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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Brennkammer.
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Verbrennungsmotoren setzen die Energie aus der Verbrennung eines Kraftstoffs in mechanische Energie um, die zum Antrieb einer Maschine genutzt werden kann. Die Verbrennung des Kraftstoffs findet in einer Brennkammer statt, in der ein Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsluft gezündet wird. Die Wärmeausdehnung wird in eine mechanische Bewegung umgesetzt, die zum Antrieb der Maschine eingesetzt wird.
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Derzeit werden zum Antrieb von Kraftfahrzeugen und anderen Maschinen im Wesentlichen Hubkolbenmotoren eingesetzt, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip arbeiten. Hierbei wird durch die Volumenänderung des Gases bei der Verbrennung ein Kolben linear bewegt. Die oszillierende Bewegung des Kolbens wird insbesondere über eine Pleuelstange und eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgesetzt. Oftmals wird dieses Prinzip in Form eines sogenannten Standmotors verwirklicht, bei dem ein Zylinder, in dem sich der Kolben befindet, fixiert ist und die Kurbelwelle sich dreht. Aus der kinematischen Umkehr dieses Prinzips ergibt sich eine als Umlaufmotor bezeichnete Form des Motors, bei dem der oder die Zylinder und die Kolben um eine fixierte Kurbelwelle rotieren. Auch der sogenannte Wankelmotor arbeitet gemäß der kinematischen Umkehr des Umlaufmotors. Bei einem Wankelmotor wird die Verbrennungsenergie ohne den Umweg der Hubbewegung direkt in eine Drehbewegung umgesetzt. Wirtschaftliche Bedeutung erlangte der Wankelmotor in Form des sogenannten Kreiskolbenmotors, bei dem sich ein als Läufer bezeichneter bogig-dreieckiger Rotationskolben in einem doppelbogigen Gehäuse dreht und dabei ständig mit der Gehäusewand in Kontakt steht. Durch die Form des Läufers werden zwischen Läufer und Gehäusewand sich verändernde Brennraumvolumen erzeugt, die zum Einsaugen, Verdichten, Zünden und Auslassen des Gasgemisches eingesetzt werden.
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Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 82 12 864 U1 ist ein Verbrennungmotor mit einem Kreiskolben bekannt, wobei in dem Kreiskolben mehrere sogenannte Trennschieber mit Hilfe von Dichtungsschwenkkörpern beweglich gelagert sind.
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Die französische Patentschrift
FR 2 326 575 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor, der einen feststehenden Zylinder mit einem ovalen Querschnitt und einen darin angeordneten Rotor mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist. Das Volumen des Brennraums innerhalb des Zylinders wird durch die Position des Rotors bestimmt.
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Die US-Patentschrift
US 3,324,839 A offenbart einen Motor, bei dem zwei parallele Zylinder mit jeweils einem exzentrisch rotierenden Kolben vorgesehen sind. Eine Verkleinerung des Kompressionsvolumens für die Verdichtung des Kraftstoffs erfolgt durch die rotierende Bewegung der Kolben innerhalb der Zylinder.
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Das deutsche Gebrauchsmuster
DE 72 41 586 U hat einen Pendelkolbenmotor zum Gegenstand, bei dem ein plattenförmig ausgebildeter Kolben mit angesetztem Hebel vorgesehen ist. Die Kolbenplatte kann innerhalb eines gasdicht angepassten Brennraums eine Pendelbewegung vollführen, wodurch die Verdichtungs- und Expansionsvorgänge im Zuge der Verbrennungsprozesse realisiert werden können.
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Die japanische Patentanmeldung
JP 07 301 123 A befasst sich mit einem Verbrennungsmotor, der ein kugelförmiges Rotorgehäuse aufweist. Zwei halbkreisplattenförmige Kolben sind an einer gemeinsamen Achse innerhalb des Rotorgehäuses beweglich gelagert, wobei diese Achse mit einem nach außen ragenden Hebel verbunden ist.
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Alle bekannten Verbrennungsmotoren erzielen im Allgemeinen wenig befriedigende Wirkungsgrade und erfordern einen hohen konstruktiven Aufwand, um eine gute Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der im Vergleich mit bekannten Verbrennungsmotoren einen geringeren konstruktiven Aufwand erfordert und dennoch einen guten Wirkungsgrad erzielt. Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor gelöst, wie er Gegenstand des Anspruchs 1 ist. Bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verbrennungsmotors ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor weist wenigstens eine Brennkammer in einem Motorgehäuse auf. Die Brennkammer ist zur Verbrennung von Kraftstoff in Form eines heißen Gasgemisches beispielsweise nach dem Diesel- oder Ottoprinzip vorgesehen ist. Wenigstens eine Seite der Brennkammer wird von wenigstens zwei gelenkig miteinander verbundenen, beweglichen Verdichterelementen gebildet. Die übrige Begrenzung der Brennkammer wird als feststehender Teil im Wesentlichen von der Innenwandung des Motorgehäuses gebildet. Durch die Beweglichkeit der Verdichterelemente können die Verdichterelemente unterschiedliche Positionen einnehmen, wodurch die Größe bzw. das Volumen der Brennkammer vergrößert oder verkleinert wird. Durch diese Vergrößerung und Verkleinerung der Brennkammer können die bekannten Arbeitsschritte bzw. -takte der Verbrennung, also insbesondere Ansaugen des Kraftstoffs, Verdichten, Arbeiten (Zünden) und Ausstoßen, in Analogie zu beispielsweise einem Hubkolbenmotor durchgeführt werden.
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Als Brennkammer ist in diesem Zusammenhang ein Raum zu verstehen, der infolge der Bewegung der Verdichterelemente mehr oder weniger groß sein kann. Während der Verkleinerung des Raumes drängen die beweglichen Verdichterelemente das Gasgemisch in die Brennkammer im engeren Sinne, innerhalb derer die Zündung des Gasgemisches bei der maximalen Verdichtung stattfindet. Die Brennkammer im weiteren Sinne, also die vergrößerte Kammer, lässt sich daher auch als Verdichtungsraum inklusive Brennkammer im engeren Sinne bezeichnen.
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Die Brennkammer und das Motorgehäuse können verschiedene Geometrien aufweisen. Das Motorgehäuse kann aus einem oder mehreren Teilen gefertigt sein. Beispielsweise können ein Oberteil und ein gegengleiches Unterteil mit Seitenteilen zur Ausbildung einer geschlossenen Brennkammer verbunden sein. Die Verdichterelemente sind beispielsweise als rechteckförmige flächige, in etwa gegengleiche armartige Elemente geformt, die an jeweils einem Ende (Ende A) gelenkig miteinander verbunden sind. Das andere Ende (Ende B) der Verdichterelemente ist ortsfest aber drehbar gelagert. Hierdurch können die miteinander verbundenen Verdichterelemente nach Art von Berg und Tal eine sich ändernde Form annehmen, sodass sich das Volumen der Brennkammer vergrößern oder verkleinern kann.
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Vorzugsweise sind die Verdichterelemente im Bereich der gelenkigen Verbindung mit wenigstens einer drehbar gelagerten Scheibe oder Vergleichbarem exzentrisch verbunden, sodass durch die Bewegung der Verdichterelemente die Scheibe in eine drehende Bewegung versetzt wird. Die Scheibe ist vorzugsweise in der Innenwandung des Motorgehäuses, beispielsweise in den bereits erwähnten Seitenteilen, drehbar gelagert, wobei die Scheibe oder die Scheiben beispielsweise in entsprechenden Ausnehmungen bündig in die Seitenteile eingelassen sind, um die Bewegung der Verdichterelemente nicht zu behindern. Die Verdichterelemente werden an dieser Wandung während ihrer Bewegung in gasdichter Anlage geführt, sodass der Druckaufbau bei der Verdichtung des Gasgemisches während der drehenden Bewegung der Scheibe in der Brennkammerinnenwandung nicht beeinträchtigt ist. Auf diese Weise kann die durch die Verbrennung angestoßene Bewegung der Verdichterelemente in eine Drehbewegung umgesetzt werden, die für die Kraftübertragung der chemischen Energie aus der Verbrennung in eine nutzbare mechanische Energie genutzt wird.
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Die Ankopplung der Scheibe(n) an die Verdichterelemente erfolgt insbesondere mittels eines Rundbolzens, der eine Verbindungsachse für die Verdichterelemente im Bereich von deren gelenkiger Verbindung bildet. Das oder die Enden der Verbindungsachse ist bzw. sind exzentrisch an der oder den drehbaren Scheiben befestigt. In bevorzugter Weise sind zwei derartige Scheiben vorgesehen, die einander gegenüber liegen und über die Verbindungsachse der Verdichterelemente aneinander gekoppelt sind.
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Die Bewegung der drehbar gelagerten Scheibe oder Scheiben kann mit einem Schwungrad gekoppelt werden, das eine gleichmäßige Bewegung gewährleistet. Das Schwungrad vermindert in bekannter Weise durch seine Massenträgheit die Drehungsungleichförmigkeit, die dadurch zustande kommt, dass nur in einem Arbeitstakt des Verbrennungsprozesses Energie durch die Bewegung der Verdichterelemente abgegeben wird. Während des Ansaugens, der Verdichtung und des Ausstoßens von Abgas wird Energie benötigt, um den mehrtaktigen Verbrennungsprozess zu vollenden. Diese Energie wird während des Arbeitstaktes im Schwungrad zwischengespeichert. Über eine Welle des Schwungrades kann der Antrieb einer Maschine in üblicher Weise bewerkstelligt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sind die Verdichterelemente nach Art eines Scharniergelenks miteinander verbunden, wobei eine rinnenförmige Ausgestaltung (Segment eines Hohlzylinders) am Ende A des einen Verdichterelements eine walzenförmige Ausgestaltung am Ende A des anderen Verdichterelements beweglich umschließt. Diese gelenkige Verbindung realisiert einen Freiheitsgrad bzw. eine Bewegungsachse, sodass sich die von den Verdichterelelementen gebildete Seite der Brennkammer in ihrer Geometrie derart verändern kann, dass sich das Volumen der Brennkammer bzw. des Verdichtungsraumes verkleinert oder vergrößert. In einer bevorzugten Realisierung dieser Ausführungsform umschließt die walzenförmige Ausgestaltung des einen Verdichterelements einen beweglich geführten Bolzen, insbesondere einen oben bereits beschriebenen Rundbolzen, der an einem oder beiden Enden exzentrisch an oder in der (den) oben beschriebenen drehbar gelagerten Scheibe(n) befestigt ist. Durch diese Verbindung wird die Bewegung der Verdichterelemente in eine Drehbewegung umgesetzt, die beispielsweise mittels des bereits beschriebenen Schwungrades für den Antrieb einer Maschine genutzt werden kann.
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Die Verdichterelemente sind vorzugsweise so gestaltet, dass das jeweilige Ende der Verdichterelemente, das der gelenkigen Verbindung der Verdichterelemente entgegengesetzt liegt, zwar im Prinzip ortsfest ist, jedoch beweglich und drehbar geführt wird. Vorzugsweise ist das Ende B entlang einer Achse drehbar, wobei die Länge der Verdichterelemente in Abhängigkeit von der Position der Verdichterelemente variabel ist. Hierbei bezieht sich die Länge der Verdichterelemente auf den Abschnitt der Verdichterelemente, der in die Brennkammer hineinragt.
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Die Führung der Enden B der Verdichterelemente kann beispielsweise so erfolgen, dass das Ende B mittels einer oder mehrerer Führungselemente drehbar in dem Motorgehäuse gelagert ist. Die Führungselemente können beispielsweise zylinderförmig gestaltet sind und eine rechteckförmige Aussparung in Anpassung an den Querschnitt der Verdichterelemente aufweisen. Die Aussparung ist zur Aufnahme der Verdichterelemente vorgesehen, sodass die Verdichterelemente in den Führungselementen verschieblich geführt sind. Das oder die Führungselemente können somit so gestaltet sein, dass in Abhängigkeit von der Position der Verdichterelemente sich ein Abschnitt des Verdichterelements (Ende B) innerhalb der drehbaren Führung aus der Brennkammer herausschiebt oder wieder in die Brennkammer hereingezogen wird, sodass die miteinander verbundenen Verdichterelemente sozusagen eine gelenkige, asymmetrisch mehr oder weniger weit in die Brennkammer hineinragende Seite der Brennkammer bilden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors sind in Angrenzung an die Brennkammer ein oder mehrere Seitenkammern vorgesehen. Die Enden der Verdichterelemente, die jeweils der gelenkigen Verbindung entgegengesetzt liegen, also die Enden B, ragen abhängig von der Position der Verdichterelemente mehr oder weniger weit in die Seitenkammer(n) hinein. Die Seitenkammer(n) ist bzw. sind vorzugsweise gasdicht gegenüber der oder den Brennkammern bzw. dem Verdichtungsraum abgegrenzt, sodass der Druckaufbau während der Verdichtung des Kraftstoffgemisches hierdurch nicht beeinträchtigt wird. Die bereits beschriebenen Führungselemente, die die drehbare aber ortsfeste Führung der Enden B der Verdichterelemente realisieren, grenzen den Verdichtungsraum (Brennkammer) von den oder der Seitenkammer(n) ab. Bei zwei oder mehr Verdichterelementen pro Verbrennungsmotor kann jeweils eine Seitenkammer für jedes Verdichterelement vorgesehen sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass im Motorgehäuse eine umlaufende Seitenkammer vorgesehen ist, die an gegenüberliegenden Seiten der Brennkammer bzw. des Verdichtungsraumes zur Aufnahme der Enden B der Verdichterelemente dient.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist die wenigstens eine Seitenkammer zur Bevorratung von Schmiermittel vorgesehen. Das Schmiermittel, beispielsweise übliches Schmieröl, dient zur Verringerung der Reibung zwischen den beweglichen Teilen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, beispielsweise im Bereich der drehbaren Lagerung der Enden B der Verdichterelemente in dem Motorgehäuse. Alternativ oder zusätzlich können andere oder weitere Reservoirs für Schmiermittel vorgesehen sein.
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Weiterhin können die Verdichterelemente selbst Kanäle aufweisen, die für Schmiermittel vorgesehen sind, sodass das Schmiermittel beispielsweise den Bereich erreichen kann, an dem die Verdichterelemente an der inneren Wandung der seitlichen Bereiche des Motorgehäuses geführt werden. Die Kanäle können sich beispielsweise stirnseitig an den Enden B der Verdichterelemente öffnen, sodass das Schmiermittel aus den Seitenkammern in die Kanäle der Verdichterelemente aufgenommen werden kann.
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Die Verdichterelemente werden vorzugsweise in dichtender Anlage an der Innenwandung der seitlichen Bereiche des Motorgehäuses geführt, um den Druckaufbau in der Brennkammer bzw. im Verdichtungsraum bei der Verdichtung nicht zu beeinträchtigen. In vorteilhafter Weise sind die Verdichterelemente mit Einrichtungen zur gasdichten Abdichtung ausgestattet. Beispielsweise können die Verdichterelemente an den Längsseiten Nuten aufweisen, die zur Aufnahme von Dichtlippen, Dichtschienen oder Ähnlichem vorgesehen sind. Weiterhin können Abstreifschienen für Schmiermittel vorgesehen sein. Diese Einrichtungen können beispielsweise federnd oder bündig eingelassen sein. Zum Beispiel können drei längsseitige Nuten in den Verdichterelementen vorhanden sein, sodass eine zentrale Dichtschiene und zwei äußere Ölabstreifschienen angebracht werden können.
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Die Brennkammer des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors weist wenigstens einen Einlass für Kraftstoff und/oder Gas und wenigstens einen Auslass für Abgas auf, wie es von üblichen Verbrennungsmotoren her bekannt ist. Vorzugsweise liegen Einlass und Auslass an gegenüber liegenden Seiten der Brennkammer, wodurch ungünstige Strömungsverhältnisse in der Brennkammer gegebenenfalls vermieden werden können. Es ist jedoch auch möglich, Einlass und Auslass beispielsweise direkt nebeneinander und/oder in Mehrzahl anzuordnen. Eine geeignete Anordnung von Einlass und Auslass hängt unter anderem von der Geometrie der Brennkammer bzw. des Motorgehäuses ab, die in weiten Bereichen variabel ist. Einlass und Auslass können durch übliche Ventile bedient werden.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann insbesondere nach dem selbstzündenden oder dem fremdzündenden Prinzip arbeiten und entsprechend ausgestaltet sein, indem beispielsweise Zündkerzen für eine Fremdzündung vorgesehen sind. Auch Kombinationen beispielsweise mit einem oder mehreren Elektromotoren sind möglich, beispielsweise zum Antrieb eines Hybrid-Kraftfahrzeugs. Der in dem Ausführungsbeispiel weiter unten näher erläuterte erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist vor allem für einen viertaktigen Verbrennungsprozess ausgelegt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den viertaktigen Verbrennungsprozess beschränkt.
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Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor Einrichtungen zur Kühlung der wenigstens einen Brennkammer auf. Hierzu können in oder an dem Motorgehäuse beispielsweise Kühlmittelkanäle und/oder Kühlrippen, beispielsweise in Verbindung mit einem Gebläse, vorhanden sein, wie es im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ist ein Motorgehäuse vorgesehen, dass zwei gegengleiche Brennkammern umfasst. Hierbei werden die beiden Brennkammern durch zwei gelenkig miteinander verbundene, bewegliche Verdichterelemente, wie oben beschrieben, voneinander abgegrenzt. Da die Verdichterelemente die bewegliche Seite der Brennkammer bzw. des Verdichtungsraumes sowohl für die eine als auch für die andere Kammer bilden, verkleinert sich die eine Brennkammer zwangsläufig, wenn die andere Brennkammer durch die entsprechende Bewegung der Verdichterelemente vergrößert wird. Die Verbrennung läuft in dieser Ausgestaltung in beiden Brennkammern im gegenläufigen Taktzyklus ab. Beispielsweise wird in der ersten Brennkammer das Kraftstoffgemisch durch Vergrößerung der Kammer angesaugt. Zugleich findet in der anderen Kammer die Verdichtung des bereits eingeflossenen Kraftstoffgemisches durch Verkleinerung der Kammer statt. In entsprechender Weise erfolgt die Verdichtung, das Zünden und das Ausstoßen von Abgas versetzt in beiden Kammern. Insbesondere diese zweikammerige Form des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors erlaubt eine besonders kostengünstige Konstruktion bei sehr gutem Wirkungsgrad. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors möglich, insbesondere eine Einkammerversion oder eine Mehrkammerversion. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Verdichterelementen vorgesehen sein, die nach Art eines Sterns im Zentrum gelenkig miteinander verbunden sind und eine Mehrzahl von Brennkammern voneinander abgrenzen.
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Die verschiedenen Teile des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors können mit Keramik beschichtet sein, um die Eigenschaften des Motors noch weiter zu verbessern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung von einigen Elementen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in einer Ansicht schräg von der Seite;
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2 eine detailliertere Ansicht des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors aus 1 schräg von der Seite mit abgelöstem Seitenteil des Motorgehäuses;
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3 eine Abfolge von vier seitlichen Schnittansichten zur Illustrierung des mehrtaktigen Verbrennungsprozesses und
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4 ein weiteres Beispiel der gelenkigen Verbindung der Verdichterelemente.
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1 zeigt in schematischer Weise wichtige Komponenten des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1. Ein Motorgehäuse 2 umschließt in dieser Ausführungsform zwei Brennkammern 3, 4. Eine Seite der Brennkammern 3, 4 wird von zwei in etwa rechteckförmigen, armartigen flächigen Verdichterelemente 5, 6 gebildet, die an ihrem jeweiligen Ende A gelenkig miteinander verbunden sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in dieser Darstellung die Seitenteile des Motorgehäuses 2, die einen Teil der Wandung der Brennkammern 3, 4 bilden, nicht gezeigt. Die Brennkammern 3, 4 umfassen zum Einen die Brennkammern im engeren Sinne, in denen die Zündung des Gasgemisches bei maximaler Verdichtung stattfindet. Diese Brennkammern im engeren Sinne werden in dieser Ausgestaltung jeweils von einer etwa rechteckförmigen Ausbuchtung innerhalb des Motorgehäuses 2 gebildet. Die Brennkammern 3, 4 im weiteren Sinne umfassen jedoch auch einen größeren Verdichtungsraum, der durch die Innenwandung des Motorgehäuses 2, einschließlich der hier nicht gezeigten Seitenteile, sowie durch die beweglichen Verdichterelemente 5, 6 gebildet wird, wobei das Volumen der Brennkammer von der Position der Verdichterelemente 5, 6 abhängt. Im Folgenden wird daher der Ausdruck „Verdichtungsraum" gleichbedeutend mit der Brennkammer im weiteren Sinne verwendet.
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Die gelenkige Verbindung 7 der Verdichterelemente 5, 6 wird durch eine Art Scharniergelenk realisiert, bei dem eine zylinderteilsegmentförmige, rinnenartige Ausformung 8 des Verdichterelements 5 eine walzenförmige Ausformung 9 des Verdichterelements 6 beweglich umschließt. An dem der gelenkigen Verbindung entgegengesetzten Ende (Ende B) der Verdichterelemente 5, 6 sind die Verdichterelemente beweglich im Motorgehäuse 2 gelagert. Zylinderförmige Führungselemente 10 und 11 bilden hierbei Achsen, die drehbar in der Innenwandung des Motorgehäuses 2 gelagert sind. Die Führungselemente 10, 11 sind in dieser Ausführungsform jeweils zweiteilig gefertigt, können aber auch beispielsweise einteilig sein. Die Führungselemente 10, 11 sind jeweils mit einer durchgehenden Aussparung versehen, die im Durchmesser an den Querschnitt der Verdichterelemente 5, 6 angepasst ist, insbesondere in Form einer rechteckigen Öffnung. Die Verdichterelemente 5, 6 sind jeweils mit ihrem Ende B in diese Aussparungen beweglich eingeschoben. Die gelenkige Verbindung der Verdichterelemente 5, 6 und die verschiebliche und drehbare Lagerung der Enden B der Verdichterelemente 5, 6 erlauben eine Bewegung der hierdurch gebildeten Seite der Brennkammern 3, 4, wodurch sich das Volumen in den Brennkammern verringert bzw. vergrößert. In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors finden die Verkleinerung und die Vergrößerung des Volumens in den Brennkammern 3, 4 jeweils gegengleich statt. Die Veränderung des Volumens der Brennkammern 3, 4 wird für die Gewinnung von mechanischer Energie aus der Verbrennung von Kraftstoff genutzt. Bei der Vergrößerung der Brennkammer wird Kraftstoff bzw. ein Kraftstoff-Gas-Gemisch in den jeweiligen Brennraum eingesaugt. Bei der Verkleinerung des Volumens wird das Kraftstoff-Gas-Gemisch verdichtet. Bei dem kleinsten verdichteten Volumen erfolgt die Zündung, insbesondere durch Fremdzündung oder Eigenzündung. Bei diesem Schritt wird Energie freigesetzt und in eine mechanische Bewegung umgesetzt, indem durch die Ausdehnung des Gases während der Verbrennung die Verdichterelemente 5, 6 derart verdrängt und bewegt werden, dass sich das Volumen der jeweiligen Brennkammer vergrößert. Durch eine anschließende Verkleinerung des Volumens wird das verbrannte Gemisch ausgestoßen. Der Übersichtlichkeit halber sind in der Darstellung der 1 weitere Elemente wie Ein- und Auslass, Zündkerze etc. nicht dargestellt.
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Zur Umsetzung der durch die Verbrennung des Gasgemisches in den Brennkammern 3, 4 induzierten Bewegung der Verdichterelemente 5, 6 in nutzbare mechanische Energie sind die Verdichterelemente 5, 6 vorzugsweise mit wenigstens einer drehbar gelagerten Scheibe 12, 13 gekoppelt. In dieser Ausführungsform sind zwei drehbar gelagerte Scheiben 12, 13 vorgesehen, die bündig in die seitliche Innenwandung (nicht dargestellt) des Motorgehäuses 2 bzw. der Seitenteile eingelassen sind. Die auf der dem Betrachter zugewandten Seite liegende Scheibe 12 ist losgelöst von den übrigen Elementen gezeigt. Die Verdichterelemente 5, 6 sind im Bereich der gelenkigen Verbindung 7 mit den drehbar gelagerten Scheiben 12, 13 exzentrisch verbunden. Hierfür ist ein Rundbolzen 14 vorgesehen, der eine zentrale Achse innerhalb der gelenkigen Verbindung 7 (Scharniergelenk) bildet. Der Rundbolzen 14 ist über jeweils eine Öffnung 15, die sich außerhalb des Zentrums des Scheiben 12, 13 befindet, exzentrisch an den Scheiben 12, 13 befestigt. Die Verdichterelemente 5, 6 werden über den Rundbolzen 14 in ihrer Bewegung geführt. Andererseits werden durch die Ankopplung der gelenkigen Verbindung 7 der Verdichterelemente 5, 6 an den Scheiben 12, 13 die Scheiben durch die Bewegung der Verdichterelemente 5, 6 in Rotation versetzt. Die Scheiben 12, 13 sind über zentral auf den Scheiben 12, 13 angeordnete Wellen 16, 17 drehbar im Gehäuse gelagert. Die Drehbewegung der Scheiben kann an weitere hier nicht dargestellte mechanische Elemente angekoppelt werden, um dadurch beispielsweise den Antrieb einer Maschine zu bewerkstelligen.
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2 zeigt weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1, wobei die bereits in 1 gezeigten Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Das in 1 fehlende Seitenteil 21 ist ebenso wie die drehbar gelagerte Scheibe 12 in abgelöster Weise dargestellt. Ein gegengleiches Seitenteil sowie eine weitere drehbar gelagerte Scheibe 13 befinden sich auf der dem Betrachter abgewandten Seite des Motorgehäuses.
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Das Motorgehäuse ist aus einem Oberstück 22 und einem Unterstück 23 sowie zwei gegengleichen Seitenteilen 21 zusammengesetzt. Die Konstruktion des Motorgehäuses kann jedoch auch anders realisiert sein, beispielsweise durch ein oder mehrere Druckgussteile, z. B. aus Aluminium. Auch die Geometrie des Motorgehäuses ist nur beispielhaft zu verstehen.
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Auf der dem Betrachter abgewandten Seite des Motorgehäuses ist ein Schwungrad 24 angeordnet, dass über die Welle 17 an die Scheibe 13 gekoppelt ist. Durch die Massenträgheit des Schwungrades 24 werden die Drehungleichförmigkeiten, die durch den mehrtaktigen Verbrennungsprozess auftreten, ausgeglichen. Die Energie aus der Verbrennung des Kraftstoffs wird über die Welle 17 des Schwungrades 24 in eine gleichmäßige mechanische Bewegung umgesetzt. Das Schwungrad 24 kann eine umlaufende Zahnung beispielsweise zur Taktung eines Anlassers aufweisen.
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Im Bereich der Enden B der Verdichterelemente 5, 6 sind Seitenkammern 25, 26 in dem Motorgehäuse vorgesehen. Die Enden B der Verdichterelemente 5, 6 ragen in Abhängigkeit von der Position der Verdichterelemente 5, 6 mehr oder weniger weit in die Seitenkammern 25, 26 hinein. Vorzugsweise sind die Seitenkammern 25, 26 mit Schmiermittel gefüllt, das zur Schmierung von beweglichen Teilen des Verbrennungsmotors 1 dient.
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An den Enden B der Verdichterelemente 5, 6 können sich stirnseitige Bohrungen 39 befinden, durch welche Schmieröl zu den Längsseiten der Verdichterelemente gelangt, um die Reibung zwischen den Verdichterelementen 5, 6, den seitlichen Bereichen der Innenwandung des Motorgehäuses und den Scheiben 12, 13 zu verringern.
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Jede Brennkammer 3, 4 ist mit einem Einlass 27 für Gas und/oder Kraftstoff und einem Auslass 28 für Abgas ausgestattet. In dieser Ausführungsform sind Einlass 27 und Auslass 28 nebeneinanderliegend angeordnet. In anderen Ausführungsformen können Ein- und Auslass auch an gegenüberliegenden Seiten der Brennkammer angeordnet sein, um gegebenenfalls die Strömungsverhältnisse der Gase zu verbessern. Einlass 27 und Auslass 28 werden über vereinfacht dargestellte Ventile 29 mittels einer Nockenwelle 30 angesteuert. Die Ventile 29 können beispielsweise hydraulisch betätigt werden. Der Antrieb der Ventile 29 kann in bekannter Weise beispielsweise über Steuerketten, Zahnriemen oder Stirnräder erfolgen.
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In dieser Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 1 ist jede Brennkammer 3, 4 mit einer Zündkerze 31 ausgestattet. Nach oder kurz vor der maximalen Verdichtung des Kraftstoff-Gas-Gemisches wird die Entzündung des Gasgemisches gemäß dem Ottoprinzip durch die Zündkerze eingeleitet. In anderen Ausgestaltungen kann der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor auch als selbstzündender Dieselmotor realisiert sein, wobei zunächst reine Luft stark verdichtet wird und dann Dieselkraftstoff eingespritzt wird, sodass sich durch die hohe Temperatur in der Brennkammer und den hohen Druck der Kraftstoff von selbst entzündet.
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Zur Kühlung des Verbrennungsmotors sind Kühlkanäle 32 vorgesehen, die beispielsweise das Motorgehäuse mäanderförmig durchlaufen. Diese Kühlkanäle können in herkömmlicher Weise von flüssigem Kühlmittel durchflossen werden, sodass die Wärme abgeführt werden kann. In anderen Ausführungsformen kann eine Luftkühlung vorgesehen sein, wobei vorzugsweise die Luft über geeignete Kühlrippen geleitet wird.
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Das Oberstück 22 und das Unterstück 23 ist jeweils mit verschiedenen Bohrungen 37 ausgestattet, die der Montage der Seitenteile 21 dienen. Die Seitenteile 21 zeigen Ausformungen 33 und 34 zur Aufnahme von beweglichen Elementen des Verbrennungsmotors, und zwar der drehbar gelagerten Scheiben 12, 13 und der Führungselemente 10, 11. Die Scheiben 12, 13 sind bündig in die Seitenteile 21 eingelassen, sodass hierdurch die Beweglichkeit der Verdichterelemente 5, 6 nicht eingeschränkt wird. In der Bohrung 36 des Seitenteils 21 ist die an der Scheibe 12 zentrisch angeordnete Welle 16 drehbar gelagert. Die Nockenwellen 30 sind in Ausformungen 35 oder in entsprechenden Bohrungen der Seitenteile 21 drehbar gelagert. In dieser Ausgestaltung sind Verstrebungen 40 zur Versteifung der Seitenteile 21 vorgesehen. Durch größere Wandstärken der Gehäuseteile können die äußeren Ausformungen entfallen und durch entsprechende Vertiefungen an den Innenseiten der Seitenteile 21 ersetzt sein.
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Die Verdichterelemente 5, 6 sind längsseitig mit jeweils drei Nuten 38 zur Anbringung von Dichteinrichtungen (nicht dargestellt), beispielsweise Dichtlippen, und/oder Schmiermittelabstreifschienen versehen. Diese Einrichtungen können beispielsweise federnd oder bündig in die Nuten 38 eingelassen sein. Die Dichteinrichtungen dienen dazu, dass die Verdichterelemente 5, 6 in optimal dichtender Anlage an der inneren Wandung der Seitenteile 21 des Motorgehäuses mit den darin bündig eingelassenen Scheiben 12, 13 geführt werden. Mittels der Schmiermittelabstreifschienen kann überschüssiges Schmieröl, dass insbesondere über die Bohrung bzw. den Schmiermittelkanal 39 zugeführt wird, abgestrichen werden.
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3 dient zur Verdeutlichung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1, indem die vier Arbeitstakte des Verbrennungsprozesses jeweils einzeln (A–D) dargestellt sind. Gezeigt ist im Wesentlichen die bereits in der 2 dargestellte Ausführungsform des Verbrennungsmotors 1 mit einer oberen Brennkammer 3 und einer unteren Brennkammer 4. Die drehbar gelagerte Scheibe 13, die in dieser Schnittansicht auf der dem Betrachter abgewandten Seite angeordnet ist, ist entgegen dem Uhrzeigersinn (Pfeilrichtung) drehbar. In der Teilabbildung A findet in der oberen Brennkammer 3 eine Vergrößerung des Kammervolumens statt, indem sich die Verdichterelemente 5, 6, die exzentrisch an der Scheibe 13 angeordnet sind, ausgehend von deren gelenkartiger Verbindung nach unten bewegen. Das Ventil 29 (Einlassventil) ist geöffnet, sodass ein Kraftstoff-Gas-Gemisch in die Brennkammer 3 über den Einlass 27 eingesaugt wird. Die Teilabbildung B zeigt das maximal große Volumen der Brennkammer 3 bzw. des Verdichtungsraumes. Durch die weitere Rotation der Scheibe 13 und die daran gekoppelte Bewegung der Verdichterelemente 5, 6 verkleinert sich die Brennkammer 3 bei geschlossenen Ventilen, wobei das eingesaugte Kraftstoff-Gas-Gemisch verdichtet wird. Bei maximaler Verdichtung in der Brennkammer 3, wie in der Teilabbildung C gezeigt, wird die Zündung mittels der Zündkerze 31 ausgelöst. Durch die stattfindende Verbrennung des Kraftstoffes dehnt sich das Gasgemisch aus, wodurch die Bewegung der Verdichterelemente 5, 6 nach unten angestoßen wird. Bei diesem Schritt wird die chemische Energie der Verbrennung in mechanische Arbeit umgesetzt. Das Ausstoßen des verbrannten Gasgemisches (Abgas) ist in Teilabbildung D dargestellt, wobei das Volumen der Brennkammer 3 durch die rotierende Bewegung der Scheibe 13 und die daran gekoppelte Bewegung der Verdichterelemente 5, 6 bei geöffnetem Ventil 29 (Auslassventil) verkleinert wird und das Gasgemisch aus der Brennkammer 3 über den Auslass 28 herausgedrängt wird. Dieser viertaktige Verbrennungsprozess findet in versetzter Weise auch in der zweiten Brennkammer 4 des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 statt. Während des Ausstoßens des Gasgemisches aus der Brennkammer 3 (Teilabbildung D) wird in der Brennkammer 4 bei geöffnetem Ventil 29' das Kraftstoff-Gas-Gemisch durch Vergrößerung des Kammervolumens über den Einlass 27' eingesaugt. Das Gemisch in der Brennkammer 4 wird anschließend durch Verkleinerung des Kammervolumens bei geschlossenem Ventil 29' verdichtet (Teilabbildung A). Bei maximal verdichtetem Volumen des Kraftstoff-Gas-Gemisches findet mittels der Zündkerze 31' die Zündung in der Brennkammer 4 statt (Teilabbildung B). Durch die in diesem Schritt freigesetzte chemische Verbrennungsenergie wird die Bewegung der Verdichterelemente 5, 6 zusammen mit der daran gekoppelten Scheibe 13 angetrieben. Durch die nachfolgende Verkleinerung des Brennraums 4 wird das Abgas bei geöffnetem Ventil 29' über den Auslass 28' ausgestoßen (Teilabbildung C). In dieser Darstellung sind die Ein- und Auslassventile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen 29 versehen. Dessen ungeachtet sind in der Regel dem Ein- und Auslass jeweils separate Ventile zugeordnet.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel für ein gelenkige Verbindung der Verdichterelemente. Bei dieser gelenkigen Verbindung 7' in Form eines mehrteiligen Scharniergelenks umgreift das nach Art von zwei Ösen geformte Ende A des Verdichterelements 5' in den seitlichen Bereichen eine gemeinsame Achse 14', die im zentralen Bereich auch von dem anderen Verdichterelement 6' umgriffen wird. In dieser Ausgestaltung sind an den Längsseiten der Verdichterelemente 5', 6' jeweils zwei Nuten 38' vorgesehen, die zur Aufnahme von Dichtlippen und/oder Ölabstreifschienen dienen.
