DE19531906A1 - 4/4-Takt-Verbrennungsmotor mit Faltbrennkammer - Google Patents

Description

Die ersten Verbrennungsmotoren stammen von Diesel und Otto und sind allgemein bekannt. Sie arbeiten nach dem Prinzip der inneren explosionsartigen Verbrennung eines vorher verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei die Expansionskraft in mechanische Arbeit in Form einer Drehbewegung umgesetzt wird. Diesel- und Ottomotoren sind Kolbenmaschinen.

Ihre Basis ist ein Kolben, welcher mittels Kurbelwelle und Pleuel in einem Zylinder auf und ab bewegt wird, und dadurch die Verdichtung oder Expansion eines Brennraumvolumens bewirkt. Dabei unterscheidet man zwischen Zweitakt- und Viertaktarbeitsweise. Durch das Auf- und Abschieben des Kolbens werden die verschiedenen Arbeitstakte bestimmt.

Beim Zweitaktverfahren wird im ersten Takt nach der Zündung des bereits verdichteten Gasgemisches der Kolben durch die Explosionskraft nach unten gedrückt und dabei mechanische Arbeit an der Kurbelwelle erzeugt. Während des Übergangs vom ersten zum zweiten Takt im unteren Totpunktbereich des Kolbens erfolgt dann der Austausch des verbrannten Gases durch Frischgas über Öffnungen in der Zylinderwand. Das Frischgas wird durch einen von der Kolbenunterseite im Kurbelgehäuse erzeugten Überdruck in den Zylinderraum gespült und verdrängt dabei die verbrauchten Gase zum Auspuff was den zweiten Takt darstellt. Durch die Bewegung des Kolbens nach oben werden die Öffnungen in der Zylinderwand verschlossen und das Frischgas verdichtet. Mit der Zündung beginnt der Zyklus von neuem.

Die wichtigsten Vor- und Nachteile dieses Zweitaktverfahrens:
Die Motoren können kompakt gebaut werden, da sie bei jeder Umdrehung ein Arbeitszyklus verrichten, wodurch spezifisch zum Hubraum eine höhere Leistungs-dichte erreicht wird. Durch entsprechend niedrigere Reibung hätten diese Motoren einen hohen Wirkungsgrad, wenn dieser nicht durch den ungenauen Gasaustausch nachteilig beeinflußt würde. Da das Kurbelgehäuse in den Gasaustausch mit einbezogen ist erfolgt die Schmierung der mechanischen Komponenten durch einen Ölzusatz zum Gasgemisch der mitverbrannt wird. Dadurch entstehen sehr umweltschädliche Abgase.

Das Viertaktverfahren:
Dem durch die Zündung ausgelösten Arbeitstakt als Takt Nummer eins folgt das Auspuffen der verbrannten Gase als Takt Nummer zwei. Hierzu wird bereits eine ganze Kurbelwellenumdrehung und ein Kolbendoppelhub ausgeführt. Mit dem dritten Takt erfolgt eine erneute Bewegung des Kolbens nach unten und das Ansaugen von Frischgas. Der vierte Takt bewegt den Kolbens wieder nach oben zur Verdichtung des Frischgases. Die nächste Zündung beendet ebenfalls den Arbeitszyklus. Hierbei wird der Gaswechsel durch abhängig von der Kolbenbewegung gesteuerte Ein- und Auslaßventile im Zylinderkopf exakt vorgenommen. Die mechanischen Teile, wie der Kurbeltrieb, sind durch den Kolben von Brennraum und Brenngase getrennt und können dadurch mit einem Ölkreislauf geschmiert werden.

Vor- und Nachteile: Für die vier Arbeitstakte sind zwei Kurbelwellenumdrehungen und doppelt soviele Kolbenhübe wie beim Zweitaktverfahren nötig, was wesentlich höhere Reibungsverluste bewirkt. Positiv für den Wirkungsgrad und das Abgasverhalten ist jedoch der exakte Gaswechsel. Die Abgase sind weniger schädlich da kein Schmieröl mitverbrannt wird. Ein Nachteil ist der hohe Aufwand für Ein- und Auslaßventile und deren Steuerung. Außerdem ist eine vertretbare Laufkultur nur mit Mehrzylindermotoren erreichbar, da dadurch die großen oszillierenden Massen in mehrere kleine Einheiten geteilt werden. Diese Diesel- und Ottomotoren, sowohl im Zwei-, wie im Viertaktverfahren stellen heute die kompaktesten und ausgereiftesten Antriebsaggregate vor allem im mobilen Bereich dar. Jedoch ist bei diesen Aggregaten eine weitere Verbesserung von Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Abgasverhalten nurmehr über unvertretbar hohen technischen Aufwand möglich.

Außer diesen altbekannten Hubkolbenmaschinen soll es eine Anzahl von Versuchen geben, die man als Rotationskolbenmaschinen bezeichnet. Der bekannteste davon ist der sogenannte Wankelmotor. Er ist dem Viertaktprinzip zuzuordnen und ist bereits wieder vom Markt verschwunden, da er keine wirklichen Vorteile gegenüber den Hubkolbenmaschinen nachweisen konnte. Er ist lediglich eine andere Form von Verbrennungsmotor ohne erkennbare Vorteile bezüglich Wirkungsgrad und Herstellungsaufwand. Weitere Rotationskolbenmotoren sind nicht ausführlicher bekannt geworden.

Als weitere Varianten von Verbrennungsmotoren gibt es noch Heißgasmaschinen mit offener Verbrennung, wie z. B. Turbinen, Dampfmaschinen oder Stirlingmotor. Diese betreffen aber nicht die Neuentwicklung.

Das Ziel der Entwicklungsarbeiten ist ein Verbrennungsmotor, der wesentliche Fortschritte gegenüber dem Stand der Technik aufweist, besonders bezüglich Wirkungsgrad und Herstellungsaufwand.

Das Herz des 4/4-Taktmotors ist eine sogenannte Faltbrennkammer. Sie wird definiert durch vier Wandelemente (1), welche durch scharnierartige Gelenke (2, 3) parallelogrammartig faltbar miteinander verbunden sind. An den Stirnseiten der Faltbrennkammer sind zwei Abschlußgleitwände (4) angeordnet. Sie begrenzen die Faltbrennkammer in der Breite und bewirken in gleitender Weise ihre Abdichtung. In der Mittelstellung ist die Faltbrennkammer in etwa würfelförmig und hat dabei das größte Volumen. Die Faltbrennkammer ist so dargestellt, daß sich eine Diagonalachse in einer senkrechten (9, Fig. 7) und die andere in einer waagrechten (8, Fig. 7) Stellung befindet. Die Volumenänderung erfolgt durch abwechselndes Zusammenschieben der Faltbrennkammer entlang der beiden Diagonalachsen (8, 9) bis zu den Endstellungen, in denen jeweils das kleinste Volumen erreicht wird. Die Faltbrennkammergelenke (2, 3) sind als Doppelgelenke in einer Weise ausgeführt, daß sich die Wandelemente (1) über Radien gegeneinander abwälzend abstützen, und dabei die Gelenkbereiche Reibungsarm abdichten. Das obere und untere Gelenk sind die sogenannten Kraftgelenke (2), da über sie die Verbindung zwischen Faltbrennkammer und Kraftabtrieb hergestellt wird. In diesen Kraftgelenken (2) sind die Wandelemente (1) ineinander verzahnt (5), um eine definierte Ausrichtung zueinander sicherzustellen. Als eines der entscheidenden Konstruktionsmerkmale ist die Integration der Ein- und Auslaßöffnungen (6) in die beiden seitlichen Gelenke, nachfolgend als Gaswechselgelenke (3) bezeichnet, anzusehen. Sie öffnen und schließen sich ohne zusätzliche Elemente nur durch den Bewegungsablauf der Faltbrennkammer. Dies wird dadurch erreicht, daß jeweils beide aufeinandertreffenden Wandelemente (1) ca. ab der Winkelstellung, die dem größten Volumen der Faltbrennkammer entspricht, annähernd über ihre gesamte Breite ausgespart sind (6, Fig. 4-6). Stege (7) sichern in der Ansaug- (Fig. 9) und Auspuffphase (Fig. 8) die Abstützung der Wandelemente (1) zueinander. Da die Gelenke (2, 3) der Faltbrennkammer während des Betriebs Hubbewegungen entlang der Diagonalachsen (8, 9) ausführen, muß die Gaszu- und -abfuhr dementsprechend beweglich ausgeführt sein. Dafür sind Schwenkkanäle (10), welche mittels Hohlgelenken (11) die Verbindung zwischen Gaswechselgelenk (3) und Motorgehäuse (12) herstellen, vorgesehen. Zur Bestimmung der Gasströmungsrichtung sind einfache Klappen oder Membranventile (13, 14) nötig, die vor und nach der Faltbrennkammer außerhalb des Brennraumes in den Gaswechselgelenken (3) installiert sind, und dadurch nicht direkt der Verbrennungsbelastung ausgesetzt sind. Sie funktionieren selbsttätig ohne Antrieb sowohl durch die Gasschwingungen als auch durch ihre Beschleunigungen während des Betriebs (Fig. 7-10).

Jeder Arbeitszyklus der Faltbrennkammer ist in 4 Abschnitte unterteilt in denen jeweils ein vollständiger Takt ausgeführt wird (Fig. 7-10). Daraus resultiert die Bezeichnung 4/4-Takt- Motor.

Betrachtet man die entlang der waagrechten Diagonalachse (8) zusammengefaltete Stellung als Ausgangs- und Endstellung so folgt als erster Takt der Arbeitstakt mit der Zündung des verdichteten Gasgemisches (Fig. 7). Die Faltbrennkammer wird durch die Expansionskraft entlang der senkrechten Diagonalachse (9) bis zum Erreichen ihres größtmöglichen Volumens auseinandergedrückt.

Zum zweiten Takt wird die Faltbrennkammer entlang der senkrechten Diagonalachse (9) zusammengefaltet und verringert dabei ihr Volumen bis zur Endstellung (Fig. 8). Parallel dazu öffnen sich die Ein- und Auslaßöffnungen (6, Fig. 4-6) in den Gaswechselgelenken (3). Das verbrauchte Gas wird hierbei durch die Auslaßöffnung (6) über den Schwenkkanal (10) zum Auspuff ausgeblasen. Die Ausblasrichtung wird dabei von den Membranventilen (13, 14) bestimmt, indem nur die Auslaßmembrane (14) den Weg aus der Faltbrennkammer freigibt. Sie wird durch den Abgasdruck geöffnet.

Der dritte Takt wird durch das Zusammendrücken der Faltbrennkammer durch die Energie einer abtriebsseitigen Schwungmasse entlang der senkrechten Diagonalachse (9) eingeleitet, was einer Umkehr der bisherigen Faltbrennkammerbewegung entspricht (Fig. 9). Dadurch vergrößert sich das Volumen wieder bis zum Maximalwert. Dies bewirkt ein Ansaugen von Frischgas durch das Gaswechselgelenk (3), indem die Auslaßmembrane (14) sowohl durch die Saugwirkung der Faltbrennkammer als auch durch die Bewegungsumkehr der Gaswechselgelenke (3) geschlossen und durch dieselben Effekte die Einlaßmembrane (13) geöffnet wird.

Abschließend wird der vierte Takt durch das weitere Zusammenfalten der Faltbrennkammer bis zur Ausgangsstellung des ersten Taktes ausgeführt (Fig. 10). Während des Übergangs vom dritten zum vierten Takt schließen sich die Ansaug- und Auspufföffnungen (6) in den Gaswechselgelenken (3). Während die Faltbrennkammer ihre Endstellung erreicht, wird das im dritten Takt angesaugte Frischgas bis zu einem vorbestimmten Verhältnis verdichtet. Bei Überschreitung der Endstellung wird das Gasgemisch gezündet und somit der Ablauf wiederholt.

Zur Ausführung dieser vier Takte wird die zwischen den Abschlußgleitwänden (4) frei gleitende Faltbrennkammer von zwei diagonal versetzt im Gehäuse (12) angelenkten Gelenkhebel (16) gesteuert. Sie sind mit den Kraftgelenken (2) der Faltbrennkammer gekoppelt, und so dimensioniert, daß sie zugleich die Kraftübertragung zwischen Faltbrennkammer und Abtrieb sichern. Durch ihre Auslegung als gabelförmige Doppelgelenkhebel (16) bewirken sie auch eine Umlenkung des Kraftflusses vom Faltbrennkammergehäuse (12) in den Abtriebsbereich, und ermöglichen dadurch die Anordnung der Abtriebswelle (18) koaxial zu einer durch das Faltbrennkammerzentrum gedachten Achse. Zur Umwandlung der schwingenden Bewegung der Faltbrennkammer und der Doppelgelenkhebel (16) in eine Drehbewegung ist eine Kurbelwelle (18, Fig. 2) oder eine Kurvenscheibe (19, Fig. 3) vorgesehen. Die Kurbelwelle (18) und die beiden Doppelgelenkhebel (16) sind durch Pleuelstangen (20) gekoppelt und stellen ein bekanntes und bewährtes System dar. Hierbei ergibt ein Arbeitszyklus der Faltbrennkammer eine Kurbelwellenumdrehung. Bei Anwendung einer Kurvenscheibe (19) werden die Doppelgelenkhebel (16) mittels Führungsrollen (21) in eine dem Bewegungsablauf der Faltbrennkammer entsprechenden Steuerungskurve eingekoppelt. Diese Version vermindert nochmals die oszillierenden Massen und bietet Möglichkeiten zur Optimierung des Bewegungsablaufs der Faltbrennkammer. Pro Kurvenscheibenumdrehung finden zwei Arbeitszyklen statt. Beide Abtriebsversionen garantieren einen vollständigen Ausgleich der oszillierenden Massen und eine kompakte Bauweise des Motors.

Die Zündkerze (15) ist im Zentrum der Faltbrennkammer in der äußeren Abschlußgleitwand (4) angeordnet. Die Kühlung und Schmierung des Motors kann nach den herkömmlichen vom Diesel- und Ottomotor bekannten Methoden erfolgen.

Die wichtigsten Merkmale dieses 4/4-Taktmotors mit Faltbrennkammer bringen einen erheblichen Fortschritt gegenüber der bekannten Motorentechnologie.

Die gesamte Konstruktion arbeitet mit spezifisch sehr geringen oszillierenden Massen, welche obendrein im absolut ausbalancierten Gegenlauf bewegt werden. Dadurch ist es möglich, daß Motoren in beliebiger Hubraumgröße mit nur einer Faltbrennkammer die Laufruhe von herkömmlichen 4- oder 6-Zylindermotoren erreichen, was eine enorme Senkung des Herstellaufwandes bedeutet.

Die Gleitbereiche und -wege der Faltbrennkammer sind klein und frei von hohem Anpressdruck, woraus sehr niedrige spezifische Reibungsverluste resultieren.

Das Verhältnis von Hubraum zu Baugröße ist äußerst günstig, was eine großvolumige Auslegung der Motoren bei niedriger Drehzahl ermöglicht, und dadurch gute Abgaswerte erwarten läßt.

Pro Arbeitszyklus ist eine Kurbelwellenumdrehung oder eine halbe Kurvenscheibenumdrehung notwendig, woraus sich ein spezifisch niedriger Massenbewegungswert ergibt.

Diese Hauptmerkmale zusammen ergeben einen Verbrennungsmotor, der einen hohen Wirkungsgrad bei günstigem Abgasverhalten verspricht, der kompakt ist und einen vibrationsarmen Betrieb bei niedrigstem Herstellungsaufwand und Materialeinsatz gewährleistet.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 Motor, Gesamtansicht von vorne, Schnitt durch Gehäuse (12) und vordere Abschlußgleitwand (4),

Fig. 2 Motor, Rückansicht ohne Abtriebsgehäuse, Kurbelwellenabtrieb (18),

Fig. 3 Motor mit Kurvenscheibenabtrieb (19), Vorderansicht ohne Gehäuse, beide Abschlußgleitwände (4) ausgeschnitten,

Fig. 4-6 gesamter Bewegungsablauf der Wandelemente (1) im Gaswechselgelenk (3), Darstellung der Aussparungen (6) und Stege (7) in offener und geschlossener Stellung,

Fig. 7 Darstellung erster Takt des Arbeitszyklus (Zündung des Gasgemisches und Expansion) mit Detailnummerierung,

Fig. 8 Zweiter Takt, verbrauchtes Gas auspuffen,

Fig. 9 Dritter Takt, Frischgas ansaugen,

Fig. 10 Vierter Takt, Frischgas verdichten.

Claims (2)

1. 4/4-Takt-Motor mit Faltbrennkammer gekennzeichnet dadurch,

• - daß die Faltbrennkammer aus vier Wandelementen (1) besteht, welche durch scharnierartige Doppelgelenke (2, 3) zu einem faltbaren Rahmen verbunden sind wobei die in den Doppel­ gelenken (2, 3) jeweils aufeinandertreffenden Wandelemente (1) sich über Rundungen ge­ geneinander abwälzend abstützen und abdichten (Fig. 4, 5),
• - daß die Faltbrennkammer stirnseitig durch je eine Abschlußgleitwand (4) in der Breite be­ grenzt, geschlossen und gleitend abgedichtet wird,
• - daß die Volumenänderung der Faltbrennkammer durch abwechselndes Zusammenschieben entlang der Diagonalachsen (8, 9, Fig. 7) bis zu den Endstellungen erfolgt, wobei jeder Arbeitszyklus in vier Abschnitte entsprechend den vier Arbeitstakten Expandieren-Aus­ puffen-Ansaugen-Verdichten (Fig. 7-10), unterteilt ist,
• - daß in zwei sich diagonal gegenüberliegenden Doppelgelenken (3) die Ansaug- und Aus­ puffunktionen integriert sind, indem die Wandelemente (1) im Abwälzbereich in der Weise mit Aussparungen (6) und Stegen (7; Fig. 4-6) versehen sind, daß während der Ansaug- (Fig. 9) und Auspufftakte (Fig. 8) automatisch durch den Bewegungsablauf ein Durchlaß (6) gebildet wird, welcher in den Verdichtungs- (Fig. 10) und Expansionstakten (Fig. 7) ge­ schlossen ist,
• - daß die Gaszu- und -abfuhr der Faltbrennkammer durch Schwenkkanäle (10) erfolgt, welche, ausgestattet mit Hohlgelenken (11), bewegliche Verbindungskanäle zwischen Gaswechselgelenken (3) und Motorgehäuse (12) darstellen,
• - daß die Gasströmungsrichtung durch in den Gaswechselgelenken (3), aber außerhalb des Brennraumes angeordnete Klappen -oder Membranventile (13, 14) bestimmt wird, welche so gestaltet sind, daß sie durch die auftretenden Gasschwingungen und Beschleunigungskräfte betätigt werden,
• - daß die Aufhängung, Steuerung und Kraftübertragung der Faltbrennkammer über die Kraft­ gelenke (2) erfolgt, welche mit am Motorgehäuse (12) angelenkten Gelenkhebeln (16) ge­ koppelt sind, wobei die Kraftgelenke (2) durch eine Verzahnung (5) der Wandelemente (1) stabilisiert und definiert zueinander ausgerichtet werden.

2. 4/4-Takt-Motor mit Faltbrennkammer gekennzeichnet dadurch,

• - daß zwei diagonal versetzt im Gehäuse (12) angelenkte Doppelgelenkhebel (16) außer der Führung der Faltbrennkammer die Übertragung und Umlenkung des Kraftflusses von den Kraftgelenkten der Faltbrennkammer in den Abtriebsbereich bewirken, und dadurch eine Anordnung der Abtriebswelle (18) koaxial zu einer durch das Brennkammerzentrum ge­ dachten Achse ermöglichen,
• - daß die Umwandlung der schwingenden Bewegung der Faltbrennkammer und der daran ge­ koppelten Doppelgelenkhebel (16) in eine Drehbewegung mittels einer Kurbelwelle (18; Fig. 2) oder einer Kurvenscheibe (19; Fig. 3) erfolgen kann, wobei die Kurbelwelle (18) mittels Pleuelstangen (20), und die Kurvenscheibe (19) durch Führungsrollen (21) mit den Doppelgelenkhebeln (16) gekoppelt ist.