DE10349835A1

DE10349835A1 - Schwingkolben - Gasturbo - Motor im Viertaktsystem

Info

Publication number: DE10349835A1
Application number: DE10349835A
Authority: DE
Inventors: Georg Binnen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-25
Filing date: 2003-10-25
Publication date: 2005-05-25

Abstract

Schwingkolben-Gasturbo-Motor, bestehend aus einem mit dem feststehenden Gestell verbundenen Motorflansch und einem eine Einheit bildenden und kontinuierlich rotierenden Verbrennungskammergehäuse und Kurbelwellengehäuse, wobei diese durch eine Hohlwelle miteinander verbunden sind und diese eine Achse aufnimmt, die wiederum einen Doppelkolben derart lagert, dass dieser berührungsfrei in die Verbrennungskammern ein- und ausschwenken kann. Der Doppelkolben beschreibt dabei auch die Rotation der Verbrennungskammer-Kurbelwellengehäuse-Einheit, wobei ihm jedoch eine weitere periodisch schwingende Bewegung überlagert wird, so dass er das Verbrennungskammergehäuse periodisch einholt und wieder zurückbleibt. Der Frisch- und Abgaswechsel erfolgt durch in den Stirnseiten der Verbrennungskammern angebrachte Ventile, die ihrerseits von Rollenhebel-Kipphebelkombinationen betätigt werden und die an den Rollenhebeln angebrachte Rollen auf feststehenden, mit dem Motorflansch verbundenen, Kurvenscheiben abrollen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombination eines Verbrennungsmotors und einer Gasturbine zur Verbesserung des Wirkungsgrades der thermischen Maschine. Der Schwingkolben-Gasturbo-Motor dessen beide um 180° zueinander versetzten hohlringsegmentförmige, in ein scheibenförmiges geschlossenen Gehäuse hineingearbeiteten Verbrennungskammern durch eine in Wälzlager gelagerte Hohlwelle mit dem Schwungrad fest verbunden sind, machen gemeinsam eine gleichmäßige, kontinuierliche Drehbewegung. Der starr ausgebildete Doppelkolben macht dabei eine oszillierende Bewegung und schwenkt periodisch in die Verbrennungskammern ein, so dass im Wechsel eine Verdichtung – Expansion in den zwei hohlingsegmentförmigen Verbrennungskammern stattfindet.

Ähnliche Schwingkolben oder Kreiskolbenmotoren sind in verschiedenen Patenten beschrieben z. B. DE 3444023 , DE 4209443 , DE 4209445 WO 86/01255 oder sind in der Fachliteratur unter Katz- und Maus-Motor bzw. Kauertz Motor beschrieben. Doch alle diese Motoren haben Abdichtprobleme zwischen den Kolben und den Verbrennungskammern da drei Teile zueinander abgedichtet werden müssen und dies beim Erwärmen der Motorbauteile zu Undichtigkeiten führt.

Diese Motoren arbeiten grundsätzlich nach dem Zweitaktsystem, welches die strengen heutigen Abgasnormen nur unzulänglich erreichen kann.

Durch die dezentrale Anordnung einiger Bauteile sowie die oszillierende Bewegung der Kolben in den, mit dem Gestell verbundenen Verbrennungskammern, weisen diese Motoren große unausgeglichene Massenmomente auf.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingkolben-Gasturbo-Motor so zu gestalten, dass die Abdichtung der Kolben durch herkömmliche Kolbenringe erfolgt, und der Motor im Viertaktsystem arbeitet. während die Abgase dem Motor zusätzlichen Drehschub verleihen und somit der Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine verbessert wird.

Die obige Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

In zwei hohlringsegmentförmigen Verbrennungskammern die konzentrisch zu ihrem Zentrum gelagert, sowie teilgleich zueinander angeordnet sind, die jeweils an einem Ende verschlossen sind und einen runden Querschnitt aufweisen, bewegt sich ein starrer ringsegmentförmiger einen runden Querschnitt aufweisenden Doppelkolben, der konzentrisch zu seinem Zentrum und dem Zentrum der beiden Verbrennungskammern gelagert ist, indem er periodisch in die dem jeweiligen Kolbensegment zugeordnete Verbrennungskammer ein- und ausschwenkt. Durch Einschwenken und Ausschwenken der beiden Kolbensegmente des Doppelkolbens in jeweils den entsprechenden Zylinder, entsteht eine kontinuierliche Verdichtung – Verbrennung – Expansion – Ausstoß (Viertaktsystem). Da die Zylinder sowie auch die beiden Kolbensegmente des Doppelkolbens jeweils runde Querschnitte aufweisen, werden die beiden Kolbensegmente am Kolbenhemd mit Kolbenringnuten versehen, in die ringförmige, herkömmliche, federnde Kolbenringe zur Abdichtung der Kolben in den Verbrennungskammern eingesetzt werden.

Da das scheibenförmige Verbrennungskammergehäuse sowie auch der Doppelkolben im Zentrum außerhalb des Zylindergehäuses konzentrisch zueinander gelagert sind, werden die beiden ringsegmentförmigen Kolben in den jeweiligen hohlringsegmentförmigen Verbrennungskammern berührungslos ein- und ausgeschwenkt. Während die beiden ringsegmentförmigen Kolben des Doppelkolbens aus dem jeweiligen Zylinder ausschwenken, werden die in der Brennkammer angeordneten Einlassventile geöffnet und das Frischgas strömt durch die Luftkanäle in die Brennkammern. Beim Einschwenken der Doppelkolben in die jeweiligen hohlringförmigen Verbrennungskammern bleiben die Einlass- und Auslassventile geschlossen. Es beginnt die Verdichtung und bei OT wird der Kraftstoff durch die Einspritzdüsen eingespritzt und entzündet sich beim Selbstzünder am heißen Gas. In einer weiteren Ausfürungsform wird, wenn ein Luft-Kraftstoff Gemisch angesaugt wurde, dieses Gasgemisch durch Zündkerzen gezündet, der Doppelkolben wird aus den hohlringförmigen Verbrennungskammern hinausgedrängt. Beim Wiedereinschwenken werden die Auslassventile geöffnet, das Abgas strömt mit großer Geschwindigkeit aus den Verbrennungskammern, trifft auf die feststehenden Leitschaufeln des Abgasringes und strömt durch die Abgaskanäle aus.

Da das scheibenförmige Verbrennungskammergehäuse mit Einlass- und Auslassventilen eine kontinuierliche Drehbewegung macht, treffen die ausströmenden Gase auf die feststehenden Leitschaufeln des Abgasringes und verleihen demselben zusätzlich Drehschub, wodurch der Wirkungsgrad des Motors verbessert wird.

Da der Doppelkolben aus zwei ringsegmentförmigen Kolben besteht, die in jeweils ihnen zugeordneten hohlringförmigen Verbrennungskammern ein- und ausschwenken ergeben sich je zwei Ansaugungen, zwei Verdichtungen, zwei Zündungen und je zwei Ausströmungen der Gase aus den Verbrennungsräumen. Da die hohlringförmigen Verbrennungsräume sowie die ringsegmentförmigen Kolben um 180° zueinander versetzt sind und die Verdichtung, Zündung usw. zur gleichen Zeit in beiden Brennkammern geschieht, entsteht keine Unwucht während des Arbeitsablaufes.

Das Verbrennungskammergehäuse das mit einer Hohlwelle mit dem Schwungradkurbelgehäuse fest verbunden ist, wird durch Wälzlager im abgedichteten stationären Teil des Motors außerhalb des Brennraumes gelagert. Der Doppelkolben, der durch eine Achse mit einem Doppelhebel fest verbunden ist, wird konzentrisch im Inneren der Hohlwelle des Verbrennungskammergehäuses bzw. Kurbelgehäuses gelagert, so dass er eine schwingende Bewegung beschreibt, indem er bis zum Stillstand verzögert und dann wieder beschleunigt wird, bis er das sich gleichmäßig drehende Verbrennungskammergehäuse wieder eingeholt hat.

Mit dem stationären Teil des Motors ist zentrisch zum Schwungrad-Kurbelgehäuse ein Zahnrad befestigt auf dem sich zwei um 180 ° versetzte Planetenräder abwälzen und die im Schwungrad-Kurbelgehäuse in Wälzlagern gelagert sind. Das feststehende Zahnrad weist doppelt so viele Zähne auf wie die beiden im Schwungrad-Kurbelgehäuse gelagerten Planetenräder. Somit beschreiben die beiden Planetenräder zwei Umdrehungen bei einer Umdrehung des Zylinderkörper-Schwungrad-Kurbelgehäuses.

Pest verbunden mit den Wellen der Planetenräder sind die Kurbelscheiben mit Hubzapfen, an welchen jeweils eine Pleuelstange gelagert ist, die wiederum mit einem Zapfen des Doppelhebels schwenkbar gelagert ist. Der Doppelhebel ist durch eine Achse, welche in der Hohlwelle des Schwungrad-Kurbelgehäuses schwenkbar gelagert ist, mit dem Doppekolben fest verbunden, so dass Doppelkolben und Doppelhebel eine starre Einheit bilden. Somit wird bei jeder halben Umdrehung des Motors der Doppelhebel durch die beiden Planetenräder-Schwungräder und Pleuel einmal vor- und zurückgeschwenkt und da er mit dem Doppelkolben durch die Achse fest verbunden ist geschieht mit dem Doppelkolben dasselbe, so dass er bei einer Umdrehung des Motors zweimal in die Zylinder ein- und ausschwenkt. Alle beweglichen Teile des Motors sind somit außerhalb des Brennraumes bzw. Verbrennungskammergehäuses angeordnet, was eine einwandfreie Schmierung aller beweglichen Teile wie Lager, Zahnräder usw. ermöglicht.

Da die beiden ringsegmentförmigen Kolben gemeinsam durch ein Mittelteil starr miteinander verbunden den Doppelkolben bilden und über die gemeinsame Schwingachse außerhalb des Zylinderkörpers gelagert sind, brauchen sie im Zylinder nicht geführt zu werden, sondern bewegen sich berührungslos jeweils in der entsprechenden Verbrennungskammer.

Fest verbunden mit dem Motorflansch sind zwei Nutkurven die auf der inneren Kurvenlaufbahn die Steuerung der Einlassventile steuern, während die äußere Kurvenlaufbahn die Auslassventile steuert, so dass jedes Ventil von einer Kurvenbahn gesteuert wird.

In zwei um 180° versetzte Lagerungen die am Verbrennungskammergehäuse angebracht sind und sich mit demselben kontinuierlich mitdrehen, befinden sich jeweils eine Hebel-Rohrachse-Kombination die an einem Ende jeweils eine Kurvenrolle die auf der inneren Kurvenlaufbahn der Doppelkurve ablaufen, während am anderen Ende ein Kipphebel mit Einstellschraube befestigt ist, die das Einlassventil betätigt. Die Ventile werden mit Druckfedern geschlossen, während sie durch die Kurvenbahn, Hebel-Rohrachse-Kombination nach vorgegebenem Ablauf geöffnet werden.

Im Inneren der Rohrachse befindet sich eine Achsenkombination, die an einem Ende jeweils eine Kurvenrolle die den außeren Kurvenablauf der Doppelkurve ablaufen, während am anderen Ende sich jeweils ein Kipphebel mit Einstellschraube die direkt auf die Auslassventile drücken dieselben öffnen, während eine Druckfeder sie wieder schließt und so wie auch die Einlassventile von der eigenen Kurvenbahn nach einem festgelegten Ablauf geöffnet werden.

Das scheibenförmige Verbrennungskammergehäuse ist zwischen den Einlassventilen und der Frischluft-Drehdurchführung mit Frischluftkanälen versehen, so dass es keine Verbindung zum Innenteil des scheibenförmigen Verbrennungskammergehäuses gibt. Für die Schmierung der Kolbenringe wird das scheibenförmige Verbrennungskammergehäuse mit Öl versehen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im folgenden bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingkolben-Gasturbo-Motors anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
1. Ansicht von der Kurbelgehäuseseite
2. Ansicht des geöffneten Verbrennungskammergehäuses.
3. Ansicht des Motors ohne Verbrennungskammergehäuse
4. Ansict des Motors ohne Ventilsteuerkurven
5. Schnittansich mit den wesentlichen Komponenten
6. Schnittansicht ohne Kurbelgehäuse
7. Ansicht ohne Kurbelgehäuse und Verbrennungskammergehäuse
8. Doppelkolben mit zentraler Achse und Doppelhebel Zunächst werden anhand der Ansicht 1. die wesentlichen Komponenten der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingkolben-Gasturbo-Motors beschrieben.
In dem feststehenden Motorflansch (1) mit dem der Motor durch die Verbindungsbohrungen (2) an ein feststehendes Gestell angeflanscht wird und an dessen einer Stirnseite ein Zahnrad (3) befestigt ist, wird die Hohlwelle (4) in den Wälzlagern (5) und (6) gelagert. Die Hohlwelle (4) ist an einer Stirnseite mit dem Kurbelgehäuse (7) sowie auf der entgegengesetzten Seite mit dem Verbrennungskammergehäuse (8) fest verbunden und beschreibt eine gleichmäßige, kontinuierliche Drehbewegung In der Hohlwelle (4) ist eine Achse (9) in den Lagern (10) und (11) konzentrisch zur Hohlwelle (4) gelagert. Die Achse (9) ist an einem Ende mit dem Doppelkolben (12) und am entgegengesetzten Ende mit einem Doppelhebel (13) starr verbunden. Im Kurbelgehäuse (7) um 180° zueinander versetzt befinden sich zwei Planetenräder (14) und (15) die in den Wälzlagerungen (16;17;18;19) drehbar gelagert und mit den Kurbelscheiben (20) und (21) fest verbunden sind. An den Kurbelscheiben (20) und (21) befindet sich exzentrisch versetzt je ein Kurbelzapfen (22) und (23), der mit je einem in Wälzlagern (24;25;26;27) gelagerten Pleuel (28) und (29) die Kurbelscheiben (20) und (21) über die Lagerzapfen (30;31) mit dem Doppelhebel (13) verbindet.
Da das feststehende Zahnrad (3) doppelt so viele Zähne aufweist wie die beiden Planetenräder (14) und (15), machen die Planetenräder (14;15) durch ihr Abwälzen auf dem Zahnrad (3) zwei Umdrehungen je Umdrehung des Motors.
Die mit den Planetenrädern (14) und (15) fest verbundenen Kurbelscheiben (20) und (21) versetzen somit den Doppelhebel (13) über die beiden Pleuelstangen (28;29) in eine oszillierende Drehbewegung.
Da der Doppelkolben (12) über die Achse (9) mit dem Doppelhebel (13) fest verbunden ist, macht er somit auch die oszillierende Drehbewegung. Der Doppelkolben (12) bestehend aus einem zentralen Mittelteil (32) mit zwei daran befestigten ringsegmentförmigen Kolbensegmente (33;34) die um 180° zueinander versetzt sind. Diese Kolbensegmente (33;34) schwenken in die ihnen zugeordneten hohlringförmigen Verbrennungskammern (35;36) die auch um 180° zueinander versetzt sind und in das Verbrennungskammergehäuse (8) eingearbeitet sind berührungslos ein und aus. Beide ringsegmentförmigen Kolben (33;34) weisen einen runden Querschnitt auf und werden durch jeweils einen elastischen Kolbenring (37;38) in den hohlringsegmentförmigen Verbrennungskammern (35;36) abgedichtet. Die Kolbenringe (37;38) sind in den im jeweiligen Kolbensegment (33;34) eingearbeitete Nuten angebracht und dichten den Spalt zwischen Kolbensegment (33;34) und Verbrennungskammer wandung ab. Im Verbrennungskammergehäuse (8) befinden sich nicht dargestellte Frischluftkanäle (39;40), welche die Verbindung zwischen der Drehdurchführung (41) und der jeweiligen nicht dargestellten Ventilkammer (42;43) machen.
Die Einlassventile (44;45) werden im Zylinderboden in ihren Führungen geführt. Sie werden von den Kipphebeln (46;47), die durch Hohlwellen (48;49) mit dem jeweiligen Rollenhebel (50;51) starr verbunden sind, über die Rollen (52;53) welche auf einer feststehenden inneren Kurvenbahn (54;55) abwälzen, mit der für die Ventilsteuerung festgelegten Steuerzeit geöffnet, während sie von den nicht dargestellten Druckfedern (56;57) wieder geschlossen werden.
Die Auslasskammern (59;60) weisen Ausströmkanäle (61;62) auf, durch welche die mit großer Geschwindigkeit ausströmenden Abgase aus dem rotierenden Verbrennungskammergehäuse (8) ausströmen und auf die feststehenden Leitschaufeln (63;64) auftreffen und somit dem Verbrennungskammergehäuse (8) zusätzlich Drehschub verleihen. Die Leitschaufeln bilden einen Abgasring (67) welcher mit Abgasstutzen (68;69) zum Ableiten der Abgase versehen ist.
Die Auslassventile (70;71) werden durch die Kipphebel (72;73), die durch jeweils eine Achse (74;75) welche in der jeweiligen Hohlwellen (48;49) schwenkbar gelagert ist und am entgegengesetzten Ende je einen Rollenhebel (76;77) aufweisen über die Rollen (78;79) mit der von den feststehenden äußeren Kurvenbahnen (80;81) festgelegten Steuerzeit geöffnet, während sie von den Druckfedern (82;83) wieder geschlossen werden.
Die Kraftstoffversorgung erfolgt bei einem Selbstzünder (Dieselmotor) über eine Drehdurchführung (84) und durch die nicht dargestellten Verbindungsleitungen (85;86) zu den Einspritzdüsen (87;88).
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass Kraftstoff Luftgemisch angesaugt wird, und dieses von Zündkerzen anstelle der Einspritzdüsen gezündet wird.
Der Innenraum des sich drehenden Verbrennungkammergehäuses (8) welcher das Mittelstück (32) sowie die Doppelkolben (33;34) aufnimmt, bildet in sich einen geschlossenen Raum (89) in welchem sich Schmierstoff befindet, der für die Schmierung der Kolbenringe (37;38) benötigt wird. In diesem Innenraum befindet sich auch eine Schmierstoffpumpe die in den Zeichnungen nicht gezeigt wird.
Das Verbrennungskammergehäuse (8) ist mit Kühlrippen (90) sowie Kühlkanälen (91) und einem fest verbundenen mitlaufenden Lüfterrad (92) versehen, welche eine optimale Kühlung gewährleisten. Das Kurbelgehäuse (7) besteht aus einem geschlossenen Körper, der das erforderliche Schmiermittel für die Lagerungen, Zahnräder und Pleuelstangen und alle bewegliche Teile beinhaltet. Die Abdichtung zwischen Verbrennungskammergehäuse (8) und Kurbelgehäuse (7) erfolgt durch die Dichtringe (93;94).
Zentral zum Kurbelgehäuse befindet sich der Abtriebszapfen (95).
Alle Teile des Turbo-Schwingkolbenmotors sind zentral zur Hohlwelle (4) und frei von Unwuchten angeordnet.

Claims

Schwingkolben-Gasturbo-Motor bestehend aus einem Motorflansch (1) und eine Einheit bildenden scheibenförmigen Verbrennungskammergehäuse (8) und einem scheibenförmigen Kurbelwellengehäuse (7) dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungskammergehäuse (8) mit dem Kurbelwellengehäuse (7) durch eine Hohlwelle (4), welche die Achse (9) konzentrisch aufnimmt, verbindet und in das Verbrennungskammergehäuse (8) und zu diesem konzentrisch in einer symmetrischen Teilung von 180° hohlringsegmentförmige, sacklochförmige Verbrennungskammern (35;36) und sich in der die eine Seite verschließenden Stirnseite Einlass- (44;45) und Auslassventile (70;71) befinden, so dass die Ventilteller in Richtung der Brennkammern (35;36) angeordnet sind, und diese Einheit eine kontinuierliche Rotation beschreibt.
Schwingkolben-Gasturbo-Motor nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen Doppelkolben (12) der aus zwei ringsegmentförmigen in ihrem Querschnitt runde Kolben (33;34) welche auf der in Drehrichtung Vorderseite Kolbennuten aufweisen in welchen sich jeweils ringförmige in sich federnde Kolbenringe (37;38) befinden und welche an der entgegengesetzten Seite um 180° zueinander versetzt mit einem Mittelteil fest verbunden sind welches in seinem Zentrum drehsteif eine Achse (9) aufnimmt die in den Lagern (5;6) in der Hohlwelle (4) schwenkbar gelagert ist und welche wiederum an ihrem entgegengesetzten Ende mit einem Doppelhebel (13) fest verbunden ist.
Schwingkolben-Gasturbo-Motor nach einem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem sich kontinuierlich drehenden Verbrennungskammergehäuse (8) parallel zur Hohlwelle (4) weitere Hohlwellen (48;49) gelagert sind, die an ihrem einen Ende jeweils einen Kipphebel (46;47) aufweisen, die je ein Ventil (44;45) betätigen und an ihrem jeweils anderen Ende einen Rollenhebel (50;51) mit Kurvenrolle (52;53) aufnehmen, die auf je einer ihr zugewiesenen Kurvenbahn (54;55) ablaufen, und in den Hohlwellen (48;49) jeweils eine weitere Achse (74;75) derart gelagert ist, dass die an je einem Ende angebrachten Kipphebel (72;73) je ein Ventil (70;71) betätigen und die Achsen (74;75) von je einem Rollenhebel (76;77) mit Kurvenrollen (78;79) die auf je einer ihnen zugewiesenen Kurvenbahn (80;81) abrollen und die Kurvenbahnen (54;55;80;81) konzentrisch zur Hohlwelle (4) angeordnet und mit dem Motorflansch (1) verbunden sind.
Schwingkolben-Gasturbo-Motor nach einem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kurvenbahn (54;55;80;81) ein nicht dargestellter Antrieb zugeordnet ist, der die Kurvenbahnen (54;55;80;81) zum Motorflansch (1) in beliebigen Winkelschritten verstellt.
Schwingkolben-Gasturbo-Motor nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang des Verbrennungskammergehäuses (8) ein abgasführender Ring (50) gelegt wird, in dem in einer symmetrischen Teilung von 180° Leitschaufelsysteme (48;49) angeordnet sind.
Schwingkolben-Gasturbo-Motor nach einem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Motorflansch (1) ein Zahnrad (3) fest verbunden ist, auf dem sich die Zahnräder (14;15) die in dem Kurbelgehäuse (7) in einer symmetrischen Teilung von 180° gelagert sind abwälzen und die Zähneanzahl von den Zahnrädern (14;15) die Hälfte der Anzahl von Zahnrad (3) aufweisen und die an den Zahnrädern (14;15) angebrachten Kurbelscheiben (20;21) mit ihrem jeweiligen Kurbelzapfen (22;23) über je ein zugehöriges Pleuel (28;29) mit dem Doppelhebel (13) verbindet.
Schwingkolben-Gasturbo-Motor nach einem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass alle Schwungmassen symmetrisch zur Rotationsachse des Motors angeordnet sind.
Schwingkolben-Gasturbo-Motor nach einem der Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbrennungskammer (35;36) an dem Ende mit der Brennkammer (40;41) je eine Einspritzdüse (44;45) aufweist, die im Verbrennungskammergehäuse (8) befestigt wird und über die Versorgungsleitungen und die Drehverbindung mit Kraftstoff versorgt wird, wobei das Frischgas seinerseits über die Drehverbindung (39) in das Innere des Verbrennungskammergehäuses (8) einströmt.