DE19624257C2 - Schwenkkolben-Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung, ist ein Verbrennungsmotor mit bogenförmigem Kolben und insbesondere ein Antriebsmotor mit bogenförmigem Kolben, dessen Abtrieb in einer weiteren Ausgestaltung durch eine Turbine verstärkt ist, die innerhalb des ringförmigen Zylinders des Motorblockgehäuses des bogenförmigen Kol­ bens angeordnet ist.

Aus der US-PS 1,809,577 ist ein Viertakt-Verbrennungsmotor mit bogenförmig gekrümmten Zylindern bekannt, deren Lauf­ fläche einem Toroid folgt. In den Zylindern sind Kolben angeordnet, die durch bogenförmige Verbindungsstangen untereinander verbunden und über einen zentralen Schwenk­ hebel auf einer Kreisbahn hin- und hergehend innerhalb der bogenförmig gekrümmten Zylinder geführt sind. Die hin- und hergehende Schwenkbewegung des Schwenkhebels wird über eine Pleuelstange und eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgesetzt. Zur Steuerung des Gaswechsels dienen Tellerventile, die über Kipphebel und Stoßstangen von dem Schwenkhebel bedient werden.

Insgesamt gehören zu diesem Schwenkkolben-Verbren­ nungsmotor zwei separate Zylinderpaare, wobei jedes Zy­ linderpaar aus zwei Teilzylindern besteht, die stirnsei­ tig mittels eines Verbindungsblocks zusammengefügt sind. Die Ein- und Auslasskanäle sowie die zugehörigen Ventile sind in dem Verbindungsblock vorgesehen.

Die Führung der Kolben durch die gekrümmte Verbin­ dungsstange und den Schwenkhebel in dem ebenfalls ge­ krümmten Zylinder stellt eine statische Überbestimmung dar, was bei Auftreten von Temperaturdehnungen oder ähn­ lichem zu erhöhtem Verschleiß führen kann.

Aus der DE 22 53 563 A1 ist ein Hubkolben-Diesel­ motor mit zwei bogenförmigen Zylindern bekannt, deren Mittelachsen einen Kreis festlegen. In den beiden Zylin­ dern sitzt ein Kolben, dessen Form ein Ausschnitt aus einem Torus ist. Die beiden Zylinder sind mit Bolzen an einem Gehäuse befestigt und von diesem gehalten. Zur Führung des Kolbens ist dieser mit einem Radialarm an einem Hohlzapfen befestigt, der über Wälzlager schwenkbar gelagert ist. Der Radialarm weist einen außermittig angeordneten Kurbelzapfen auf, der über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle arbeitet. Zur Steuerung des Gas­ wechsels sind an den beiden bogenförmigen Zylindern Einlassventile und Auslassventile angeordnet. Auslass­ kanäle gehen von einer der oberen Totpunktlage benach­ barten Stelle aus dem Zylindervolumen ab. Einlasskanäle sind in der Nähe des unteren Totpunkts an dem jeweiligen Zylinder angeordnet.

Die Lagerung des Bogenkolbens an dem Schwenkarm kann mit der Lagerung des Bogenkolbens in den bogenförmigen Zylindern konkurrieren. Dies kann zu erhöhter Reibung führen. Dieser Effekt kann noch durch Mikrodeformationen des Motors erhöht werden, die sich infolge der gesonder­ ten Ausbildung der beiden Zylinder ergeben können. Außer­ dem ist die Kraftübertragung, ausgehend von dem Schwenk­ arm, über einen Kurbelzapfen und die Pleuelstange zu der Kurbelwelle relativ schwerfällig, was bei schnell laufen­ den Motoren nicht hinnehmbar ist.

Aus der DE 34 47 004 C2 ist ein Schwenkkolbenmotor für den Zweitaktbetrieb bekannt, der einen halbzylindrischen Zylinder aufweist. Der Kolben ist ein in dem halbzylindrischen Arbeitsraum angeordneter viertelzylindrischer Körper, der in der Nähe der Längsmittel- und Schwenkachse in eine Welle übergeht. Veränderliche Arbeitsvolumina werden durch Hin- und Herschwenken des teilzylindrischen Kolbens erreicht.

Der Kolben muss sowohl an seiner Mantelfläche als auch an den Stirnseiten gegen den Zylinder abgedichtet werden. Erforderliche Dichtleisten sind gerade, wobei sich an den Ecken Probleme ergeben können.

Die Kraftübertragung von dem hin- und hergehend oszillierenden Kolben auf eine Kurbelwelle erfolgt durch eine an dem Kolben vorgesehene Kurbel, die über eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle arbeitet. Die Kurbel muss dazu eine Länge aufweisen, die mindestens so groß ist wie der Durchmesser des von dem Kurbelzapfen der Kurbelwelle beschriebenen Kreises. Dies ergibt ein rela­ tiv hohes Massenträgheitsmoment des Kolbens, das hin- und hergehend zu beschleunigen ist, was der Drehzahlfestig­ keit Grenzen setzt.

Schließlich ist aus der DE 31 38 309 C2 eine Dreh­ kolben-Brennkraftmaschine bekannt, die aus einer Kom­ bination aus einer Flügelzellenpumpe und Radialgasturbi­ nen besteht. Die Flügelzellenpumpe arbeitet auf einer gemeinsamen Welle mit der Gasturbine als Gasgenerator für diese.

Bei höheren Drücken und thermischen Belastungen kann sich die Flügelzellenpumpe als kritisch erweisen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen turboverstärkten Motor mit ringförmigem Zylinder. Bei diesem Motor wird Kraftstoff/Luft-Gemisch oder lediglich Luft in den ringförmigen Zylinder gefüllt und unter Verwendung eines bogenförmig ausgebildeten Kolbens kom­ primiert (oder es wird Kraftstoff in komprimierte Luft eingespritzt) und dann gezündet und verbrannt. Das ver­ brannte Gas, das eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweist, beaufschlagt die Stirnfläche des bogen­ förmigen Kolbens, was die hin- und hergehende Bewegung auf bogenförmigem Weg innerhalb des ringförmigen Zylin­ ders ergibt. Um diese Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln, ist ein Ende der Verbindungsstange mit dem bei der mittleren Seitenwand des bogenförmigen Zylinders angeordneten Befestigungszapfen verbunden, während das andere Ende mit einem Befestigungszapfen des Schwungrades verbunden ist. Im Ergebnis wird in dem turboverstärkten Motor mit ringförmigem Zylinder Leistung erzeugt.

Allgemein ist ein konventioneller Kolbenmotor dahin­ gehend nachteilig, daß er ein großes Volumen und Gewicht pro Pferdestärke aufweist, daß er eine große Höhe auf­ weist und daß er aufgrund der hohen Auspuffverluste eine geringe thermische Effizienz aufweist. Wenn die Motorhöhe zu niedrig bemessen wird, wird der wirksame Hub des Kolbens reduziert und es ergibt sich eine unvollständige Verbrennung, gefolgt durch unsaubere Abgase.

Eine vordringliche Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung ist es, die vorgenannten Probleme konventioneller Kolbenmotoren zu lösen. Dies wird erreicht, indem das Brennstoff/Luft-Gemisch oder lediglich Luft in den ring­ förmigen Zylinder geladen, unter Verwendung eines bogen­ förmigen Kolbens komprimiert (oder Kraftstoff in die komprimierte Luft eingespritzt) und dann gezündet und verbrannt wird. Das verbrannte Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck beaufschlagt die Stirnfläche des bogen­ förmigen Kolbens, was eine hin- und hergehende Bewegung auf bogenförmigem Weg innerhalb des ringförmigen Zylinders ergibt. Um diese Bewegung in eine Drehbewegung zu wandeln, ist ein Ende der Verbindungsstange mit einem bei der mittleren Seitenwand des bogenförmigen Zylinders angeordneten Befestigungszapfen verbunden, während das andere Ende mit dem Befestigungszapfen des Schwungrades verbunden ist. Es wird so Leistung erhalten. Die Schaf­ fung eines solchen turboverstärkten Motors mit ringförmi­ gem Zylinder ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Bei der vorliegenden Erfindung wird Luft oder ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in den ringförmigen Zylinder geladen. Nach Verdichtung durch den bogenförmigen Kolben (oder Kraftstoffeinspritzung in die komprimierte Luft) treibt das gezündete und verbrannte, und sich dann schnell expandierende Verbrennungsgas mit hoher Tempera­ tur/hohem Druck den bogenförmigen Kolben mit Kraft ent­ lang des bogenförmigen Weges des ringförmigen Zylinders, der darin hin- und hergeht. Um diese Bewegung in eine drehende Ausgangsbewegung zu wandeln, ist ein Ende der Verbindungsstange (Pleuel) durch die mittlere Seitenwand des bogenförmigen Zylinders hindurch mit dem Befesti­ gungszapfen verbunden, während das andere Ende mit dem Befestigungszapfen des Schwungrades verbunden ist. Es wird dann innerhalb des Zylinders erzeugte Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Die Ein- und Auslässe werden durch eine Ventileinheit geöffnet und geschlossen, die von der Schwungradwelle angetrieben ist, und der bogenförmige Kolben vollführt einen Zweitakt- oder einen Viertaktzyklus. In der relativ großen Öffnung in der Mitte des ringförmigen Zylinders ist eine konventionelle Radial-Gasturbine angeordnet, wodurch ein Hybridmotor geschaffen wird, indem die Bewegungsenergieumsetzung einer Gasturbine mit einer volumetrischen Druckenergie­ umsetzung eines Zweitakt- oder Viertaktmotors kombiniert wird. Deshalb ist die thermische Effizienz wesentlich verbessert und der wirksame Hub des bogenförmigen Kolbens ist infolge der Ringform des Zylinders erhöht, was das Ansaugen einer großen Luftmenge erleichtert und eine nahezu perfekte Verbrennung und ein sauberes Abgas er­ gibt. Zusätzlich reduzieren eine hohe Leistungsabgabe das Gewicht und das Volumen pro PS, die Motorhöhe ist ver­ ringert, wenn, er in ein Automobil eingebaut wird, und außerdem sind solche Eigenschaften wie Schmierung, Kraft­ stoffausnutzung, Dauerhaftigkeit, Sicherheit und ähn­ liches alle verbessert.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen kombi­ nierten ringförmigen Motor mit Kolben und Turbine. Bei dem entweder als Zweitakt- oder als Viertaktmotor ausge­ bildeten Motor wird die Bewegung eines bogenförmigen Kolbens, der entlang eines bogenförmigen Weges innerhalb des ringförmigen Zylinders oszilliert, über die Ver­ bindungsstange als eine Kurbeleinheit in die drehende Ausgangsbewegung des Schwungrandes umgewandelt. Eine Radial-Gasturbine ist in der Öffnung in der Mitte des ringförmigen Zylinders angeordnet. Je nach Sichtweise ist mit der Ausgangswelle des den Bogenkolben aufweisen­ den Motors oder mit der Gasturbinenwelle eine lei­ stungserhöhende Einheit verbunden. Im Ergebnis weist der turboverstärkte ringförmige Kolbenmotor einen wesentlich verbesserten thermischen Wirkungsgrad auf.

Im Hinblick auf die Vorzüge der vorliegenden Erfin­ dung sind vor allem das reduzierte Gewicht und Volumen des Zylinders pro Pferdestärke zu nennen. Der Hub des bogenförmigen Kolbens ist länger als der herkömmlicher Kolbenmotoren, weil der Zylinder bogenförmig ist. Dies ergibt infolge der Verbesserung der Effizienz bei der Luftfüllung eine perfekte Verbrennung. Deshalb ist der Abgasausstoß wesentlich reduziert. Die Motorhöhe ist verringert und infolge der Erhöhung der abgegebenen Energie ist die Kraftstoffausnutzung verbessert. Zusätz­ lich sind die Produktionskosten infolge des einfachen Aufbaus reduziert und Sicherheit und Dauerhaftigkeit sind ebenfalls exzellent.

Die vordringlicheren und wichtigeren Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind obenstehend erläutert worden, damit die folgende Beschreibung der Erfindung besser verständlich wird und damit der vorliegende Bei­ trag zur Technik voll gewürdigt werden kann. Zusätzliche, hiernach beschriebene Merkmale der Erfindung bilden den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung. Dem Fachmann ist ersichtlich, daß die Konzeption und die hier speziell geoffenbarte Ausführungsform auf einfache Weise als Basis zur Modifikation oder zur Gestaltung anderer Bauformen zur Ausführung desselben Zweckes der vorliegenden Erfin­ dung genutzt werden kann. Außerdem kann der Fachmann erkennen, daß solche äquivalenten Konstruktionen von dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie sie in den An­ sprüchen festgelegt ist, nicht abliegen.

Zum besseren Verständnis des Wesens und der Aufgaben der Erfindung wird auf die folgende detaillierte Be­ schreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen erfin­ dungsgemäßen Zweitaktmotor der Bauart mit ringförmigem Zylinder ist;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht gemäß Linie A-A in Fig. 1 ist;

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht ist, die den Betriebszustand von Fig. 2 veranschaulicht;

Fig. 4 eine teilweise vergrößerte Querschnittsan­ sicht gemäß der Linie B-B in Fig. 1 ist;

Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung ist, die den erfindungsgemäßen Viertaktmotor mit ringför­ migem Zylinder veranschaulicht;

Fig. 6 eine Draufsicht auf Fig. 5 ist;

Fig. 7 eine ebene Querschnittsdarstellung ist, die ein anderes Ausführungsbeispiel der hin- und rückwirken­ den Verbindungseinrichtung veranschaulicht.

Fig. 8 eine schematische Querschnittsdarstellung ist, die ein anderes Ausführungsbeispiel des Spülan­ schlusses/Ventiles des Auspuffes und des ringförmigen Zylinders veranschaulicht.

In den verschiedenen Darstellungen der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen durchgängig gleiche Teile.

In den Fig. 1 bis 4, die den erfindungsgemäßen Zweitaktmotor zeigen, ist der ringförmige Zylinder 1 von der geteilten Bauart und weist durch Schrauben befestigte Flansche auf. Mit der oberen Zylinderkammer 1 ist eine mit einem Ventil 2 in dem Spülkanal versehene Trennwand 3 verbunden (oder das Ventil 2 und der Spülkanal 2 können in der oberen Kammer Zylinders 1 ausgebildet sein, wie in Fig. 8 ver­ anschaulicht ist). Die Verbrennungskammer 4 für das Gas und eine Einlaß/Verdichtungskammer 5 für Luft sind ent­ sprechend in der linken bzw. rechten Seite der Trennwand 3 ausgebildet. An der Verbrennungskammer 4 für Gas sind die Einspritzdüse 23 für Brennstoff und eine Zündkerze 24 angeordnet, und das Lufteinlaßventil 25 ist in det Sei­ tenwand der Einlaß/Verdichtungskammer 5 für Luft angeord­ net. Der Schmierölablauf 6 und der Schmierölkanal 6' sind bei der Mittellinie des bogenförmigen Kolbens 7 einge­ richtet, der in den Ringzylinder eingesetzt ist. Um die hin- und hergehende bogenförmige Bewegung des Bogenkol­ bens 7 zu ermöglichen, erstreckt sich der Befestigungs­ zapfen 9 an der Mitte der Seitenwand des Zylinders 1 durch die bogenförmige Führungsöffnung 8, die in der Seitenwand ausgebildet ist. Der Zapfen ist mit einem Ende der äußeren Verbindungsstange 13 verbunden und das andere Ende der Verbindungsstange ist mit dem Befestigungszapfen 12 (Kurbelzapfen) des Schwungrades 11 der Ausgangswelle 10 verbunden. In der Öffnung des ringförmigen Zylinders 1 ist die konventionelle Radial-Gasturbine 15 bspw. unter Verwendung einer Anzahl von Bolzen angeordnet, um sie an dem Flansch 1' des Zylinders 1 zu sichern, wie in den Querschnittsdarstellungen in Fig. 4 und 7 veranschaulicht ist. Der Auslaßkanal 16 ist betriebsmäßig mit dem Flügel­ rad 26 der Gasturbine 15 verbunden. Der Auslaßkanal ist um den unteren Totpunkt des Bogenkolbens 7 herum inner­ halb des Ringzylinders 1 angeordnet, wie in Fig. 3 darge­ stellt ist. Das Hauptrad 14 ist mit einem Ende der Aus­ gangswelle 10 verbunden und das Schwungrad 11 ist an dem gegenüberliegenden Ende der Ausgangswelle gesichert. Eine Freilaufkupplung 22, die an der Seitenwand des angetrie­ benen Rades 21 angeordnet ist, ist um die Gasturbinen­ welle 17 drehbar und durch die gegen die Kupplung 19 gespannte Feder 20 belastet, und sie steht mit der Kupp­ lung 19 an der Seitenwand des Antriebszahnrades 18 an dem Ende der Gasturbinenwelle 17 in Eingriff, wie Fig. 1 zeigt. Die Kraftstoffeinspritzdüse 23 und die Zündkerze 25 sind wirkungsmäßig in der Verbrennungskammer für Gas angeordnet. In der inneren Wand der Lufteinlaß/Verdich­ tungskammer 5 ist an der rechten Seite ein automatisches Lufteinlaßventil 25 installiert und es kann, falls erfor­ derlich, eine konventionelle Ventilöffnungs/Schließein­ heit mit dem in Fig. 8 veranschaulichten Kipphebel 52 installiert werden.

Die Wirkungsweise des vorgenannten Zweitaktmotors kann mit Bezug auf die Fig. 1, 2 und 3 wie folgt be­ schrieben werden. Wenn die linksseitige Stirnseite des auf bogenförmigem Weg hin- und hergehenden Bogenkolbens 7 den Hub zur Luftverdichtung beginnt, führt die rechts­ seitige Stirnseite einen Lufteinlaßhub durch. Somit werden das Lufteinlaßventil 25 automatisch geöffnet und das Ventil 2' des in dem Abschnitt 3 vorgesehenen Spülka­ nales 2 automatisch geschlossen. Wenn der Bogenkolben 7 die Luft komprimiert, wird, bis er den oberen Totpunkt des Hubes in der Verbrennungskammer 4 erreicht, die Betätigung der Kraftstoffeinspritzpumpe 23 und der Zünd­ kerze 24 eingeleitet, was die Verbrennung von niedrig siedendem und/oder niederoktanigem Öl, wie Benzin, verur­ sacht, und dann erzeugt ein heißes Verbrennungsgas mit hohem Druck die auf die Stirnfläche des Bogenkolbens 7 ausgeübte Kraft, womit der Arbeitshub beginnt. Der Auslaß 16' öffnet, wenn die Stirnfläche des den Arbeitshub ausführenden Bogenkolbens 7 den unteren Totpunkt seines Hubes in der Verbrennungskammer 4 erreicht. Das in dieser befindliche Abgas wird ohne jeden Kühlvorgang, wie er in dem Auspuffkrümmer eines konventionellen Motors statt­ findet, gegen das Flügelrad 26 der Radial-Gasturbine 15 gerichtet. Somit ist die Energieausnutzung des Abgases hoch. Folglich ermöglicht die hohe Auslaßgeschwindigkeit des Abgases, daß die Gasturbinenwelle 17 mit hoher Dreh­ zahl in der durch den Pfeil (Fig. 2) bezeichneten Rich­ tung dreht. Wenn der Motor weiter in dieser Weise arbei­ tet, gelangt Abgasenergie in die Turbine 15 und treibt das Flügelrad 26, wobei es sich verlangsamt, was den konventionellen Abgasverlust vermindert. Dies verbessert die Wärmeausnutzung des erfindungsgemäßen Motors.

Weil der Druckinhalt der Verbrennungskammer 4 zu dem Zeitpunkt, wenn das Abgas durch den Auslaß 16' ausgelas­ sen wird, plötzlich abzufallen beginnt, veranlaßt die Druckdifferenz zwischen der komprimierten Luft in der Lufteinlaß/Verdichtungskammer 5 und dem Gas in der Ver­ brennungskammer 4, das Ventil 2' des Spülkanales 2 zu öffnen. Die komprimierte Luft wird zügig in die Verbren­ nungskammer abgegeben und spült durch den Auslaßkanal 16, womit nur saubere Luft innerhalb des Zylinders 1 ver­ bleibt. Der Befestigungszapfen 9, der in der Mitte der Seitenwand des Bogenkolbens 7 angeordnet ist, führt durch die Außenseite, so daß er entlang der bogenförmigen Führungsöffnung 8 gleitet, die in der Seitenwand des Zylinders 1 ausgebildet ist. Die Verbindungsstange 13 ist mit einem Ende an dem Befestigungszapfen 9 befestigt. Der Befestigungszapfen des Schwungrades 11 ist mit dem anderen Ende der Verbindungsstange 13 verbunden. Diese Anordnung wandelt die bogenförmige Oszillationsbewegung des Bogenkolbens 7 innerhalb des Ringzylinders 1, um die Abtriebswelle 10 zu drehen. Es wird somit keine Kurbel­ welle verwendet, wie sie in dem konventionellen Kolbenmo­ tor erforderlich ist. Der Kompressionshub erfolgt in der Verbrennungskammer für Gas an der linken Seite des Bogen­ kolbens 7, während das Lufteinlaßventil 25 automatisch öffnet, und zur gleichen Zeit findet ein Lufteinlaßhub an der rechten Seite in der Lufteinlaß/Verdichtungskammer 5 statt.

Andererseits ist das Hauptrad 14, um die Leistung des Motors mit Bogenkolben 7 mit der Leistung der Radial-Gasturbine 15 zu kombinieren, drehfest an der Ausgangswelle 10 gesichert, wohingegen das mit der Kupp­ lung 19 versehene treibende Zahnrad 18, wie in Fig. 1 dargestellt, an der Gasturbinenwelle 17 gesichert ist. Jedoch leitet die Freilaufkupplung 22 des getriebenen Rades 21, das frei um die Welle 17 dreht, die Leistung der Ausgangswelle 10 zusätzlich ein, wenn die Feder 20 die Kupplung 19 in Eingriffsrichtung spannt. Die Leistung der Gasturbine 15 ist dann wesentlich erhöht, weil die Leistung des Hauptrades 14 bspw. über einen Keilriemen zusätzlich zu dem treibenden Zahnrad 18 übertragen wird.

Wie oben beschrieben, hat der von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Hybridmotor mit der erhöhten gesamten Wärmeausnutzung von 50 bis 60% eine bessere Leistung im Vergleich zu einem konventionellen Kolbenmo­ tor (Wärmeausnutzung von 30 bis 40%), weil die individuellen Arbeitsspiele des Motors mit Bogenkolben 7 und des Gasturbinenmotors 15 miteinander kombiniert sind. Diese verbesserte Leistung kann dadurch verursacht sein, daß der Spülluftfluß in Richtung des Abgasauslasses erfolgt und daß die Spülwirkung verläßlich ohne Vermi­ schung von Abgas mit Frischluft stattfindet. Außerdem ist, weil der Hub des bogenförmigen Kolbens 7 in der Lufteinlaß/Verdichtungskammer 5 an der rechten Seite eher lang ist, wenn sich der bogenförmige Kolben 7 an der linken Seite von dem oberen Totpunkt der Verbrennungs­ kammer 4 innerhalb des Ringzylinders 1 nach unten bewegt, die Zeit verfügbar, die zum effektiven Abbrennen des Gases erforderlich ist.

Der lange Hub des Bogenkolbens 7 in der Luft­ einlaß/Verdichtungskammer 5 gestattet bei der vorliegen­ den Erfindung das Einlassen einer großen Luftmenge. Die von der rechten Stirnseite des Bogenkolbens 7 verdichtete Luft geht durch den Spülkanal 2 und strömt mit hohem Druck in die Verbrennungskammer 4 an der linken Seite. Dies ergibt ein weiches Auslassen von Abgas, eine hohe Luftfüllrate und eine vollständigere Verbrennung, was die Abgabe schädlicher Substanzen, wie Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, wesentlich vermindert. Darüber hinaus sichert die Verbindung eines konventionel­ len Laders mit der Gasturbinenwelle 17 die Lieferung von Luft hoher Dichte zu dem Lufteinlaßventil 25 und somit werden die Luftfüllung und die Ausgangsleistung des Motors wesentlich erhöht.

Schmieröl, dessen Mischungsverhältnis 15 : 1 oder 20 : 1 beträgt, wenn es mit dem Kraftstoff eingespritzt wird, und das von dem Ölabstreifring 27 des Bogenkolbens 7 gesammelt wird, fließt entlang des Schmierölkanales 6 an der Kolbenmittellinie, passiert den Schmierölablauf 6 und den Schmieröleinlaß 28, der in dem Ringzylinder 1 ausgebildet ist, und tropft dann in den konventionellen Öl­ sumpf 49, wie in Fig. 8 gezeigt ist.

Wie in Fig. 8 veranschaulicht ist, wird durch das Wegschneiden eines Bodenabschnittes des Ringzylinders 1 und die Ausbildung eines U-förmigen Zylinders ein Kühl­ effekt erhalten und ein Teil des Führungskanales wird überflüssig.

Fig. 7 veranschaulicht eine ebene Querschnittsdar­ stellung eines anderen Ausführungsbeispieles des kom­ binierten Motors mit Gasturbine und Bogenkolben mit erhöhter Ausgangsleistung. Um die beiden Drehabtriebe miteinander zu verbinden, die unterschiedliche Drehzahlen haben, nämlich eine an der Gasturbinenwelle 17 und die andere an der Ausgangswelle 10 des Motors mit Bogenkolben 7, ist das Hauptrad 21' an der Turbinenwelle 17 befestigt und es ist eine Differential-Kegelradeinheit 45 mit dem passiven Rad 14' verbunden, das an der Schwungradwelle 10 des Motors mit Bogenkolben 7 drehfest gesichert ist. Die seitlichen Zahnräder 47, 47' (Planeten) sind von einer an der Kegelrad-Differentialgetriebeeinheit 45 befestigten Welle 48 getragen und rotieren um diese, und sie sind von dem Ritzel 46 angetrieben, das mit der Ausgangswelle 10 verbunden ist.

Diese seitlichen Zahnräder erhöhen die gesamte, drehend abgegebene Ausgangsleistung, indem sie zusätzlich Leistung der Turbinenwelle 17 auf die Ausgangswelle 10 übertragen. Angenommen, daß die Drehzahl der Gasturbinen­ welle 17 zu der der Motorausgangswelle 10 identisch ist, arbeiten die seitlichen Zahnräder nicht und laufen wie ein einziger Körper um, der das Ritzel 46 begleitet. Ein Unterschied der Drehzahlen ergibt jedoch eine Differenz­ bewegung der seitlichen Zahnräder 47, 47'. Dies bedeutet, wenn die Kegelraddifferentialeinheit 45 schneller rotiert als die Motorausgangswelle, daß die seitlichen Zahnräder 47, 47' sich dann um das Ritzel 46 bewegen und automa­ tisch um die Achse 48 drehen. Weitere, zur Ausübung eines Drehmomentes auf die seitlichen Zahnräder 47, 47' vor­ gesehene Mittel zur Steuerung der Drehmomentübertragung zwischen der Ausgangswelle 10 und der Differentialeinheit 45 sind nicht veranschaulicht.

Oben ist ein Zweitaktmotor beschreiben, bei dem ein Arbeitszyklus mit zwei Hüben des Kolbens (einer Drehung der Schwungradwelle) durch Kombination des Einlaß- und Verdichtungshubes mit dem Arbeits- und Auspuffhub beendet ist.

Nachfolgend sind der Aufbau und der Betrieb eines erfindungsgemäßen Motors mit Viertaktzyklus (Einlaß-, Kompressions-, Arbeits- (Verbrennungs-) und Auspuffhub) beschrieben. Der Kürze wegen wird eine wiederholte Be­ schreibung der Teile vermieden, die ebenfalls in den Figur der Zweitaktmaschine dargestellt sind.

Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsdarstel­ lung, die den erfindungsgemäßen Viertaktmotor mit ring­ förmigem Zylinder veranschaulicht, und Fig. 6 ist eine Draufsicht auf Fig. 5. Zwischen der rechten und der linken Stirnfläche des Bogenkolbens 7 sind zwei Verbren­ nungskammern für Gas ausgebildet. Die Trennwand 3 teilt den oberen Teil des Ringzylinders wie dargestellt. Die Auspuffkanäle 37, 37' gehen entsprechend durch den oberen Abschnitt der Kammer, um gegen das Flügelrad 26 der Gasturbine 15 auszulassen. Die Einlässe 34, 34' für Brennstoff/Luft-Gemisch öffnen sich in zwei Verbrennungs­ kammern und sind in dem Zylinderblock untergebracht. Das Auslaßventil 35 und das Einlaßventil 31 ist jeweils in dem Eintritt zu den Auslaßkanal 37 bzw. in dem Ausgang des Einlasses 34 an der linken Seite angeordnet. Diese Ventile werden mittels des Auslaßnockens 36 und des Einlaßnockens 32 geöffnet und geschlossen, die mit der Welle 33 des Steuerkettenrades 41 (Fig. 6) verbunden sind, das über eine Kette angetrieben ist. Das Auslaßven­ til 35' und das Einlaßventil 31' ist jeweils entsprechend in dem Eingang des Auslaßkanales 37' und in dem Ausgang des Einlaßkanales 34' angeordnet, der in die Verbren­ nungskammer für Gas zur Rechten führt. Diese Ventile öffnen und schließen mittels des Auslaßnockens 36' und des Einlaßnockens 32', der mit der Welle 33' des Steuer­ kettenrades 39', 40' verbunden ist. Weil der Durchmesser des Steuerkettenrades 39 zweimal so groß ist wie der des Steuerkettenrades 38, das mit der Ausgangswelle 10 ver­ bunden ist, wird mit zwei Umdrehungen der Ausgangswelle 10 ein vollständiger Viertaktzyklus einschließlich des Einlassens, Verdichtens, Arbeitens und Ausstoßens ausge­ führt.

Das Ansaugen ist der erste Hub des Arbeitszyklus. In der rechten Zylinderkammer ist das Einlaßventil 31' offen und das Auslaßventil 35' ist geschlossen. Wenn sich die rechtsseitige Stirnfläche des Bogenkolbens 7 auf dem oberen Totpunkt nach unten zu dem unteren Totpunkt be­ wegt, strömt Kraftstoff/Luft-Gemisch durch den Einlaßka­ nal 34' und dann in die Zylinderkammer in dem Zylinder 1. Das Einlaßventil 31' schließt sich, kurz nachdem die rechte Stirnfläche des Bogenkolbens 7 begonnen hat, sich nach oben zu bewegen.

In dem folgenden Hub wird das Kraftstoff/Luft-Ge­ misch verdichtet. Gleichzeitig ist der Zylinder 1 ganz nach außen abgedichtet, weil das Auslaßventil 35 bereits geschlossen ist. Wenn das Gemisch, wenn sich die Stirn­ seite des Bogenkolbens 7 nach oben bewegt, verdichtet wird, erhöhen sich sowohl die Temperatur als auch der Druck. Kurz bevor der Bogenkolben 7 den oberen Totpunkt erreicht, wird das Gemisch durch die Zündkerze 24' gezün­ det. Damit ist eine Umdrehung (360 Grad) der Ausgangswelle 10 mit zwei Hüben oder einem Hin- und Hergehen des Bogenkolbens 7 durchgeführt.

Beide Ventile 31', 35' bleiben während des Arbeits­ hubes geschlossen. Kurz vor dem Beginn des Arbeitshubes ist das Gemisch durch die Zündkerze 24' gezündet worden. Es explodiert und erhöht den Druck in dem Zylinder 1. Diese Druckerhöhung ergibt eine Kraft, die gegen die Stirnfläche des Bogenkolbens 7 ausgeübt wird. Die Kraft wird über die Verbindungsstange 13 auf das Schwungrad 11 übertragen, was einen umlaufenden Abtrieb ergibt.

Das Auslaßventil 35' öffnet sich (das Einlaßventil bleibt geschlossen) gerade bevor die Stirnseite des Bogenkolbens 7 den unteren Totpunkt des Arbeitshubes erreicht. Wenn der Bogenkolben 7 beginnt, sich nach oben zu bewegen, wird das Verbrennungsgas durch den Auslaßka­ nal 37' und gegen das Flügelrad 26 der Radial-Gasturbine 15 gedrückt, wobei es die Gasturbinenwelle 17 veranlaßt, mit hoher Drehzahl zu rotieren. Wenn die Stirnseite des Bogenkolbens 7 den oberen Totpunkt erreicht hat, schließt das Auslaßventil 35, das Einlaßventil 31 öffnet und der vorgenannte Einlaßhub beginnt wieder. Damit sind die vier Takte: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Auslassen des Bogenkolbens 7 beendet und die Ausgangswelle 10 des Schwungrades 11 vollführt zwei Umdrehungen (720 Grad).

Deshalb führt ein erfindungsgemäßer Viertaktmotor in beiden Verbrennungskammern des Ringzylinders 1 an beiden durch die Trennwand 3 getrennten Seiten unabhängig vier Takte des Bogenkolbens 7 aus. Dies entspricht in der Funktion einem Zweizylindermotor des herkömmlichen Vier­ taktkolbenmotors. Daraus wird ersichtlich, daß viele Zylinder miteinander kombiniert und zusätzlich instal­ liert werden können, falls es erforderlich ist, wenn die Seitenwand des Ringzylinders des erfindungsgemäßen Motors eben ausgebildet ist.

Bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung kann ein Generator mit der Gasturbinenwelle 17 oder mit der Abtriebswelle 10 verbunden werden. Elektroenergie des Generators wird verwendet, um Wasser mittels Elektrolyse zu zersetzen, um Wasserstoff (H₂) zu erzeugen, der zu einem Sammeltank geleitet wird. Wenn eine kleine Menge dieses Wasserstoffkraftstoffes eingespritzt und mit dem flüssigen Brennstoff zur Zündung des Kraftstoffes oder des verdichteten Gemisches in der Stufe gezündet wird, wenn der Bogenkolben 7 in dem Ringzylinder 1 den oberen Tot­ punkt erreicht, wird die Zündung erleichtert, es erhöht sich die Ausgangsleistung und die Verbrennung schädlicher Substanzen wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe ist verbessert. Dies ergibt einen kraftstoffsparenden und schadstofffreien Motor.

Ein anderes Beispiel der Verwendung des erfindungs­ gemäßen Motors ist das folgende: In dem in Fig. 8 ver­ anschaulichten Auslaßkanal 16 wird eine Venturi-Einheit 50 ausgebildet und ein zweiter Lufteinlaß 51, der mit einer Luftquelle verbunden ist, ist in dem zentralen Ab­ schnitt der Venturi-Einheit (Strahlpumpe) angeordnet. Dann verursacht die Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit bei dem zweiten Lufteinlaß 51 einen sekundären Druck, wobei entsprechend der Abgasmenge eine große Menge dieser Sekundärluft erzeugt wird, und somit ergibt sich eine Wiederverbrennung schädlicher Substanzen, wie bspw. Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, in den Abgasen hoher Temperatur.

Das Sammeln auf diese Weise erzeugter elektrischer Energie in einer Batterie und anschließendes Führen des Automobiles mit dem Motor macht übliche Verlangsamungs­ mittel und die Kupplung überflüssig und außerdem ist die Energieausnutzung des gesamten Fahrzeuges erhöht. Wenn das Schwungrad mit einem daran befestigten Zahnkranz mittels eines konventionellen Anlassers gedreht wird, wenn der erfindungsgemäße Motor gestartet wird, gleitet der mit der Befestigungsstange 13 und dem Bogenkolben 7 verbundene Befestigungszapfen 9 entlang der an der Sei­ tenwand des Zylinders 1 ausgebildeten Führungsöffnung 8 und es wiederholt sich die hin- und hergehende Bewegung auf bogenförmigem Weg, was das Anlassen erleichtert.

Der oben beschriebene, mit einer Turbine kombinierte Motor mit Ringzylinder weist ein geringes Volumen und Gewicht pro Pferdestärke auf, hat eine exzellente Lei­ stung, eine geringe Motorhöhe und geringe Abgasenergie­ verluste und reduziert die Abgase schädlicher Substanzen durch perfekte Verbrennung wesentlich.

Der Motor weist einen ringförmigen Zylinder auf, der um eine Öffnung herum ausgebildet ist und einen hin- und hergehend in dem ringförmigen Zylinder angeordneten Bogenkolben aufweist, wobei in dem Ringzylinder eine Trennwand angeordnet ist, die den Ringzylinder in eine Lufteinlaß- und Kompressionskammer und in eine Verbren­ nungskammer teilt, so daß beim Hin- und Hergehen des Bogenkolbens eine der Kammern expandiert, während die andere Kammer ihr Volumen vermindert. In der Öffnung kann eine konventionelle Gasturbine angeordnet sein, wobei die drehend abgegebene Leistung des Bogenkolbenmotors zu der drehend abgegebenen Leistung der Gasturbine addiert wird.

Claims (4)

1. Schwenkkolben-Verbrennungsmotor für den Zweitakt­ betrieb mit
einem Motorblock mit einem ringförmigen Zylinder (1), der um eine zentrale Öffnung herum ausgebildet ist,
einem in dem Ringzylinder (1) hin- und hergehend angeordneten Bogenkolben (7),
einer in dem Ringzylinder (1) ausgebildeten Luft­ verdichtungskammer (5), in die ein Lufteinlasskanal zum Zuführen von Luft mündet, der ein Lufteinlassventil (25) enthält,
einer in dem Ringzylinder (1) ausgebildeten Gasver­ brennungskammer (4), in der ein Auslasskanal (16) zum betriebsmäßigen Auslassen des Abgases ausgebildet ist,
einem Spülkanal (2) zum Befördern komprimierter Luft aus der Luftverdichtungskammer (5) in die Gasver­ brennungskammer (4),
einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (23), die in der Gasverbrennungskammer (4) angeordnet ist,
einer Zündkerze (24), die in der Gasverbrennungs­ kammer (4) angeordnet ist, und mit
einem Schwungrad (11), das drehfest an einer Aus­ gangswelle (10) befestigt ist und das durch einen Kurbel­ zapfen (12) mit einem Ende einer Verbindungsstange (13) verbunden ist, deren anderes Ende drehbar an einem Be­ festigungszapfen (9) gesichert ist, der mit dem Bogenkol­ ben (7) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb des Ringzylinders (1) eine Trennwand (3) angeordnet ist, die den Ringzylinder (1) in die Luft­ verdichtungskammer (5) und die Gasverbrennungskammer (4) teilt, so dass im Betrieb beim Hin- und Hergehen des Bo­ genkolbens (7) eine der Kammern (4, 5) ihr Volumen ver­ größert, während die jeweils andere Kammer (4, 5) ihr Volumen vermindert,
dass an dem in der Trennwand (3) angeordneten Spül­ kanal (2) ein Ventil (2') zur betriebsmäßigen Steuerung der Strömung komprimierter Luft in die Gasverbrennungs­ kammer (4) aus der Luftverdichtungskammer (5) ausgebildet ist und
dass der Befestigungszapfen (9) sich durch eine in dem Ringzylinder (1) ausgebildete bogenförmige Führungs­ öffnung erstreckt.

2. Schwenkkolben-Verbrennungsmotor für den Viertakt­ betrieb, mit
einem Motorblock mit einem um eine zentrale Öffnung ausgebildeten Ringzylinder (1),
einem in dem Ringzylinder (1) hin- und hergehend angeordneten Bogenkolben (7),
einer innerhalb des Ringzylinders (1) angeordneten Trennwand (3), die den Ringzylinder (1) in eine erste Kammer mit variablem Volumen und eine zweite Kammer mit einem variablen Volumen derart trennt, dass beim Hin- und Hergehen des Bogenkolbens (7) abwechselnd das Volumen einer der Kammern betriebsmäßig vergrößert wird, während sich das Volumen der anderen Kammer vermindert;
einem ersten (37) und einem zweiten (37') Auslass­ kanal, der der Trennwand (3) benachbart angeordnet ist, um im Betrieb Abgase zu entlassen, wobei jeder Kanal (37, 37') durch ein Ventil (35, 35') gesteuert ist;
einem ersten (34) und einem zweiten (34') Einlass­ kanal zum Liefern von Kraftstoff/Luft-Gemisch in jede Verbrennungskammer, wobei jeder Einlasskanal (34, 34') durch jeweils ein Ventil (31, 31') gesteuert ist;
je einer in der ersten und der zweiten Kammer an­ geordneten Zündkerze (24);
einem Befestigungszapfen (9), der an dem Bogenkolben (7) gesichert ist und sich durch eine bogenförmige Öff­ nung (8) erstreckt, die in dem Ringzylinder (1) ausge­ bildet ist;
euer Verbindungsstange (13), die mit einem ersten Ende drehbar an dem Befestigungszapfen (9) gesichert ist, und
einem Schwungrad (11), das an einer Ausgangswelle (10) drehfest gesichert ist, wobei ein zweites Ende der Verbindungsstange (13) durch einen Kurbelzapfen (12) mit dem Schwungrad (11) verbunden ist.

3. Schwenkkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zentrale Öffnung eine Radial-Gastur­ bine (15) enthält, die darin gesichert ist, und ein dreh­ fest an einer Gasturbinenwelle (17) gesichertes Turbinen­ rad (26) aufweist, wobei die Gasturbinenwelle (17) recht­ winklig zu der Ebene des Ringzylinders (1) gerichtet ist, und wobei der Auslasskanal (16; 37, 37') so angeordnet ist, dass die Abgase aus dem Auslasskanal (16; 37, 37') das Turbinenrad (26) der Gasturbine (15) veranlassen, sich zu drehen,
wobei die Ausgangswelle (10) und die Gasturbinenwel­ le (17) jeweils eine drehfest gehaltene Riemenscheibe (14 bzw. 21) aufweisen, die durch einen Riementrieb mitein­ ander verbunden sind, und mit
einer Kupplung (19), die an der Gasturbinenwelle (17) angeordnet ist, um die Drehung der Gasturbinenwelle (17) mit einem Kraftübertragungsmittel zu kuppeln.

4. Schwenkkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Venturidüse (50) mit einem zweiten Lufteinlass (51) in den Auslasskanälen (16; 37, 37') an­ geordnet ist.