Mimik 120a, 120b zugewandt. Die andere Seite ist den beiden Planetenrädern 4 der Mimik 120a, 120b zugewandt. Jeder der beiden Wellenhebelbolzen 56 einer Mimik 120a, 120b durchragt einen Planetenträger 21 der jeweiligen Mimik 120a, 120b von der kurbel-planetenradwellen-seitigen Seite des Planetenträgers 21 her auf die planetenräder-seitige Seite des Planetenträgers 21.
Jeweils zwei Planetenräder 4 sind auf der der kurbel-planetenradwellen-seitigen Seite des Planetenträgers 21 einer Mimik 120a, 120b abgewandten Seite auf einem Wellenhebelbolzen 56 drehfest gelagert, beispielsweise mittels Scheibenfedern (nicht sichtbar). Das über das Ende jedes der Planetenräder 4 einer Mimik 120a, 120b hinausragende Ende des dem jeweiligen Planetenrad 4 zugeordneten Wellenhebelbolzens 56 ist mittels eines Nadellagers 35, 42 in einer Bohrung 61 der Lagerbrücke 33 einer Mimik 120a, 120b drehbar gelagert. Die Lagerbrücke einer Mimik 120a, 120b ist mittels einer Senkschrauben-Passbolzen-Kombination 31, 32 so beabstandet mit dem Planetenradträger der Mimik 120a, 120b verbunden, dass die Planetenräder 4 und das Sonnenrad 1 einer Mimik 120a, 120b in dem durch die Beabstandung entstehenden Zwischenraum drehbar angeordnet sein können.
Der Zwischenraum zwischen der Mimik 120, 120a, 120b und dem jeweils die Mimik 120, 120a, 120b umschließenden Kammermantel 39 lässt sich in einer Ausgestaltung als Verwirbelungsraum für die Brenngasvermischung vorteilhaft nutzen. Der Zwischenraum wird durch die sich bewegende Mimik 120, 120a, 120b rotierender Weise durchlaufen. Die Mimik 120, 120a, 120b dient als Quirl, insbesondere für das Brenngas.
Die in den 10 sichtbare Vertiefung 91 in jedem der Segmentkolben 17a, 17b, welche auf der dem Arbeitsraum 112 abgewandeten Seite, der Außenfläche des Segmentkolben 17a, 17b, angeordnet ist, dient zur Ölfilmbildung.
In 11 ist der Zusammenbau der Maschine 60 gegenüber 10 einen Schritt weitergeführt, indem der Segmentkolbenmantel 16 axial entlang der Abtriebswelle 25 über die Kolben 17a, 17b geschoben ist.
In 12 ist der Zusammenbau der Maschine 60 gegenüber 11 um einige Schritte weitergeführt, indem zusätzlich zum Segmentkolbenmantel 16 auch der Manteldeckel 19, der Saugkammerflansch 23, die Gaswechselkammer 26, der Abgaskammerdeckel 27, der Lagerdeckel 36 und der Kammermantel 39 so montiert sind, dass die genannten Teile die innere Mechanik der Maschine fast völlig, mit Ausnahme des dem Kolben 17a zugeordneten Planetentriebes 120a, einhausen. Die Gaswechselkammer 26 und der Abgaskammerdeckel 27 bilden zusammen den Abgas-Abführungsflansch 100 aus. Auf dem Saugkammerflansch 23 ist der Gemisch-Zuführungsflansch 96 angeordnet. Das in 12 sichtbare Gehäuse ist mit vier Standbolzen 44 versehen.
13 zeigt die Maschine 60 in Frontalansicht ähnlich wie in dem Zusammenbauzustand von 12, der Abgaskammerdeckel 27 jedoch wieder entfernt, sodass der Blick auf den Einlass 104 und den Auslass 108 in der Gaswechselkammer 26 teilweise freigelegt ist. Die Maschine steht auf ihren Standbolzen 44. Der Gewindeflansch 14 für das Zündmittel ist links bei neun Uhr in 13 zu sehen. Bei etwa ein Uhr ist der Gemisch-Zuführungsflansch 96 angeordnet. Somit liegen in dieser Ausgestaltung ca. 105° zwischen dem Gewindeflansch 14 und dem Zuführungsflansch 96. Bei etwa vier Uhr ist der gaswechselkammerseitige Teil des Abgas-Abführungsflansches 100 angeordnet. Das vorderste sichtbare Teil der Mimik 120a ist deren Lagerbrücke 33. Dahinter sind die beiden Planetenräder 4 und das Sonnenrad 1 der Mimik 120a zu erblicken. Hinter den beiden Planetenrädern 4 und dem Sonnenrad 1 sind die beiden Kurbel-Planetenradwellen 5 zu sehen, wobei die Wange der oberen Kurbel-Planetenradwelle 5 in Richtung zum Gemisch-Zuführungsflansch 96 zeigt, während die Wange der unteren Kurbel-Planetenradwelle 5 in Richtung zum linken vorderen Standbolzen 44 zeigt.
In 14 ist die Maschine aus 13 komplett fertig montiert in Frontalansicht vorliegend. Im Vordergrund ist nun der Antriebsflansch 43 sichtbar. An den Abgas-Abführungsflansch 100 ist die Abgasführung 52 angeschraubt.
15 zeigt einen Längsschnitt durch eine vollständig montierte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 60 mit zwei innenhohlen Segmentkolben 17a, 17b und einer Mimik 120a, 120b gemäß der zweiten Mimik-Ausführungsform aus 9 je Kolben. Die Maschine 60 ist in der zweiten Ausführungsform grundsätzlich ähnlich wie in der ersten Ausführungsform aufgebaut. Jedoch finden sich Unterschiede in etlichen Details, insbesondere was die drehbare bzw. drehfeste Lagerung bestimmter Teile betrifft. Während die Wellenhebelbolzen 56 bei der ersten Ausführungsform der Mimiken drehfest in der jeweiligen Wellenhebelbolzenbohrung 57 der jeweiligen Planetenträger 21 stecken, sind die Wellenhebelbolzen 56 bei der zweiten Ausführungsform der Mimiken mittels Kugellager drehbar in der jeweiligen Wellenhebelbolzenbohrung 57 der jeweiligen Planetenträger 21 gelagert. Während die Planetenradwellen 5 bei der zweiten Ausführungsform der Mimiken drehfest mit den Wellenhebelbolzen 56 verbunden sind, sind die Planetenradwellen 5 bei der ersten Ausführungsform der Mimiken mittels Nadellager drehbar mit den Wellenhebelbolzen 56 verbunden. Ein weiterer Unterschied ist in der Maschinenbefestigung zu sehen. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Maschine 60 mittels eines Lagerdeckel mit Maschinenflansch 124 an einem Träger anflanschbar, während sie in der ersten Ausführungsform auf Standbolzen steht. Die Maschine 60 nach 15 ist mit einer Riemenscheibe 94 ausgestattet.
In 15 ist zu sehen wie das Sonnenrad 1 mittels Schrauben am Lagerdeckel 36 festgesetzt ist, wodurch sein Feststehen erzwungen wird. Der Segmentkolbenmantel 16, der Manteldeckel 19, die Gaswechsel-Kammer 26 und der Abgas-Kammerdeckel 27 sind an ihren Außenflächen mit Kühlrippen versehen. Die Maschine 60 ist in der zweiten Ausführungsform somit luftgekühlt durch Luftführung außen. In den Kammern mit den Mimiken kommt es durch die Zahnräder 1, 4 zu Verwirbelungen, wodurch eine vielfache Luftumlenkung realisierbar ist.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Verbrennungskraftmaschine 60 mit mehrfach nebeneinander angeordnete Kühlrippen (wie in 7 zu sehen) ausgestattet sein, um eine Wasserkühlung zu ermöglichen.
16 zeigt eine Querschnittansicht gemäß Schnitt XI aus 15 auf einen Teil der Verbrennungskraftmaschine. Die innenhohlen Segmentkolben 17a, 17b sind im Vordergrund zu sehen. Die teilweise sichtbare Mimik 120a ist hinter den Kolben angeordnet. Die Segmentdichtleisten sind von den Kolben entfernt, sodass die Dichtungsnuten 116, in denen Segmentdichtleisten anzuordnen sind, erblickt werden können.
17 zeigt eine Querschnittansicht gemäß Schnitt XII aus 15 auf einen Teil der Verbrennungskraftmaschine. Die innenhohlen Segmentkolben 17a, 17b sind im Hintergrund zu sehen, währen die vor den Kolben angeordnete Mimik im Vordergrund sichtbar ist.
Auf die erfindungsgemäße Maschine kann unabhängig von ihrer speziellen Ausführungsform weiterhin Folgendes zutreffen: Die Anlenkung der Pleuel 10 bestimmt das Bewegungsverhalten der Segmentkolben 17a, 17b. Die Pleuellänge der Pleuel 10 bestimmt die Bewegungsgeschwindigkeit. Die Pleuel 10 werden von den Segmentkolben 17a bzw. 17b gezogen. Die Planetenräder 4 drehen immer in die Vorwärtsrichtung. Die Gasrückführung durch den zurücklaufenden Segmentkolben kann z. B. um 5,2° über Einlassöffnung 104 erfolgen. Die Segmentkolbenmaschine weist eine saugende Luftversorgung auf.
Die zum Arbeitsraum 112 parallel angeordnete Mimik 120, 120a, 120b lässt sich zudem seitlich zu der Abtriebswelle anordnen. Die außermittige Anordnung der Mimik 120, 120a, 120b erlaubt die Verbindung einer Mimik 120, 120a, 120b mit mehreren gleichartigen Segmentkolben 17a, 17b von unterschiedlichen Zylindern, insbesondere bei einer Reihenzylinderanordnung mehrerer Arbeitsräume 112.
Es wurde eine Verbrennungskraftmaschine in Form eines Segmentkolbenmotors mit einer Kammerbildung durch eine Segmentsteuerung mittels Zahnrädern 2:1 mit Segmentkolbenbewegung des Nachlaufsegmentkolbens für eine Abgasrückführung vorgestellt. Mittels weiterer normal zur Zentralachse parallelversetzter Mimiken kann ein Segmentkolben-Reihenmotor geschaffen werden.
Bezugszeichenliste
Verwendete Abkürzungen:

Eö: Einlass öffnet
Es: Einlass schließt
Aö: Auslass öffnet
As: Auslass schließt
OT: Oberer Totpunkt, maximale Verdichtung
UT: Unterer Totpunkt, maximale Ansaugung

Claims

Verbrennungskraftmaschine (60) mit Segmentkolben (17a, 17b), einem Vorlaufkolben (17a) und einem Nachlaufkolben (17b), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (60) mit einer rotatorischen Verbrennungsraumbewegung eines Arbeitsraums (112) gestaltet ist, wobei die Verbrennungsraumbewegung und die Segmentkolben (17a, 17b) eine eine Abtriebswelle (25) umrundende Bewegung ausführen, wobei im Vergleich zu der Verbrennungsraumbewegung in einer Phase eines Bewegungsablaufs des Arbeitsraums (112) zeitgleich ein winkelgrößerer Segmentkolbenweg zurückgelegt wird, und wobei der Arbeitsraum (112) und die den Arbeitsraum (112) einfassenden Segmentkolben (17a, 17b) koaxial gelagert sind, und wobei Winkelgeschwindigkeiten der beiden Segmentkolben (17a, 17b) während eines Umlaufes jeweils wenigstens einmal ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (112) zwischen zwei der Segmentkolben (17a, 17b), die insbesondere koaxial gelagert auf zwei Hohlwellen (20, 29) angeordnet sind, gebildet ist, wobei der Arbeitsraum (112) rotatorisch in einem die Segmentkolben (17a, 17b) und den Arbeitsraum (112) umschließenden Gehäuse (16, 19, 26, 27) umlaufend einen mehrtaktigen Verbrennungskraftumwandlungsvorgang (64, 68, 72, 78) unter Lageveränderung der Segmentkolben (17a, 17b) zueinander durchläuft, und wobei während einer Bewegungsphase der Segmentkolben (17a, 17b) wenigstens eine von zumindest zwei Gaswechselöffnungen (104, 108) im Gehäuse (16, 19, 26, 27) zeitweilig zum Arbeitsraum (112) durchgängig ist.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (60) ventil- und steuerschieberfrei ist, wobei vorzugsweise durch Segmentdichtleisten (45, 46, 47, 48, 49, 50, 128) eines Segmentkolbens (17a, 17b) eine Abdichtung zwischen dem Arbeitsraum (112) und den Gaswechselöffnungen (104, 108) durch einen der Segmentkolben (17a, 17b) erfolgt.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Segmentkolben (17a, 17b) auf zwei koaxial angeordneten Hohlachsen (20, 29) sitzen, wobei der erste Segmentkolben (17a) an einer ersten Mimik (120a) mit einem ersten Sonnenrad (1a) angebunden ist und der zweite Segmentkolben (17b) an einer zweiten Mimik (120b) mit einem zweiten Sonnenrad (1b) angebunden ist, wodurch jeweils ein Sonnenrad (1a, 1b) über die Mimik (120a, 120b) an einer Abtriebswelle (25), vorzugsweise an einer einstückigen Abtriebswelle (25), angebunden ist, sodass insbesondere über die Positionierung der Sonnenräder (1a, 1b) an einem Stirngehäuse mit Hilfe von Planetenrädern (4) der Mimik (120a, 120b) die Bewegungssteuerung der Segmentkolben (17a, 17b) erfolgt.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Segmentkolben (17a, 17b) rotatorisch umlaufend zeitwinkelgesteuert über jeweils eine Mimik (120a, 120b) zu der mittig angeordneten Abtriebswelle (25) Ruhe- und Bewegungsphasen zueinander zeitwinkelversetzt durchlaufen, wobei die Mimik (120a, 120b) ein Planetengetriebe (120) umfasst, dessen Sonnenrad (1a, 1b) mittig zur Abtriebswelle (25) in Verbindung steht und wenigstens ein Planetenrad (4) mit dem dazugehörigen Segmentkolben (17a, 17b) in Verbindung steht, sodass das größte Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine (60) in einem Zahneingriff zwischen Planetenrad (4) und Sonnenrad (1a, 1b) auftritt.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gaswechselöffnung (104, 108), insbesondere ein Einlass (104) und ein Auslass (108), die in dem Gehäuse (16, 19, 26, 27) der Verbrennungskraftmaschine (60) vorhanden ist, durch den an der Gaswechselöffnung (104, 108) vorbeifahrenden Segmentkolben (17a, 17b), insbesondere ventil- und steuerschieberplattenfrei, von einem Arbeitsraum (112), der insbesondere in Abhängigkeit der Positionen der beiden Segmentkolben (17a, 17b) in seinem Volumen variiert, getrennt wird.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (112) die Verbrennungsraumbewegung um einen Mittelpunkt der Verbrennungskraftmaschine (60) rotierend zurücklegt und jeder Segmentkolben (17a, 17b) voneinander unabhängig, insbesondere asynchron, einen Segmentkolbenweg zurücklegt, sodass in einer Bewegungsphase der Segmentkolben (17a, 17b) der Arbeitsraum (112) eine Verbrennungsraumbewegung von ungefähr 150° im Vergleich zu 90° einer Abtriebswellendrehung in gleicher Bewegungsrichtung zurücklegt, während ein anderer Segmentkolben (17b, 17a) zeitgleich bis zu 30° in gleicher Bewegungsrichtung zurücklegt, sodass eine 1,5-fache Leistungsabgabeübersetzung zu Gunsten der Abtriebswelle (25) wirksam wird.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Gaswechselöffnungen (104, 108), die das Be- und Entladen des als Arbeitsraum (112) genutzten Verbrennungsraumes freigeben, in dem Gehäuse (16, 19, 26, 27) der Verbrennungskraftmaschine (60) angeordnet sind, deren zeitgesteuertes Öffnen und Schließen durch den Bewegungsablauf der Segmentkolben (17a, 17b) erfolgt.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (60) wenigstens eine Mimik (120a, 120b), vorzugsweise zwei Mimiken (120a, 120b) umfasst, zu der der Planetentrieb (120) mit dem Sonnenrad (1a, 1b) und wenigstens einem Planetenrad (4) gehört, dessen Sonnenrad (1a, 1b) an einer Gehäusestirnwand mittig zu der Abtriebswelle (25) der Verbrennungskraftmaschine (60) fest verbunden ist und dessen Planetenrad (4) mittels eines Planetenradträgers (21) die umschließende Verbindung zur Abtriebswelle (25) bildet, sodass die Mimik (120a, 120b) die Zeitwinkelsteuerung der Segmentkolben (17a, 17b), die Lage des Arbeitsraumes (112) in dem Gehäuse (16, 19, 26, 27) und das Be- und Entladen des Arbeitsraums (112) mit einem Frisch- und einem Abgas steuert.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Mimiken (120a, 120b), die vorzugsweise mit einem an einer Kurbel-Planetenradwelle (5) zur Segment-Hohlwelle (20, 29) angeschlossenen Einleithebel (10, 12) verbunden ist, durch eine ablaufende Drehbewegung des Planetenrades (4) ein Explosionsdruck auf zwei Segmentkolben (17a, 17b) über die Mimik (120b) des Nachlaufsegmentkolbens (17b) so umgelenkt wird, dass der Nachlaufsegmentkolben (17b) entweder eine Winkelzeit statisch verharrt oder in eine Vortriebsbewegung umgelenkt wird.
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Segmentkolben (17a, 17b) der Vorlaufkolben (17a) ist, auf dessen einer Bewegungsrichtung abgewandten Seite der Arbeitsraum (112) endet, und einer der Segmentkolben (17a, 17b) der Nachlaufkolben (17) ist, bis zu dessen in Bewegungsrichtung gesehen vorderen Seite der Arbeitsraum (112) reicht, wobei die Segmentkolben (17a, 17b) in einem größeren Winkel zueinander winkelversetzt an ihrer jeweiligen Hohlwelle (20, 29) befestigt sind als ein Winkelabstand zwischen der Einlassgaswechselöffnung (104) und der Auslassgaswechselöffnung (108).
Verbrennungskraftmaschine (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Zylinder (16, 19, 26, 27), in denen jeweils ein Arbeitsraum (112) rotiert, nebeneinander schichtweise entlang der Abtriebswelle (25) aufgereiht sind.
Verbrennungsvorgang, der in einer Verbrennungskraftmaschine (60), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durchführbar ist, mit dem eine mechanische Arbeit erzeugt wird, wobei ein Arbeitsraum (112) während eines Ablaufs eines Viertaktverbrennungsvorgangs (64, 68, 72, 78) einen kreisförmig geschlossenen Bewegungsablauf einmal durchläuft, wobei durch die Position des Arbeitsraums (112) ein zeitweiliger Durchgang von dem Arbeitsraum (112) zu wenigstens einer Gaswechselöffnung (104, 108), wie einer Saugöffnung oder einer Abgasöffnung, gewährt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang in dem Arbeitsraum (112) stattfindet, der zweiseitig verschiebbar ist, und dass zwei, den Arbeitsraum (112) verschiebende Segmentkolben (17a, 17b) während eines Umlaufes jeweils wenigstens einmal eine Winkelgeschwindigkeit mit unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen.
Verbrennungsvorgang nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass verschiebbare Flächen, die insbesondere rechtwinklig den Arbeitsraum (112) begrenzen, diskontinuierlich und zueinander asynchron einen gleichartigen Weg, wie der Weg des kreisförmig geschlossenen Bewegungsablaufs des Arbeitsraums (112), für die Vollendung von vier Takten (64, 68, 72, 78) des Bewegungsablaufs zurücklegen.