DE19527277A1 - Brennkraftmaschine mit umlaufenden Kolben als 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor - Google Patents

Brennkraftmaschine mit umlaufenden Kolben als 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor

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Description

Dieser Kreiskolbenmotor soll die Nachteile des in der PA 44 40 924 beschriebenen Motors ausschalten und weitere wesentliche Vorteile ermöglichen.
Bei dem in o.a. Patentanmeldung beschriebenen Motor werden aus kon­ struktionsbedingten Gründen etwa 20% der angesaugten Frischluft, nach dem Verdichten in den Abgasraum gedrückt und gehen für die wei­ tere Motorfunktion verloren. Die für die Verdichtung aufgewendete Energie bedingt einen Leistungsverlust.
Da kein Frischgasgemisch in die heißen Abgase gedrückt werden kann, kann dieser Motor nur mit innerer Gemischbildung arbeiten.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Ansaugvolumen, wie bei allen üblichen Motoren,die gleiche Größe wie das Arbeitsvolumen ha­ ben muß, und deshalb das verbrauchte Arbeitsgas mit einem relativ hohen Druck ausgestoßen wird und einen weiteren Energieverlust bedingt.
Diese Mängel werden in der nachfolgend beschriebenen Konstruktion behoben und weitere,wesentliche Vorteile erzielt.
Während bei der PA 44 40 924.9, genau wie bei andern ähnlichen Kon­ struktionen, die Kompressionsscheiben auf der einen und die Arbeits­ scheiben auf der andern Welle angeordnet sind, sitzen bei dieser Konstruktion auf jeder Welle eine Kompressionsscheibe und eine Ar­ beitsscheibe. Es scheren sowohl die Kompressionsscheiben ineinander ein als auch die Arbeitsscheiben.
Dadurch wird die nach Schließung der Öffnung zur Brennkammer zurück­ gebliebene Frischluft in den bereits geschlossenen Ansaugraum der anderen Kompressionsscheibe gedrückt und vergrößert das Volumen der angesaugten Frischluft. Da nach der Verdichtung die gleiche Menge Frischluft wieder zurückbleibt, wird nur die dem Ansaugvolumen ent­ sprechende Frischluftmenge in die Brennkammer gedrückt, der konstruk­ tiv bedingte Verlust aber vermieden.
Da das angesaugte Gas nicht mehr in die Abgasleitung gedrückt wird, kann dieser Motor auch mit äußerer Gemischbildung arbeiten.
Die Querschnitte der Kompressions- und der Arbeitskolben sind von ein­ ander unabhängig, dadurch kann das Volumen der Arbeitsräume durch Ver­ änderung der Breite und Höhe der Kolben vergrößert werden.
Auch durch Teilung einer Welle zwischen Kompressions-und Arbeits­ scheibe und Vergrößerung des Wellenabstandes kann das Arbeitsraum- Volumen vergrößert werden. Dabei wird auch das Drehmoment vergrößert, das ohnehin größer als bei Kurbeltrieb-Motoren ist und bereits bei niedrigen Drehzahlen in voller Höhe zur Verfügung steht.
Weitere Vorteile, die durch diese Konstruktion erreicht werden:
Die für die Kraftstoff-Einspritzung, -Zündung und -Verbrennung erfor­ derliche Wellendrehung kann durch eine Versetzung der Kompressions­ gegenüber der Arbeitsscheibe optimal eingestellt werden. Ein Ringseg­ ment, das dem Winkel der Versetzung entspricht, wird an der Rückseite des Kompressorkolbens angebracht um ein vorzeitig es Öffnen der Zulei­ tung zur Brennkammer zu vermeiden. An der Vorderseite des Gegenkol­ bens wird eine entsprechende Aussparung vorgesehen.
Für die gesamte Steuerung werden nur 4 Öffnungen im Grundrahmen be­ nötigt, die die Ein- und Auslaßöffnungen der beiden Brennkammern bil­ den. Kanäle und Umlenkungen werden nicht benötigt.
Die Einlaß- und Auslaßvorgänge erstrecken sich über eine Wellendre­ hung von je ca. 280°, dadurch werden Stoßwirkungen vermieden. Der Arbeitstakt kann 2-stufig ausgebildet werden. Das in der 1. Stufe nur teilentspannte Arbeitsgas wird in einer 2. Stufe, die aus einer 2. Arbeitsscheibe besteht, bis auf einen technisch notwendigen Min­ destdruck entspannt.
Die Stirnflächen aller Zwischenräume sind als Ringe ausgebildet, die sich auf Kugel- oder in Gleitlagern frei drehen können, aber durch eine einfache Rücklaufsperre zumindest mit gleicher Drehzahl wie die Wellen laufen. Diese Sperre kann aus Kugeln bestehen, die in ko­ nische Spalten eingebaut sind. Die Ringe und die Stirnflächen der Kolben sind mit einer sehr niedrigen Verzahnung versehen, die beim Abrollen der Kolben auf den Ringen eine gute Dichtung erreichen. Die größere Umfangsgeschwindigkeit der Kolben wird von den Ringen über­ nommen, die in einer entsprechenden Aussparung durch die Kolben hin - durchgeführt werden. Eine gute Dichtung kann auch durch einen elas­ tischen Belag erzielt werden der auf die Ringe aufgetragen wird.
Wirkungsweise:
Der 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor arbeitet nach dem 4-Takt-Verfahren, benötigt aber keine Ventile. Die Wellen (7+18) sind durch Zahnräder so verbunden,daß sie mit gleichen Drehzahlen laufen. Auf jeder Welle sitzt eine Kompressionsscheibe (8+19) und eine Arbeitsscheibe (12+22) zwischen denen eine Brennkammer (15+25) angeordnet ist.
Die Widerlager für den Verdichtungs- sowie den Arbeitstakt bilden die auf der andern Welle sitzenden gleichen Scheiben, deren Kolben um 180° versetzt sind und in die Zwischenräume einscheren. Nachfolgend wird die Wirkungsweise der auf der Welle 1 (7) sitzenden Scheiben beschrieben.
Der Zwischenraum (10) der Kompressionsscheibe (8) durchläuft die An­ saugöffnung (3) und füllt sich mit Frischluft. Sobald die Vorder­ kante des Kolbens (9) das Ende der Ansaugöffnung erreicht hat ist der Ansaugraum geschlossen und wenn der Kolben (20) der Kompressions­ scheibe (19) der 2. Welle (18) in den Zwischenraum einschert beginnt der Verdichtungstakt. Das an der Rückseite des Kolbens (9) ange­ brachte Ringsegment (29) verdeckt die Öffnung (16) zur Brennkammer (15). Sobald diese Öffnung freigegeben wird strömt die inzwischen vorver­ dichtete Frischluft in die Brennkammer und verdrängt das dort noch vorhandene Restgas des vorherigen Arbeitstaktes. Es wird über die Austrittsöffnung (17) in den bereits offenen Arbeitsraum (14) der Arbeitsscheibe (12) gedrückt bis die Vorderkante des Kolbens (13) diese Austrittsöffnung schließt. Danach erfolgt die Verdichtung der Frischluft in der Brennkammer bis die Vorderkante des Kolbens (9) der Kompressionsscheibe (8) die Öffnung (16) zur Brennkammer (15) geschlossen hat. Die im Ansaugraum noch verbliebene, verdichtete Frischluft wird in den geschlossenen Ansaugraum (21) der 2. Welle gedrückt.
In der Brennkammer beginnt die Kraftstoffeinspritzung, -zündung und -verbrennung.
Wenn die Rückseite des Kolbens (13) der Arbeitsscheibe (12) die Austrittsöffnung (17) freigibt beginnt der Arbeitstakt. Der Kol­ ben (23) der Arbeitsscheibe (22) der 2. Welle (18) bildet dabei das Widerlager. Der Arbeitstakt endet wenn die Rückseite des Kolbens (13) die Auslaßöffnung (5) erreicht hat.
Inzwischen beginnt der nächste Verdichtungstakt.
Der Arbeitsablauf an der 2. Welle (18) erfolgt in der gleichen Weise, jedoch um 180° versetzt. Dieser Motor führt bei einer Umdrehung zwei Arbeitstakte aus, so daß die Wellen ständig angetrieben werden.
Bei einer 2-stufigen Ausführung des Motors wird das in der 1. Stufe nur teilentspannte Arbeitsgas in einer 2. Arbeitsscheibe, die in ihrer Konstruktion der 1. Arbeitsscheibe entspricht, bis zu einem technisch notwendigen Enddruck entspannt.
Das Gehäuse der 1. Stufe ist geschlossen, die Auslaßöffnung (5) befin­ det sich am Gehäuse der 2. Stufe, das separat mit dem Grundrahmen (1) verbunden ist.
Die Öffnung (16), die vom Ansaugraum (10) der Kompressionsscheibe (8) zur Brennkammer (15) führt, wird an der gleichen Stelle im Gehäuse (4) der 1. Stufe übernommen und durch einen Kanal mit der Einlaßöffnung der 2. Stufe verbunden, die an der gleichen Stelle wie die Austrittsöffnung (17) aus der Brennkammer in den Arbeitsraum der 1. Stufe angeordnet ist. Die Kolben beider Arbeitsscheiben werden so justiert, daß ihre Rück­ seiten gleichzeitig die Einlaßöffnungen beider Scheiben freigeben und das teilentspannte Arbeitsgas in den Arbeitsraum der 2. Stufe gelangt, dort weiter entspannt und danach über die Auslaßöffnung ausgestoßen wird.
Weitere Steuerhilfen sind nicht erforderlich.
In beiliegenden Zeichnungen wird eine Konstruktionsmöglichkeit darge­ stellt.
Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch die Kompressionsscheiben (8+19) dar. Die beiden Öffnungen (16+17) befinden sich nicht in der Gehäusewand sondern im Grundrahmen und wurden nur zur besseren Übersicht hier dargestellt.
Im Grundrahmen (1) sind die Wellen 1 (7) und 2 (18) mit ihren Zahn­ rädern gelagert. Mit den Wellen fest verbunden ist die Kompressions­ scheibe 1 (8) mit dem Kolben (9) und dem Zwischenraum (10) sowie die Kompressionsscheibe 2 (19) mit dem Kolben (20) und dem Zwischenraum (21). An den Kolben sind die Ringsegmente (28) und Aussparungen (29) angebracht, in den Zwischenräumen die Dichtungsringe (11) mit Lagerung. Am Gehäuse (2) befindet sich die Ansaugöffnung (3), über die sich die Ansaugräume (10 + 21) der Kompressionsscheiben mit Frischluft füllen.
In der gezeichneten Stellung führt die Kompressionsscheibe 1 (8) den Verdichtungstakt aus. Die Vorderkante des Kolbens (9) drückt die ange­ saugte Frischluft über die Öffnung (16) in die nicht dargestellte Brennkammer 1 (15) und wenn sie diese Öffnung geschlossen hat beginnt das Einspritzen und Verbrennen des Kraftstoffes.
Der Zwischenraum (21) der Kompressionsscheibe 2 (19) durchläuft die Ansaugöffnung (3) und füllt sich mit Frischluft bis der Kolben (20) das Ende der Ansaugöffnung erreicht hat.
Fig. 2 stellt einen Längsschnitt durch die Arbeitsscheiben (12+22) dar. Die im Gehäuse (1) gelagerten Wellen (7+18) laufen in dem gemeinsamen Gehäuse (4) an dem die Auslaßöffnung (5) angebracht ist. Die Arbeits­ scheibe 1 (12) hat den Kolben (13) und den Zwischenraum (14), die Ar­ beitsscheibe 2 (22) den Kolben (23) und den Zwischenraum (24). In der Arbeitsscheibe 1 ist im Zwischenraum der Dichtungsring (11) dar­ gestellt, in der Arbeitsscheibe 2 der entsprechende Schlitz, in dem der Dichtungsring durch den Kolben geführt wird.
Die Zeichnung zeigt die Arbeitsscheibe 2 (22) beim Arbeitstakt, der dann endet, wenn die Rückseite des Kolbens (23) den Anfang der Aus­ laßöffnung (5) erreicht hat. Es erfolgt eine kurze Spülung der Brenn­ kammer 2 (nicht dargestellt) bevor die Vorderseite des Kolbens die Öffnung (27) schließt und die Verdichtung der von der Kompressions­ scheibe 2 angesaugten Frischluft in der Brennkammer 2 beginnt. Die Arbeitsscheibe 1 (12) hat die Öffnung (17) zur Brennkammer 1 geschlossen und der Auslaßtakt läuft. Der Kolben (13) dient der Arbeitsscheibe 2 (22) im Zwischenraum (24) als Widerlager und mit der Vorderseite stößt er das verbrauchte Arbeitsgas des vorherigen über die Auslaßöffnung (5) aus. Wenn die Rückseite des Kolbens (13) die Öffnung (17) wieder freigibt beginnt der nächste Arbeitstakt.
Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch den Kreiskolbenmotor in der Ebene der Welle 1 dar.
Die Welle 1 (7) ist mit ihrem Zahnrad im Grundrahmen (1) und im Ge­ häuse (6) der Zahnradabdeckung gelagert. Das Gehäuse (2) der Kom­ pressionsseite ist ebenfalls mit dem Grundrahmen verbunden und hat an seiner Oberseite die Ansaugöffnung (3) für die Frischluft.
Die geteilte Kompressionsscheibe 1(8) ist mit der Welle (7) fest ver­ bunden und hat im Zwischenraum (10) den Dichtungsring (11), der über eine entsprechende Öffnung durch den Kolben (9) hindurchgeführt wird. Auf der Arbeitsscheibenseite ist das Gehäuse (4) fest mit dem Grund­ rahmen (1) verbunden. An ihrer Unterseite ist die Auslaßöffnung (5) angeordnet. Die geteilte Arbeitsscheibe 1 (12) zeigt unten den Zwi­ schenraum (14) und oben den Kolben (13). Der Dichtungsring (11) ist an der Stirnseite des Zwischenraumes angeordnet und wird durch den Kolben hindurch geführt.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die beiden Brennkammern 1 und 2 (15+25) Die Brennkammer 1 (15) ist mit der Eintrittsöffnung (16) für die Frischluft und der Austrittsöffnung (17) für die hochverdichteten Verbrennungsgase in den Arbeitsraum (14) versehen, während die Brennkammer 2 (25) die Eintrittsöffnung (26) und Austrittsöffnung (27) zeigt.
Fig. 5 stellt einen Schnitt durch die Brennkammer 1 dar.
Die Brennkammer 1 (15) ist zwischen den Stegen des Grundrahmens (1) angeordnet. Die Frischluft wird über die Öffnung (16) in die Brenn­ kammer gedrückt und nach der Verdichtung und Verbrennung des Kraft­ stoffes die hochverdichteten Arbeitsgase über die Öffnung (17) in den Arbeitsraum geführt.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Ringsegmentes und der ent­ sprechenden Aussparung.
An der Rückseite des Kolbens (9) der Kompressionsscheibe 1 (8) ist das Ringsegment (28) angeordnet, das in die entsprechende Aus­ sparung (29) an der Vorderseite des Kolbens (20) der Kompressions­ scheibe 2 (19) einschert.
Bezugszeichenliste
1 Grundrahmen
2 Gehäuse für Kompressionsseite
3 Ansaugöffnung (für Frischluft)
4 Gehäuse für Arbeitsscheibenseite
5 Auslaßöffnung (für Abgas)
6 Gehäuse für Zahnräder
7 Welle 1 mit Zahnrad
8 Kompressionsscheibe 1 (2-tlg.)
9 Kolben der Kompressionsscheibe 1
10 Zwischenraum (Ansaugraum) der Kompressionsscheibe 1
11 Dichtungsring für Zwischenräume (mit Lagerung)
12 Arbeitsscheibe 1 (2-tgl.)
13 Kolben der Arbeitsscheibe 1
14 Zwischenraum (Arbeitsraum) der Arbeitsscheibe 1
15 Brennkammer 1
16 Öffnung vom Ansaugraum 1 zur Brennkammer 1
17 Öffnung von der Brennkammer 1 zum Arbeitsraum 1
18 Welle 2 mit Zahnrad
19 Kompressionsscheibe 2 (2-tlg.)
20 Kolben der Kompressionsscheibe 2
21 Zwischenraum (Ansaugraum) der Kompressionsscheibe 2
22 Arbeitsscheibe 2 ( 2-tgl.)
23 Kolben der Arbeitsscheibe 2
24 Zwischenraum (Arbeitsraum) der Arbeitsscheibe 2
25 Brennkammer 2
26 Öffnung vom Ansaugraum 2 zur Brennkammer 2
27 Öffnung von der Brennkammer 2 zum Arbeitsraum 2
28 Ringsegment an der Rückseite der Kolben (9) und (20)
29 Aussparung an den Vorderseiten der Kolben (9) und (20)

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine mit umlaufenden Kolben als 4-Scheiben-Kreis­ kolbenmotor, mit 4-Takt-Verfahren für innere und äußere Gemisch­ bildung, die beiden Wellen (7+18) im Grundrahmen gelagert und durch Zahnräder so verbunden, daß sie mit gleichen Drehzahlen laufen, wobei die Kolben der einen in die Zwischenräume der andern Scheiben einscheren, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Welle eine Kompressionsscheibe (8+19) und eine Arbeits­ scheibe (12+22) sitzen, die in getrennten Gehäusen (2+4) laufen zwischen denen je eine Brennkammer (15+25) angeordnet ist.
2. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne für Einspritzung, Zündung und Verbrennung des Kraftstoffes durch die Versetzung der Kompressionsscheiben (8+19) gegenüber den Arbeitsscheiben (12+22) eingestellt ist.
3. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rückseiten der Kolben (9+20) der Kompressionsscheiben Ringsegmente (28) angebracht sind und an den Vorderseiten der Kolben entsprechende Aussparungen (29).
4. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Länge der Ringsegmente auch die Dauer der Spülung der Brennkammern festgelegt ist.
5. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Arbeitsräume größer als das der Ansaugräume ausgebildet ist.
6. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenabstand der Arbeitsscheiben größer als der Wellenab­ stand der Kompressionsscheiben ist.
7. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor 2-stufig ausgebildet ist und für das in der 1. Stufe teilentspannte Arbeitsgas hinter dem Auslaß der Arbeitsscheibe der 1. Stufe eine zweite Arbeitsscheibe angeordnet ist.
8. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsringe (11) in den Zwischenräumen gelagert sind, durch die Kolben (9+13+20+23) hindurch geführt werden wie die Kolben mit einer niedrigen Verzahnung versehen sind und beim Ab­ rollen deren Umfangsgeschwindigkeit übernehmen.
9. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Dichtungsringe mit einem elastischen Material beschichtet ist, in das sich die Stirnflächen der Kolben beim Ab­ rollen eindrücken.
10. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsringe (11) mit einer Rücklaufsperre versehen sind.
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