DE2032459C3 - Rotationskolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Hubeingriff und Schlüpfen!* griff zwischen einem mit einer Antriebswelle drehfest Verbundenen Kolben, bestehend aus einer Kolben" nabe und mindestens vier in der Kolbennabe beweglichen Kolbenschiebern, und einem Arbeitskammern umschließenden, Einlaß und Auslaß aufweisenden, stationären Gehäuse, in dessen Umfangswandung ein Brennkammersystem mit Zündeinrichtungen angeordnet ist, das über jeweils eine Öffnung mit einer Verdichtungskammer und einer Expansionskammer in Verbindung steht.

Eine Brennkraftmaschine dieser Gattung ist aus der FR-PS 769228 bekannt. Aufbau und Funktion sind so getroffen, daß zwecks Energieumsetzung der Füllung des Gesamtvolumens die Antriebswelle einschließlich des Rotors eine Umdrehung von J60" benötigt. Bei einem einzigen Arbeitszyklus kann die Füllung lediglich nur 25% des gesamten Hubvolumens betragen, da zwischen den einzelnen Kolbenschiebern radial nur ein Raum von 90° verbleibt und lediglich zwei sichelförmige Arbeitskammern bei einem Eingriff von 4 Kolbenschiebern vorgesehen sind. Das ohne Synchronlauf einseitig erzeugte Drehmoment ist vergleichsweise klein.

Aufgabe der Erfindung ist, für eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine eingangs genannter Art bei kompakter Bauweise insbesondere bei kleiner Drehzahl ein großes Drehmoment zu ermöglichen.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch folgende Merkmale:

a) eine mit der Kolbennabe drehfesl umlaufende 2Ί Steuerscheibe enthält mit den Arbeitskammern

in Verbindung stehende Steueröffnungen und steuert die i'O Gehäuseseitenteil befindlichen Einlaß- und Auslaßöffnungen auf und zu,

b) das Brennkammersystem besteht aus zwischen jo den taschenförmigen Arbeitskammern angeordneten Drehschiebern, deren Hohlräume jeweils als Brennkammer mit Zündeinrichtung ausgebildet sind und die um ihre Längsachse jeweils eine gesteuerte Schwenkbewegung ausführen,

ji derart, daß eine im Drehschieber befindliche

Durchlaßöffnung über die Durchlaßlanglöcher in derGehäuseumfangswandungmit der jeweiligen Verdichtungskammer bzw. Expansionskammer wechselweise verbindbar \v

to c) die Schwenkbewegung der Drehschieber wird durch Steuerrollen bewirkt, die bezüglich der Drehschieberachse außermittig an dem der Steuerscheibe abgewandten Ende des Drehschiebers angeordnet sind und axial in eine mit Γι der Kolbe nabe drehfest verbundene Kurvenscheibe eingreifen, und

d) die diametral gegenüberliegenden Kolbenschieber sind außermittig parallel und symmetrisch zur Abtriebswelle angeordnet und bilden somit in Kolbenschieberpaare, die jeweils nur Ansaug-

Ausstoß-Funktionen und Expansions-Verdichtungs-Funktionen erfüllen.

Ein derartiger Rotationskolbenmotor weist wenige Einzelteile auf, die mehr Aufgaben eines Arbeitsspiels Vi exakter erfüllen, als dies bei der bekannten Brennkraftmaschine während einer Kolbennaben- bzw Abtriebswellenumdrehung der FaIT ist. Die Kolbennahe und die Abtnebswelle brauchen je nach der Anzahl der Kolbenschieberpaare bzw laschen oder Arbeitshn kammern im Gehäuse nur den der Anzahl dieser KoI-benschieberpaare bzw. Arbeitskammern oder Taschen entsprechenden Brüchteil einer Umdrehung zu durchlaufen, um die gesamte Füllung des Gesamtarbeitsraums in Energie umzuwandeln. Der Gesamta^ h, beitsraum ist die Summe der Volumen sämtlicher Taschen oder Arbeitskammern im Gehäuse, d. h. der Gesamtarbeitsraum ist derjenige Raum, der bei einer Vollständigen Umdrehung der Kolbennabe von einem

in keiner Richtung geteilten Kolbenschieber in dessen Breite durchlaufen wird. Wenn vier Arbeitskammern oder Taschen und zwei Kolbenschieberpaare! vorgesehen sind, erfolgt ein vollständiger Verbrennuingszyklus des Gesamtarbeitsrauminhalts bei einer halben Umdrehung der Kolbennabe bzw. der Welle. Hierdurch wird eine wesentliche Verringerung der Drehzahl bei gleicher Leistung, größerer Laufrolle, geringerem Verschleiß erreicht. Die Rotationskolben-Brennkraftm^chine gemäß der Erfindung zeichnet sich ferner durch eine bessere Gemischaufbereitung aus, wobei die Abgase ohne Spülverluste ausgeschoben werden und der Verbrennungsablauf steuerbar Ist. Die entstehenden Abgase sind weitgehend frei, von unverbrannten Anteilen. Weitere Vorteile gemäß der Erfindung bestehen darin, daß der Komuressionsablauf steuerbar ist und der Zündzeitpunkt überaus genau eingestellt werden kann, wobei es gegebenenfalls möglich ist, die Zündung bereits einzuleiten, wenn die vom Drehschieber gebildete Zündkammer noch geschlossen ist. Die radial-parallelen Schlitze, in denen die Kolbenschieber geführt sind, können sich seitlich neben der Antriebswelle bis über die Mittuachse: der Welle hinaus in das Innere der Kolbennabe erstrekken. Hierdurch wird eine erhebliche Reduzierung des Raumbedarfs der Maschine erreicht. Die Maschine gemäß der Erfindung hat so geringen Raumbedarf, daß sie beispielsweise bei einem Automobil ohne weiteres zum Einzelradantneb verwendet werden kann. Die Taschen, Kolbenschieber und Drehschieber sind paarweise einander diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei die einander diametral gegenüberliegenden Teile beim Umlauf jeweils gleiche Funktionen, Bewegungen usw. ausführen und somit auch die Drehmomenterzeugung gleichzeitig auf einander gegenüberliegende Kolbenschieberrückseiten wirkt!, so daß eine hervorragende Laufruhe der Maschine gemäß der Erfindung erreicht wird, da alle Kräfte symmetrisch zur Abtriebsachse der Maschine auftreten. Die radial abgedichtete Steuerscheibe führt die Füllung mit t-.nem Brennstoff-Luft-Gemisch und den Ausstoß der Abgase während mehr als 80% des gesamten Arbeitszykluswegs durch.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Kurvenscheibe zugleich Zündstromverteilerkontakte trägt. Ein gesonderter Verteiler ist also bei der Rotationskolbenmaschine gemäß oer Erfindung nicht erforderlich, und dennoch wird eine überaus exakte Steuerung des Zündzeitpunkts erreicht.

Insgesamt funktioniert somit die erfindungsgemiäße Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach einem äußerst rationellen, umlaufenden Arbeitsablamfsystem.

Eine Auf- und Zusteuerung von Einlaß und Auslaßöffnungen [vgl. Eirfindungsmerkmal a) ] isl /war aus der US-PS 2 357 333 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung beschreibt einen Flüssigkeitsdruckapparat, der z. B. eine radiale sich gegenüberliegende, sehr raumaufwendige Fin- und Auslaß-Anordnung besitzt und dessen Gehäusebackenplatten stationäre Uberströmöffnungsträger sind. Beim nach einem umlaufenden Arbeitsablaufsystem arbeitenden Erllindimgsgegenstand ist jedoch die Steuerscheibe, welche Schließ- und Öffnungsaufgaben erfüllt, ein sich imitdrehendes Steuerelement, wodurch in Verbindunigmit den Ein- und Auslaßöffnungerii im Gehäuse völlig andere Aufgaben erfüllt werden.

Drehschieber, derer.. Hohlräume als Brennkammern mit Schlitzausbildungen zu den Arbeitskammern [vgl. Erfindungsmerkmal b)] hin ausgebildet sind, sind allgemein bekannt, z. B. bus der DE-PS 687573. Die bekannte Brennkraftmaschine weist jedoch nur einen einzigen Drehschieber auf und benötigt für einen Arbeitsablauf »Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen« 180° Abtriebswellenumdrehung. Demgegenüber wird der gleiche Ablauf bei der Erfindung bei einer Drehbewegung der Abtriebswelle um 90° vollzogen, wodurch sich gerade ein Umlaufen des Arbeitsablaufsystems mit einer äußerst rationellen Arbeitsweise (im Gegensatz zu der Vorrichung nach DE-PS 687573) ergibt.

Diametral gegenüberliegende Kolbenschieber [vgl.

Erfindungsmerkmal d)], die außermittig parallel und symmetrisch zur Abtriebswelle angeordnet sind, sind beispielsweise aus der FR-PS 1395435 bekannt. Bei dieser Veröffentlichung handelt es 'sich jedoch um eine Vorrichtung, dessen Rotor durch Druckenergie von einem Fremderzeuger in Rotationsbewegung gebracht wird, wobei keine Zündeinr^; htung vorgesehen ist, wie dies bei Brennkraftmaschinen der in Frage stehenden Gattung der Fall ist. Auch weist die bekannte Maschine immer drei Arbeitskammern auf, durch die

»5 entsprechende Kolbenschieberpaare zum Umiduf getrieben werden, während die Mindestzahl der Arbeitsraume des Erfindungsgegenstands vier beträgt und gerade dadurch der rationelle umlaufende Synchronbetrieb mit doppelter Drehmomenterzeugurig

jo bewirkt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 zum Teil in Ansicht und zum Teil im Axial-

D schnitt ein Ausführungsbeispiel der Rotationskolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie Y-Z in Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht des Ein- und Auslaßgehäuses von der Innenseite der Maschine aus gesehen,

-in Fig. 4 eine Draufsicht auf die dem Ein- und Auslaßgehäuse benachbarte Seite der Steuerscheibe.

^ig. 5 eine Draufsicht auf die Kurvenscheibe zur Steuerungder Drehungder Drehschieber, wobei auch die Steuerrollen der Drehschieber dargestellt sind.

4-, Innerhalb eines Gehäusemantels 1 (Fig. 2), dessen zylindrische Bohrung durch Ar'<jeitskan<mern a bildende Taschen unterbrochen ist, dreht sich eine Kolbennabe 2, über dessen Länge sich parallel zur Drehachse, jedoch zu dieser exzentrisch, d. h. radial-

-,Ii parallel versetzt, vier Schlitze erstrecken. Diese Schlitze sind, wie insbesondere aus Fig. 2 erkennbar ist, so weit seitlich zur Drehachse der Abtriebswelle versetzi, daß sich der Schlitzboden jenseits der Miticlachse der Abtriebswelle seitlich neben derselben be-

,-, lindet, so daß die beim dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehenen vier Schlitze also die Abtriebswelle von allen vier Seiten her nahezu vollständig umgreifen. Hierdurch werden der Durchmesser der Kolbennabe 2 und folglich der erforderliche Gesamt-

wi durchmesser der Maschine wesentlich kleiner als bei bekannten Rotationskolbenmaschinen, bei denen der Boden des Schlitzes an der Peripherie der Abtriebswelle liegt. Das Ergebnis ist eine wesentliche Verkleinerung des Bauvolumens der Maschine und eine ,,. Verbesserung des Leistungsgewichts.

In den Schlitze»! sind mit ihrem einen Ende Kolbenschieber 3 radial verschieblich angeordnet, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel federnd gela-

gertsind, in den Hubrichtungen auch Zwangsführun* gen besitzen und an der Innenwand des Gehäusemanteis 1 entlanggleiten. Die Anzahl der Kolbenschieber 3 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel gleich der Anzahl der Taschen öder Arbeitsteammern a. Das eine diametral gegenüberliegende Kolbenschieberpaar wirkt einerseits als Arbeitskolbenschieber 3 auf ihrer Rückseite und andererseits gleichzeitig als Verdichtungskolbenschieber 3 auf ihrer Vorderseite« Dabei strömt aus zwei von hohlzylindrischen Drehschiebern 4 gebildeten Zündkammern, die in Aufnahmebohrungen b im Gehäusemantel 1 schwenkbar gelagert sind, durch deren Durchlaßöffnung c und durch deckungsg'eiche Durchlaßlanglöcher im Gehäusemantel 1 expandierendes Gas auf zwei sich gegenüberliegende Kolbenschieberrückseiten 3. Die Vorderseiten desselben Kolbenschieberpaars drücken gleichzeitig ein Brennstoff-Luft-Gemisch in die beiden anderen Drehschieber-Brennkammern durch das Durchlaßlangloch dl, wobei der Zeitpunkt des Überströmens durch entsprechende Schwenkverzögerung der Drehschieber 4 mittels einer Kurvenscheibe 11 so verzögert werden kann, daß:

1. eine Vorverdichtung in der von den Taschen gebildeten Arbeitskammern α in dem Maße er- ■» folgt, wie es für die günstigste Verbrennungsablaufzeit in der Brennkammer im Drehschieber 4 nötig ist; erst dann wird die Durchlaßöffnung c der Brennkammer im Drehschieber 4 zum Überströmen des Gases mit dem Durchlaßlang- Jo loch dl zur Deckung gebracht; und

2. analog zum Verdichtungsvorgang die Zeit für die Druckerhöhung während des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer in den Drehschieber 4 ebenfalls durch das Zusammenwirken von Kurvenscheibe und Drehschieber-Brennkammer steuerbar ist.

Das andere Paar diametral gegenüberliegender Kolbenschieber 3 wirkt gleichzeitig als Ein- und Auslaßkolbenschieberpaar, und zwar im Zusammenwirken ausschließlich mit einer sich mit der Kolbennabe 2 und der Abtriehswelle drehenden Stpuprsrheihe S während das erstgenannte Arbeits- und Verdichtungskolbenschieberpaar ausschließlich mit den Drehschiebern 4 zusammen arbeitet. Auf der Vorderseite des Ein- und Auslaßkolbenschieberpaars 3 wird Abgas über die Steueröffnungen g durch die Auslaßöffnung e gedrückt und auf der Kolbenschieberrückseite wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch die Einlaßöffnung / und Steueröffnung h angesaugt. In einem eine S*:rnseite des Gehäuses bildenden, neben der Steuerscheibe 5 angeordneten Ein- und Auslaßgehäuse 6 (F i g. 1 und 3) befinden sich die entsprechenden Ein-und Auslaßöffnungen /und e, die radial gegeneinander gasdicht getrennt und in ihrer Schlitzlänge so dimensioniert sind, daß das Ansaugen und Ausstoßen sich jeweils nahezu über den ganzen Arbeitszyklusweg erstreckt, der hier nach der Tätigkeit beider Kolbenschieberpaare 90°, d. h. ein Viertel der Kolbennabenumdrehung beträgt. Es werden während dieses Vorgangs 50% der möglichen Arbeitskammergasfüllung in Energie umgesetzt. Beim Durchfahren der restlichen zwei Taschen in der beschriebenen Form wird also der gesamte Rauminhalt für alle Arbeitskammern α bei nur einer halben Umdrehung, *■-> d. h. 180" Abtriebswellenumdrehung durch diese Konstruktion zur Erzeugung von Energie ausgenutzt. Die Weglängen für die fünf Vorgänge, nämlich Zünden, Expandieren, Verdichten, Einlassen und Ausstoßen, im Gegensatz zu den Vorgängen beim Viertaktmotor, sind, einzeln betrachtet, auf den Gesamt-Arbeitszykluswegbezogen, um ein Vielfaches langer. Sie sind außerdem zueinander steuerbar, ähnlich wie es nachfolgend noch im Zusammenhang mit dem Zünden erläutert wird,

Zur gesteuerten Hin- und Herschwenkung der die Brenn- bzw. Zündkammern bildenden Drehschieber 4 in den Aufnahmebohrungen b sind an einem Ende der Diehschieber-Zündkammern auf einer Rollenscheibe 9 jeweils zwei Steuerrollen 10 befestigt, die in entsprechenden Kurvenbahnen der Kurvenscheibe

11 (siehe insbesondere Fig. 5) geführt sind, die sich mit der Abtriebswelle dreht. Die Kurvenbahnen sind derart ausgebildet, daß sie die Drehschieber 4 über die Steuerrollen 10 jeweils im entsprechenden Augenblick um etwa 90° hin- und herdrehen, so daß die Durchiauöffnung c im Drehschieber 4 mii den Durchlaßlanglöchern d bzw. d\ zwischen den Drehschiebern 4 und den Taschen α zur Deckung kommen.

An der Zündungsseite des Gehäuses ist eine Kappe

12 aus Isolierwerkstoff angeordnet, unter der die Unterbrecher U und weitere Teile der Zündstromversorgung angeordnet sind. Die Zündspulen sind mit Z-Sp und der Kondensator mit Ko bezeichnet. Ein gesonderter Verteiler ist nicht erforderlich, weil die Zündi- vomverteilerkontakte an der Kurvenscheibe 11 angeordnet sind. Hierdurch ist eine überaus genaue Steuerung des Zündzeitpunkts in der Drehschieber-Zündkammer in Verbindung mit der Wirkungsweise der Kurvenscheibe 11 bis zum Explosionspunkt möglich. Man erkennt, daß bei einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung sich sämtliche Teile zentrisch und synchron zur Gehäuseachse bewegen, so daß keine unwuchtigen Kräfte wirken und ein ruhiger Lauf erreicht wird. Gegenüber bekannten Maschinen sind keine Ausgleichsgewichte erforderlich und Uberströmkanäle herkömmlicher Form fallen bei der vorliegenden Konstruktion ebenfalls fort.

Die sich mit der Abtriebswelle drehende Steuerscheibe 5 (Fig. 4) bildet eine Stirnwand der von den Taschen gebildeten Arbeitskammern α und steuert mit ihren Steueröffnungen ft, g vor bzw. hinter nur einem Kolbenschieberpaar den Ein- und Auslaßvorgang des Gemisches bzw. der Abgase. Sie erfüllt außerdem die Funktion einer Schwungscheibe und hat in Verbindung mit der hohlen Abtriebswelle Funktionen im Rahmen der Zentralschmierung. Die Vorteile sind, daß keine Ventile mit Steuerelement.^! und Zahnrädern erforderlich sind, eine bessere Füll- und Auslaßmöglichkeit und eine Nachverbrennung der Abgase erfolgen kann.

Die Drehschieber-Zündkammern, von denen je Tasche eine vorgesehen ist, liegen zwischen den Taschen und erfüllen auf diametral einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäusemantels 1 jeweils gleiche Funktionen. Die Zündvorrichtungen in den Drehschieber-Zündkammern gestatten dank der Ausbildung als Drehschieber die Verbrennungseinleitung des verdichteten Gasgemisches in der räumlichen Mitte der als Hohlzylinder ausgebildeten Drehschieber-Zündkammern. Je zwei Drehschieber 4 erfüllen gleichzeitig und einander diametral gegenüberliegend folgende Aufgaben:

a) Aufnahme des verdichteten Brennstoff-Luft-Gemisches außerhalb der Arbeitskammern α im

Drehschieber 4, der die Zündkammer und die Zündkerzen enthält;

b) Einleitung der Verbrennung in der zwischen den Taschen abgeschlossen gelagerten Drehschieber^Zündkammer;

c) zeitliche Steuefuhgsmöglichkeit der größten Ex^ pansionswirkung auf die Kolbenschieber 3;

d) Umwandlung der gesamten Füllung des Gesamtarbeitsraums in Energie bei einem der Anzahl der Kolbenschieberpaare entsprechenden Bruchteil einer vollständigeil Umdrehung der Kolbcnnabc 2 in ZusammenwiVkung mit der Steuerscheibe 5, der Kurvenscheibe Ü sowie den Kolbenschiebern 3.

Die Kurvenscheibe 11 erfüllt Steuerungsaufgaben für die Drehschieberschweiikimg, ist gleichzeitig Verteilerelerrient für die Züridströrnzuteilurig und besitzt auch Schwungscheibeneigenschaften. Dank ihrer Größe und Ausbildung gestattet sie eine bessere Ein-

Il

stellung des Zündzeitpunkts. Auf diese Weise kann der Arbeitsablauf, insbesondere in Zusammenwirkung mit der Steuerscheibe 5 exakter durchgeführt werden und es entstehen weniger giftige Abgase.

In der Steuerscheibe 5 sind die Ein- und Auslaßöffnungen h und g nur jeweils hinter und vor den Kolbenschiebern des Ansaug- und Ausstoßkolbenschie^ berpaars so angeordnet, daß sie während etwa 80 bis 90% des gesamten A.rbeitszykluswegs wirksam sind. Bei der Viertakt-Hubkolbenmaschine beträgt dieser Wirksamkeitsweg nur ca. 20% des Afbeitszykluswegs.

Die Kappe 12 islt zugleich Verteilerkappe, Sie nimmt außerdem die Zündspulen und die Kondensatoren auf und trägt die Elemente zur Stromversorgung, wie Leitungen Und Unterbrecheraufnahmen; in sich. Durch ihren größen Durchmesser ist eine exaktere Zündzeitpunkt-Einstellung möglich und lose Leitungen und Kabel in herkömmlichem Sinne entfallen.

Hierzu i Blatt Zeichnuncen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Hubeingriff und Schlupfeingriff zwischen einem mit einer Abtriebswelle drehfest verbundenen Kolben, bestehend aus einer Kolbennabe und mindestens vier in der Kolbennabe beweglichen Kolbenschiebern, und einem Arbeitskammern umschließenden, Einlaß und Auslaß aufweisenden, stationären Gehäuse, in dessen Umfangswandung ein Brennkammersystem mit Zündeinrichtungen angeordnet ist, das über jeweils eine Öffnung mit einer Verdichtungskammer und einer Expansionskammer in Verbindung steht, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine mit der Kolbennabe (2) drehfest umlaufende Steuerscheibe (5) enthält mit den Arbeitskammern (a) in Verbindung stehende Stenciöffnungen (Λ bzw. g) und steuert die im Gehäuseseitentei! (6) befindlichen Einlaß- und Auslaßöffnungen (/ und e) auf und zu,

b) das Brennkammersystem besteht aus zwischen den taschenförmigen Arbeitskammern (a) angeordneten Drehschiebern (4), deren Hohlräume jeweils als Brennkammer mit Zündeinrichtung ausgebildet sind und die um ihre Längsachse jeweils eine gesteuerte Schwenkbewegung ausführen, derart, daß eine i;i Drehschieber (4) befindliche Durchlaßöffnung (c) über die Durchlaßlanglöcher (d, dl) in der Gehäuscumfangswandung mit der jeweiligen Ve/dichtungskammer bzw. Expansionskammer (a, wechselweise verbindbar ist,

c) die Schwenkbewegung der Drehschieber (4) wird durch Steuerrollen (10) bewirkt, die bezüglich der Drehschieberachse außermittig an dem der Steuerscheibe (5) abgewandten Ende des Drehschiebers (4) angeordnet sind und axial in eine mit der Kolbennabe drehfest verbundene Kurvenscheibe (11) eingreifen, und

d) die diametral gegenüberliegenden Kolbenschieber (3) sind außermittig parallel und symmetrisch zur Abtriebswelle angeordnet und bilden somit Kolbenschieberpaare, die jeweils nur Ansaug-Ausstoß-Funktionen und Expansions-Verdichtungs-Funktionen erfüllen.

2. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe (11) Zündstromverteilerkontakte trägt.