DE1255385B - Brennkraftmaschine mit Rotationskolbenverdichter, Hubkolbenverdichter und Rotationskolben-Expansionsmaschine - Google Patents

Description

• Brennkraftmaschine mit Rotationskolbenverdichter, Hubkolbenverdichter und Rotationskolben-Expansionsmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Rotationskolbenverdichter, einem diesem nachgeschalteten Hubkolbenverdichter und einer Rotations-Expansionsmaschine, wobei das Arbeitsmittel in dem Bereich des Hubkolbenverdichters gezündet wird und die verbrannten Gase in der Rotationskolben-Expansionsmaschine durch einen Überströmkanal übergeführt werden und wobei die beiden Rotationskolben über eine Welle miteinander verbunden sind. Brennkraftmaschinen dieser Art sind bekannt (deutsches Patent 539 299). Ein wesentlicher Nachteil dieser Brennkraftmaschinen ist, daß sie einen verhältnismäßig großen Totraum aufweisen, der nicht vermieden werden kann, weil das Abschließen der Zündkammer durch ein Ventil bewirkt wird. Hinzu kommt, daß die Gefahr des Beschädigens von Ventil und Ventilstange besteht, weil eine Kühlung dieser Teile nicht möglich ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der vorstehend erwähnten Art so auszubilden, daß sie einen möglichst geringen Totraum aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dafür zu sorgen, daß im Verdichterzylinder gleichachsig zum Verdichterkolben ein Ausweichkolben angeordnet ist, dessen Boden zusammen mit dem Boden des Verdichterkolbens und der Innenwand des Zylinders eine Brennkammer bildet, und daß der Ausweichkolben den Überströmkanal steuert. Durch diese Gestaltung läßt sich jeder Totraum vermeiden, auch wenn gewisse Drosselverluste nicht zu vermeiden sind, hier überwiegt jedoch der Vorteil, daß praktisch kein toter Raum vorhanden ist. Es empfiehlt sich, den Ausweichkolben unter Wirkung einer Feder stehen zu lassen, deren Vorspannung einstellbar ist. Hierdurch läßt sich die Bewegung dieses Ausweichkolbens in Abhängigkeit vom Verdichtungsdruck genauso steuern wie dann, wenn der Ausweichkolben über einen Kurbel-, Nocken- oder Exzentertrieb bewegbar ist, ohne daß anzutreibende Mittel vorgesehen sein müssen. Weiterhin empfiehlt es sich, den Ausweichkolben mit einem Anschlag zur Begrenzung des durch seine Feder bewirkten Hubes zu versehen. Diese Gestaltung ermöglicht es auch, den Verdichtungsraum gut zu kühlen, so daß seine Wände sogar in der Lage sind, Kompressionswärme aufzunehmen.
• In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch die Brennkraftmaschine in der lotrechten Ebene, in der die Verdichter- und Ausweichkolben liegen, F i g. 2 einen Querschnitt durch die Brennkraftmaschine parallel zum Schnitt nach F i g. 1, gelegt durch den Rotationskolbenverdichter, F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine, F i g. 4 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise der Brennkraftmaschine.
• In dem Gehäuse 1 der Rotationskolben-Expansionsmaschine ist zentrisch eine Welle 2 angeordnet, ihr eines Ende ist in einem Gehäusedeckel 3 gelagert (F i g. 3). Auf der Welle ist ein Rotationskolben 4 befestigt, der einen Rotor 5 durchsetzt, welcher im Gehäuse 1 exzentrisch angeordnet ist (F i g. 1). Der Rotor 5 ist einerseits in einem Lager 6 (F i g. 3) und andererseits mit einem auf einen geringeren Durchmesser verjüngten Teil 5 a in einem Lager 7 eines Deckels 8 eine Gehäuses 9 montiert, das den Rotationskolbenverdichter aufnimmt. Im Gehäuse 9 des Rotationskolbenverdichters ist auf dem Rotoransatz 5 a ein Exzenter 10 angeordnet (F i g. 2 und 3), welcher ein Lager 11 und darauf einen Rotationskolben 12 trägt. Der Rotationskolben 12 weist eine Aussparung 13 auf, in die ein Führungsglied 14 eingreift. Im Gehäuse 9 des Rotationskolbenverdichters vorgesehene Öffnungen 15, 16 bilden den Eintritt bzw. Austritt aus dem Rotationskolbenverdichter.
• Die durchgehende Welle 2 ist im Bereich des Rotationskolbenverdichters durch ein in einem Deckel 17 angeordnetes, durch diesen Deckel nach außen abgeschlossenes Lager 18 und im Bereich der Rotationskolben-Expansionsmaschine in einem Lager 19 gelagert, das nach außen durch einen Deckel 20 abgeschlossen ist. Oberhalb des Gehäuses 1 und seitlich des Gehäuses 9 befindet sich ein Verdichter-Zylinder 21 mit Kurbelwanne 22 (F i g. 1 und 3). Durch eine Kurbelwelle 23, die in geeigneter, an sich bekannter Weise mit der Welle 2 kraftschlüssig verbunden ist, wird über eine Pleuelstange 24 ein im Zylinder 21 angeordneter Verdichter-Kolben 25 betätigt. In diesem Verdichter-Zylinder 21 ist ferner ein Ausweichkolben.26 vorgesehen, der durch eine Kolbenstange 27 im Zylinderdeckel 28 geführt ist und unter dem Druck einer Feder 30 steht. Der Hub des Ausweichkolbens 26 ist durch einen am freien Ende der Kolbenstange 27 festgelegten Anschlag 29 begrenzt. Der Boden des Ausweichkolbens 26 bildet zusammen mit dem Boden des Verdichterkolbens 25 und der Innenwand des Zylinders 21 eine Brennkammer. Überströmkanäle 31 (F i g. 1 und 3) stellen die Verbindung zwischen dem Zylinder 21 und dem Gehäuse 1 der Rotationskolben-Expansionsmaschine her, während die bereits erwähnte Austrittsöffnung 16 (F i g. 1) die Verbindung zwischen dem Rotationskolbenverdichter und dem Hubkolbenverdichter herstellt. Die Kurbelwelle 23 wird von der Welle 2 im Verhältnis 1: 1 angetrieben.
• Der mit der Welle 2 verbundene Rotationskolben4 wirkt in seiner Drehbewegung auf den Rotor (F i g. 3), indem er auf die vorzugsweise drehbar im Rotorkörper gelagerte Rolle 32 drückt und damit seine Drehbewegung auf den Rotor überträgt, wobei er sich gleichzeitig zur Vermeidung eines Reibungswiderstandes und der dadurch erzeugten Wärme auf der Rolle abwälzt. Auf der der Rolle 32 gegenüberliegenden Seite der für den Durchgang des Rotationskolbens 4 vorgesehenen Rotoröffnung weist die Begrenzungswand 33 dieser Öffnung einen Knick 34 auf, der sich mit der Achse der Rolle 32 auf etwa gleicher Höhe befindet, wobei die Anordnung der abgewinkelten Wandteile 33 und 33 a so getroffen ist, daß sie mit dem Rotationskolben Flächendichtungen bilden, wenn sich der Kolben schräg bzw. gerade durch die Rotoröffnung erstreckt, während sich in den Zwischenstellungen eine Dichtung zwischen dem Rotationskolben und dem Rotor am Knickpunkt und an der Rollenoberfläche ergibt. Sowohl am Knick 34 als auch an den Wandteilen 33 und 33a können Dichtungsleisten 35 vorgesehen werden. Ähnliche radiale Dichtungsleisten 36 werden zweckmäßig auch an der Außenkante und den Seitenkanten des Rotationskolbens 4 angebracht. Schließlich ist zur Vermeidung schädlichen Raumes der Rotationskolben mit einer in seiner Drehrichtung vorspringenden Nase 38 ausgestattet, die in der unteren Endstellung des Rotationskolbens auf der Rolle 32 liegt. Die Austrittsöffnung der Rotationskolben-Expansionsmaschine ist mit 37 bezeichnet.
• Die Deckel der Maschine sind mit Öffnungen 39 und 39 a versehen, durch welche ein auf der Welle 2 festgelegter, nicht gezeichneter Ventilator einen Kühlluftstrom in Pfeilrichtung durch die Brennkraftmaschine schicken und den Rotor 5 sowie den Rotationskolben 4 wirksam kühlen kann.
• Unter Bezugnahme auf die F i g. 4 a bis 4 g wird dieArbeitsweise derBrennkraftmaschine nachstehend erläutert.
• Durch die Umlaufbewegung des Rotationskolbens 12 wird Luft oder ein Gasgemisch durch die Öffnung 15 angesaugt, vorverdichtet und über die Öffnung 16 in den Verdichtungs-Zylinder 21 gedrückt. Der Verdichterkolben 25 schließt bei 70° nach dem unteren Totpunkt diese Öffnung 16. Der Rotationskolben 12 wird so gesteuert, daß er den Ausstoß der angesaugten und vorverdichteten Luft beendet hat, wenn der Verdichterkolben 25 die Öffnung 16 schließt. Somit stehen bei den hier gewählten Maßen 2 - 70° = 140° Kurbelwellenwinkel zum überströmen zur Verfügung.
• Bei etwa 60° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt verdichtet der Verdichterkolben 25 etwa 1: 20. In dieser Stellung beginnt beim Betrieb als Selbstzündmotor die Einspritzung des Kraftstoffes. Bei etwa 15° Kurbelwinkel beginnt sich die Expansion durch Zündung bemerkbar zu machen mit dem entsprechenden Druckanstieg. Die Feder des Ausweichkolbens 26 wird in diesem Fall so eingestellt, daß sie z. B. bei dem Druck, der bei 45° Kurbelwinkel entsteht, nachgibt und den Ausweichkolben 26 zurückweichen läßt. Dadurch wird der überströmkanal31 zur Rotationskolben-Expansionsmaschine freigegeben, so daß das sich ausdehnende Gas ausströmen kann. Zuerst befindet sich allerdings der Rotationskolben 4 mit seiner Nase 38 vor dem überströmkanal 31 und versperrt sie. Nach etwa 20° Kurbelwinkel gibt er jedoch den überströmkanal frei und das Gas strömt in Drehrichtung hinter den Rotationskolben 4 in den Raum zwischen Gehäuse 1 und Rotor 5 ein. Schon bei 15° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Verdichterkolbens 25 ist soviel Gas in den Expansionsraum des Gehäuses 1 geströmt, daß der Druck zwischen den beiden Kolben 25 und 26 niedriger ist als der, auf welchen die Feder 30 eingestellt ist. Somit wird der Ausweichkolben 26 von seiner Feder gegen den Verdichterkolben 25 gedrückt und preßt so alle Brenngase aus dem Zylinder 21 heraus in den Expansionsraum des Gehäuses 1. Die vorher aufgewandte Kraft zur überwindung des Federdruckes wird nun wieder in Arbeit umgewandelt. Als sogenannter schädlicher Raum ist lediglich der überströmkanal31 vorhanden, welcher jedoch zum Expansionsraum in einem Größenverhältnis wie 1:100 steht.
• Da der Druck, unter welchem der Ausweichkolben 26 zurückweicht, durch Ändern der Vorspannung der Feder 30 einstellbar ist, kann die Brennkraftmaschine mit jedem beliebigen Kraftstoff betrieben werden, so daß auch eine Vielstoff-Brennkraftmaschine geschaffen ist.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Brennkraftmaschine mit einem Rotationskolbenverdichter, einem diesem nachgeschalteten Hubkolbenverdichter und einer Rotationskolben-Expansionsmaschine, wobei das Arbeitsmittel in dem Bereich des Hubkolbenverdichters gezündet wird und die verbrannten Gase in der Rotationskolben-Expansionsmaschine durch einen Überströmkanal übergeführt werden und wobei die beiden Rotationskolben über eine Welle miteinander verbunden sind, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß im Verdichterzylinder gleichachsig zum Verdichterkolben (25) ein Ausweichkolben (26) angeordnet ist, dessen Boden zusammen mit dem Boden des Verdichterkolbens (25) und der Innenwand des Zylinders (21) eine Brennkammer bildet, und daß der Ausweichkolben den überströmkanal (31) steuert. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausweichkolben (26) unter Wirkung einer Feder (30) steht, deren Vorspannung einstellbar ist. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausweichkolben (26) mit einem Anschlag (29) zur Begrenzung des durch eine Feder (30) bewirkten Hubes versehen ist. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausweichkolben (26) über einen Kurbel-, Nocken- oder Exzentertrieb bewegbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 539 299, 721565.