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Mit
einer Taumelscheiben-Brennkraftmaschine entsprechend dieser Erfindung
ist es möglich,
die im Abgas des Arbeitszylinders enthaltene Restenergie in Arbeit
umzusetzen und damit den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu
verbessern.
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Dazu
wird ein zusätzlicher
Niederdruckarbeitszylinder in die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine integriert. Die noch
unter hohem Druck stehenden heißen
Abgase des Arbeitzylinders, der in folge Hochdruckarbeitszylinder
genannt wird, werden den Niederdruckarbeitszylinder zugeleitet,
um sich dort unter Abgabe von Arbeit weiter zu entspannen und abzukühlen.
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In
den bekannten Brennkraftmaschinen werden die Abgase gar nicht oder
nur teilweise für
den Antrieb eines Turboladers, zu Heizzwecken oder zur Erzeugung
von Hochdruckdampf genutzt.
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Die
Taumelscheiben-Brennkraftmaschine gemäß dieser Erfindung basiert
auf einer Zweitakt-Taumelscheiben-Brennkraftmaschine
nach Patentschrift
DE
197 27 987 C2 .
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Sie
hat einen Verdichterzylinder, einen Hochdruckarbeitszylinder und
einen Niederdruckarbeitszylinder. Der Hubraum des Verdichterzylinders
ist vorzugsweise größer als
der Hubraum des Hochdruckarbeitszylinders. Der Niederdruckarbeitszylinder
hat einen Hubraum der gleich groß oder größer ist, als der Hubraum des
Hochdruckarbeitszylinders.
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Die
Verbrennungsluft oder das Brenngasgemisch wird vom Kolben des Verdichterzylinders
bei dessen Aufwärtshub über ein
Membranventil angesaugt, beim Abwärshub verdichtet und im Bereich des
unteren Todpunktes über Überstromkanäle in den
Hochdruckarbeitszylinder geleitet. Der beim Abwärshub des Verdichterzylinders
aufgebaute Gaswechseldruck ist etwa gleich groß wie der Restdruck im Hochdruckarbeitszylinder
am unteren Todpunkt des Hochdruckkolbens vom vorherigen Arbeitstakt. Damit
wird ein sicherer Gaswechsel erreicht.
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Der
Hochdruckkolben und der Verdichterkolben sind miteinander fest verbunden,
also einteilig, und gemeinsam über
eine Pleuelstange mit dem Taumelscheibentriebwerk verbunden. Im
Bereich des oberen Todpunktes des Kolbens im Hochdruckarbeitszylinder
erfolgt die Verbrennung des nun hoch verdichteten Gas-Luftgemisches.
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Wenn
im Verdichterzylinder nur Luft verdichtet wurde, muss Treibstoff
im Bereich des oberen Todpunktes des Kolbens in den Brennraum des Hochdruckarbeitszylinders
eingespritzt werden. Der Hochdruckteil der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine
arbeitet im Zweitaktverfahren.
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Der
Auslasskanal des Hochdruckarbeitszylinders ist über eine Druckleitung mit dem
Niederdruckarbeitszylinder verbunden. Der Niederdruckkolben bewegt
sich gegenläufig
synchron zum Hochdruck- und Verdichterkolben. Das beim Gaswechsel aus
dem Hochdruckarbeitszylinder ausgestoßene heiße Abgas gelangt so mit seinem
Restdruck in den Niederdruckarbeitzylinder dessen Niederdruckkolben
in diesem Moment auf dem oberen Todpunkt ist. Beim Abwärtshub des
Niederdruckkolbens entspannt sich das Abgas weiter, kühlt ab und
gibt damit Arbeit ab, die über
die Pleuelstange des Niederdruckkolbens auf die Taumelscheibe und
damit an die Hauptwelle abgegeben wird.
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Beim
anschließenden
Aufwärtshub
des Niederdruckkolbens wird dessen Abgas dann durch ein nockenwellengesteuertes
Auslassventil in die Auslassleitung ausgestoßen.
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Das
Volumen der Druckleitung zwischen dem Auslasskanal des Hochdruckarbeitszylinders und
des Niederdruckarbeitszylinders und der Todraum des Niederdruckarbeitszylinders
sind etwa so groß wie
der Hubraum und der Brennraum des Hochdruckarbeitszylinders.
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Die
Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder
hat einen eigenen Schmierkreislauf und verbrennt nicht wie bei bekannten
Zweittaktbrennkraftmaschinen das dem Treibstoff zugesetzte Schmieröl. In den
Schmierkreislauf ist eine Kolbenbodenkühlung des Hochdruck- und Niederdruckkolbens
integriert.
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Zur
Schadstoffminderung im Abgas können in
die Druckleitung zwischen dem Auslasskanal des Hochdruckarbeitszylinders
und dem Niederdruckarbeitszylinder Katalysatoren eingebaut werden und/oder
noch eine geringe Menge Treibstoff zur Restumwandlung von eventuell
noch vorhandenem CO Gas eingespritzt werden.
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Die
Reibungsverluste der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine
sind erheblich geringer als bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen,
weil insgesamt nur vier Lagerstellen am Treibwerk vorhanden sind,
die als Wälzlager
ausgeführt
werden können
und auf die Arbeitskolben (Verdichter-Hochdruckkolben und Niederdruckkolben) keine
oder sehr geringe Querkräfte
einwirken. Bei der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine
ist die maximale Pleuelstangenauslenkung des Hochdruckkolbens etwa
nur ein Grad. Bei herkömmlichen
Brennkraftmaschinen mit Kurbelwellentriebwerk ist die Pleuelstangenauslenkung
sehr groß und
damit die Querkraft auf den Arbeitskolben erheblich.
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Ein
weiterer Vorteil des Taumelscheibentriebwerkes ist das ab einer
Dreizylinderausführung keine
Unwuchten erster und zweiter Ordnung auftreten.
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Die
Beschreibung der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine
mit Niederdruckarbeitszylinder erfolgt anhand eines Konstruktionsbeispieles
mit drei Verdichter-Hochdruckarbeitszylindern
und drei Niederdruckarbeitszylindern. Die Verdichtungszylinder haben
ein Hubvolumen von zusammen 750 cm3, die
Hochdruckarbeitszylinder von zusammen 500 cm3 und
die Niederdruckarbeitszylinder von zusammen 500 cm3.
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Es
zeigen:
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1:
Einen Längsschnitt
durch die erfindungsgemäße Taumelscheiben-Brennkraftmaschine
mit Niederdruckarbeitszylinder.
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2:
Eine Draufsicht auf die Zylinderseite mit Schnitt durch einen Hochdruckarbeitszylinder ohne
Hochdruckkolben.
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3:
Einen Längsschnitt
durch den Verdichterzylinder und den Hochdruckarbeitszylinder mit einteiligem
Hochdruck- und Verdichterkolben.
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4:
Ein Steuerungsdiagramm des Gaswechsels mit Kolbenhub der Hochdruck-
und Niederdruckkolben über
dem Drehwinkel der Hauptwelle.
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Die
Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder 1 bis 4 besteht
aus einem Triebwerksgehäuse 1 in
dem die Hauptwelle 2 in zwei Kegelrollenlagern 3 und 4 gelagert
ist. Auf der Hauptwelle 2 ist die Taumelscheibe 5 auf
dem winkelig abgekröpften
Teil der Hauptwelle 2 in zwei Kegelrollenlagern 6 und 7 gelagert.
Die Taumelscheibe 5 ist über die Kegelzahnräder 8 und 9 gegenüber dem
Triebwerksgehäuse 1 drehfest
verbunden, wobei das Kegelzahnrad 9 mit der Taumelscheibe 5 einteilig
ausgeführt
ist und das Kegelzahnrad 8 drehfest über Schrauben 10 mit
dem Treibwerksgehäuse 1 fest
verbunden ist. Die einteilig ausgeführten Hochdruck- und Verdichterkolben 11 sind über die Pleuelstangen 12 und
die Pleuelstangenlager 13 gelenkig mit der Taumelscheibe 5 verbunden.
Die Hochdruck- und Verdichterkolben 11 sind in flüssigkeitsgekühlten Hochdruckarbeitszylindern 14 und
Verdichterzylindern 15 verschiebbar gelagert und mit Kolbenringen 16 in
den Hochdruckarbeitszylindern 14 und Dichtringen 17 in
den Verdichterzylindern 15 abgedichtet.
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Der
Gaswechsel zwischen den Verdichterzylindern 15 und den
Hochdruckarbeitszylindern 14 erfolgt über Überströmkanäle 18 nahe dem unteren Todpunkt
des Hochdruck- und Verdichterkolbens 11. Der Auslass des
verbrannten Gases aus den Hochdruckarbeitszylindern 14 erfolgt
während
des Gaswechsels durch den Auslasskanal 19 (siehe auch Steuerungsdiagramm 4).
Der Hubraum des Verdichterzylinders 15 ist im Beispiel
50% größer als
der Hubraum des Hochdruckarbeitszylinders 14. Durch Minimierung
des Todraumes im Verdichterzylinder 15 im unteren Todpunkt
des Hochdruck- und Verdichterkolbens 11 wird ein Gaswechseldruck
erzeugt, der etwa gleich groß ist
wie der Restdruck im Hochdruckarbeitszylinder 14. Der hohe
Gaswechseldruck in Verbindung mit dem größeren Hubraum des Verdichterzylinders 15 führt zu einer
gesteuerten hohen Aufladung des Hochdruckarbeitszylinders 14 und
hebt schon dadurch die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine in den Hochleistungsbereich.
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Die
Pleuelstangen 12 sind an ihrem runden Schaft zwischen Verdichterzylindern 15 und
Innenraum des Triebwerksgehäuses 1 durch
scheibenartig seitlich verschiebbare Dichtelemente 20 abgedichtet. Die
Minimierung des Todraumes in den Verdichterzylindern 15 wird
durch Angleichung der Außenform des
die Dichtelemente 20 tragenden Dichtelementeträgers 21 an
die Innenform des Hochdruck- und Verdichterkolbens 11 erreicht.
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Das
Frischgas oder die Ladeluft werden durch die Lufteinlässe 22 mit
den Membranventilen 23 in die Verdichterzylinder 15 während des
Aufwärtshubes
der Hochdruck- und Verdichterkolben 11 eingesaugt (siehe
auch Steuerungsdiagramm 4).
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Ebenfalls
an der Taumelscheibe 5 sind die für den Antrieb der Niederdruckkolben 24 Pleuelstangen 25 in
Pleuelstangenlagern 26 gelenkig gelagert. Jedem Hochdruck-
und Verdichterkolben 11 ist auf dem 180 Grad gegenüberliegendem
Abschnitt der Taumelscheibe 5 ein Niederdruckkolben 24 mit
Niederdruckarbeitszylinder 27 zugeordnet. Dadurch bewegen
sich die Niederdruckkolben 24 gegenläufig synchron zu den Hochdruck-
und Verdichterkolben 11. Die Ventilköpfe 28 mit ihrem Todraum über dem Niederdruckkolben 24 sind über eine
Druckleitung 29 mit dem Auslasskanal 19 der Hochdruckarbeitszylinder 14 fest
verbunden. Das Volumen des Todraumes im Ventilkopf 28 addiert
mit dem Volumen der Druckleitung 29 soll etwa so groß sein wie
der Hubraum des Hochdruckarbeitszylinders 14 addiert mit
dem Brennraum 30 des Hochdruckarbeitszylinders 14.
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Das
noch unter hohem Restdruck und hoher Temperatur stehende Abgas aus
den Hochdruckarbeitszylindern 14 kann sich so beim Abwärtshub der Niederdruckkolben 24 unter
Abgabe von Arbeit and die Hauptwelle 2 weiter entspannen
und abkühlen.
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Beim
folgenden Aufwärtshub
der Niederdruckkolben 24 werden die Auslassventile 31 von
der mit der Hauptwelle 2 drehfest verbundenen Nockenwelle 32 geöffnet und
das Abgas in die Auslassleitung 33 entlassen. Die Nockenwelle 32 ist
mit der Hauptwelle 2 über
die Kupplungshülse 34 drehfest verbunden.
Die Nockenwelle 32 ist in den Nadellagern 35 und 36 gelagert
und steuert die Hubbewegung der Auslassventile 31 über die
Nocke 37 und die federbelasteten Tassenstössel 38 entsprechend dem
Steuerungsdiagramm 4.
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Die
Schmierung und Innenkühlung
der Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder
erfolgt durch Schmieröl,
das eine nicht dargestellte Ölpumpe
aus einem ebenfalls nicht dargestellten Ölvorratsbehälter durch den Öleinlass 39 in
die Hauptwelle 2 und von dort über die Ölbohrungen 40 der
Taumelscheibe 5 und von dort in die Pleuelstangenlager 13 und 26 fördert. Durch
die hohl gebohrten Pleuelstangen 12 und 25 gelangt
das Schmieröl
dann in den oberen Teil der Hochdruck- und Verdichterkolben 11 und
der Niederdruckkolben 24 und kühlt diesen oberen Bereich.
Das Schmieröl des
Hochdruck- und Verdichterkolbens 11 fließt dann durch
die Ölrückflussbohrungen 41 in
den Ölsammelraum 42.
Von dort über
die Ölrückflussbohrungen 43 direkt
ins Triebwerksgehäuse 1.
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Die
Kühlung
des Niederdruckarbeitszylinder 27 und der Ventilköpfen 28 ist über eine
nicht dargestellte Zuleitung an den Schmierkreislauf angeschlossen.
Der Gesamtrückfluss
des Schmieröls
aus dem Triebwerksgehäuse 1 in
den nicht dargestellten Ölvorratsbehälter erfolgt
durch den Ölauslass 44.
Die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder
gibt ihre Antriebsleistung über den
Mitnahmeflansch 45 ab.
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Der
Hochdruck- und Verdichterkolben 11 und der Niederdruckkolben 24 sind
zweiteilig ausgeführt. Jeweils
die Kolbenböden 46 und 47 sind
verschraubt, so dass ungeteilte Kolbenringe 16 und Dichtringe 17 verwendet
werden können.
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- 1
- Triebwerksgehäuse
- 2
- Hauptwelle
- 3
- Kegelrollenlager
- 4
- Kegelrollenlager
- 5
- Taumelscheibe
- 6
- Kegelrollenlager
- 7
- Kegelrollenlager
- 8
- Kegelzahnrad
- 9
- Kegelzahnrad
- 10
- Schraube
- 11
- Hochdruck-
und Verdichterkolben
- 12
- Pleuelstange
- 13
- Pleuelstangenlager
- 14
- Hochdruckarbeitszylinder
- 15
- Verdichterzylinder
- 16
- Kolbenringe
- 17
- Dichtringe
- 18
- Überströmkanal
- 19
- Auslasskanal
- 20
- Dichtelement
- 21
- Dichtelementeträger
- 22
- Lufteinlass
- 23
- Membranventil
- 24
- Niederdruckkolben
- 25
- Pleuelstange
- 26
- Pleuelstangenlager
- 27
- Niederdruckarbeitszylinder
- 28
- Ventilkopf
- 29
- Druckleitung
- 30
- Brennraum
- 31
- Auslassventil
- 32
- Nockenwelle
- 33
- Auslassleitung
- 34
- Kupplungshülse
- 35
- Nadellager
- 36
- Nadellager
- 37
- Nocke
- 38
- Tassenstössel
- 39
- Öleinlass
- 40
- Ölbohrung
- 41
- Ölrückflussbohrung
- 42
- Ölsammelraum
- 43
- Ölrückflussbohrung
- 44
- Ölauslass
- 45
- Mitnahmeflansch
- 46
- Kolbenboden
- 47
- Kolbenboden
- 1
- Auslaßventil öffnet 31
- 2
- Auslaßventil
schließt 31
- 3
- Auslaßkanal öffnet 19
- 4
- Auslaßkanal schließt 19
- 5
- Überströmkanäle öffnen 18
- 6
- Überströmkanäle schließen 18