DE2255030A1

DE2255030A1 - Drehkolben-verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2255030A1
Application number: DE2255030A
Authority: DE
Inventors: Ernest G Thomas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-17
Filing date: 1972-11-10
Publication date: 1973-05-24
Also published as: IT975721B; FR2161730A5; US3712273A; JPS4858209A; NL7215438A

Description

Patentanwälte - ' *
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lirnest G» Tlvoraas

Magnolia,, Arkansas (USA)

Ürehko Lben-Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Drehkolben-ferfatennungskraf tinaschine, die für eine direkte Umwandlung exp.Iosiver Wärmeenergie, welche insbesondere aus der Zündung
von Kohlenwasserstoffgasen resultiert, in eine drehende, .,mechanische Bewegung eingerichtet ist*

Seit der Erfindung des Rades ist unsere technisierte Gesellschaft auf der Suche nach einer geeigneten Nutzbarmachung der drehenden, mechanischen Bewegung. Es wurden zu diesem Zweck die verschiedenartigsten Energienwandler entwickelt, unter welchen bei einer chronologischen Aufzählung die Wa.sser-mühle am Anfang stehen würde, Weitere ünergienwandler wären die Sandmühle, die mit
Tieren angetriebene Mühle, die mit Dampf angetriebene
Mühle, die Dampfmaschine und schließlich die .Kohlenwassers toffgas- oder Verbrennungskrartmaschine. Die vorlie-

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gende Erfindung befaßt sich mit dieser letzten Airt von ι Maschinen. Die Rohlenwasserstoffgas^Maschinie hat sich ; in ihrem heutigen Entwicklungsstand in der Praxis als einer der besten Energienwandler aller Zeit erwiesen.* </-. Trotz dieser Eigenschaft als einer der besten Energienwandler läßt diese Maschine jedoch noch zahlreiche Wünsche übrig, und zwar insbesondere hinsichtlich ihres Wirkungsgrades. Die modernen Maschinen mit hift^a"ttnd herge·¹-henden Kolben verlieren eine beträchtliche Energiemenge beim Umwandeln der potentiellen Energie, welche in dem Kohlenwasserstoff vorliegt, in nutzbare, drehende, mechanische Bewegung. Der größte Anteil dieses ßnergieverlustes ist dabei zurückzuführen auf die nicht vollständig ausschließbare Reibung der sich bewegenden Teile. '

Es ist jedoch feststellbar, daß einige Maschinen infolge einer geringeren Zahl beweglicher Teile einen besseren Wirkungsgrad besitzen als andere Maschinen. Unter diesen Maschinen ist auch die Drehkolbenmaschine aufzuzählen, weil sie im Vergleich zu den Verbrennungskraftmaschinen mit hin- Und hergehenden Kolben wesentlich weniger bewegliche Teile besitzt. Allgemein kann festgestellt werden, daß eine direkte Beziehung besteht zwischen der Anzahl beweglicher Teile einer solchen Verbrennungskraftmaschine und dem Wirkungsgrad, der von ihr erwartet wird.

Die vorliegende Erfindung kombiniert das einfachere Konstruktionsprinzip von Drehkolben-Ver.brennungökräftmaschinen mit dem Verbrennungssystem von Verbrennungskraftmaschinen mit hin- und hergehenden Kolben, um eine

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Maschine zu erhalten, die in wirtschaftlicher Hinsicht den bekannten Maschinen weit überlegen ist.. Erfindungsgemäß werden bereitgestellt ein drehender Kolben, der innerhalb eines mit einem langgestreckten Verbrennungszylinder oder -kammer versehenen Gehäuses angeordnet ist. Die innere Kolbenkammer ist gewöhnlich durch eine vorgespannte Platte geschlossen, welche sich jedoch auf eine Explosion des in dieser Kammer eirigefangenen Kraftstoffes öffnet.

Das Einspritzsystem für den Kraftstoff besteht aus geeigneten Einlaß- und Auslaßventilen, die am Kopf des Kolbens angeordnet sind und beispielsweise mittels einer auf der Welle angeordneten Steuerkurve betätigt werden. Innerhalb des drehenden Kolbens ist auch ein Zündungsmechanismus angeordnet, der in Abhängigkeit von der "Arbeitsweise oder den Erfo.dernissen der Maschine entweder für eine kontinuierliche oder intermittierende Zündung eingerichtet sein kann.

Eine unter Druckbeaufschlagung stehende Sauerstoffförderung ist solcher Art, daß ein von der Maschine angetriebener Kompressor Luft verdichtet, die dann üijer die hohle Hauptwelle dem drehenden Kolbenkopf zugeleitet wird und die in die Kammer durch die Betätigung des vorerwähnten Ventil-Steuerkurve-Mechanismus eingelassen wird. Der Kohlenwasserstoff-Kraftstoff wird in diese unter Druck zugeführte Sauerstoffmenge entweder mittels einer herkömmlichen Einspritzungsverfahren oder mittels eines herkömmlichen Vergasersystems eingespritzt,, was wiederum abhängig ist von der jeweiligen Arbeitsweise bzw. der jeweiligen Anwendung der Maschine.

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In der Gehäusekammer ist ein durch ein Getriebe betätigbares Druckwiderlager senkrecht zu dem drehenden Kolben an einer Stelle angeordnet, welche unmittelbar hinter der Stelle in der Bewegungsbahn des Kolbens liegt, an welcher das Kraftstoffgemisch gezündet wird, so daß die explosiven Kräfte des gezündeten Gemisches gegen dieses Druckwiderlager gerichtet werden und dadurch der Kolben in seine Kreisbahn gezwungen wird. Geeignete Verdichtungs-Dichtungsmittel, wie Dichtungsringe u.dgl. sind natürlich ebenfalls an den erforderlichen Stellen vorgesehen. Die Bewegung des Kolbens bewirkt eine Drehung der angekuppelten Welle, wodurch die drehende, mechanische Bewegung erzeugt wird, die als eine Antriebskraft benutzt wird.

Im Vergleich zu den Maschinen mit hin- und hergehenden Kolben oder im Vergleich mit anderen Drehkolben-Verbrennungskraftmaschinen, die ohne Ventile ausgerüstet sind, ergibt die vorliegende Erfindung eine wirtschaftliche Lösung, die wesentlich billiger zu bauen und wesentlich billiger zu betreiben und zu unterhalten ist. Weiterhin besitzt die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine im Vergleich mit den bestehenden Kohlenwasserstoff-Maschinen mit hin- und hergehenden Kolben eine kleinere Baugröße bei gleicher Leistung.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindungsgemäßen Maschine gehen aus der folgenden Beschreibungeines bevorzugten Ausführungsbeispieles hervor, das in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 und 2 eine Vorder- und eine Spitonansicht dor erfiiulunftspreinfißen Ma-

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Fig. 3ι ^!ί und 5 Querschnitte nach den Linien

III-III der Fig. 1 bzw. IF-IV der »Fig. 2 bzw. V-V der Fig. k,

, : Die in der Zeichnung gezeigte Drehkolbenmaschine besitzt ein äußeres Gehäuse 7, welches einen gekrümmten Maschinenzylinder III bildet. In diesem Zylinder dreht ein mit einer Kammer 1 versehener Kolben. Dieser Kolben ist zusammen mit den übrigen, im Zylinder mittig angeordneten Drehteilen 3' aus einem ausreichend schweren Material gefertigt, so daß seine drehende Wirkung als eine ein Drehmoment konzertierende Vorrichtung ähnlich einem Schwungrad wirken wird. Durch diese Schwungradwirkung erhält die Antriebswelle 8 eine.gleichförmigere Bewegung die im Gegensatz steht zu der mehr ruckweisen Bewegung, welche 'an sich durch die periodischen .Zündungen hervorgerufen wird. .--.."■"

Die Kolbenkammer 1 ist ausgerüstet mit einem Zündungsmechanismus 2, einer Kraftstoff-Einlaßöffnung 13 und einer durch eine Verschlußplatte 25 verschließbaren'Auslaßöffnung. Die Verschlußplatte 25 ist durch eine Feder 27 vorgespannt. Geeignete Verdichtungs-Dichtungsmittel., wie Dichtungsringe u.dgl. sind an den Stellen angeordnet, die eine Dichtung erfordern. Der Zündmechanismus 2 ist am vorlaufenden Ende der Kolbenkammer 1 angeordnet. Er besteht aus einer Zündkerze 29, die über einen Zünddraht an eine Stromquelle oder Batterie 20 angeschlossen ist.

In der Kraftstoff-Einlaßöffnung 13 ist ein Ventil 31 angeordnet, welches durch eine Feder 10 normalerweise in seine Schließstellung vorgespannt ist. Die Kraftstoff-

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Einlaßöffnung 13 wird geöffnet und geschlossen durch eine Steuerkurve 20, an welcher das Ende des Ventils Jl mittels einer Rolle 32 geführt wird. Die Steuerkurve 12 steht fest, während die Kolbenkammer 1 dreht.

Die Verschlußplatte 25 der Auslaßöffnung ist als ein Platterventil ausgebildet, das durch die Feder 27 bis zur Zündung der Kraftstoffdämpfe in seiner Schließlage gehalten wird. Sobald die Gase gezündet sind, wird dieses Flatterventil 25 gegen die Wirkung der Feder 27 um 90 gedreht, so daß die sich rasch ausdehnenden Gase aus der Kolbenkammer 1 entweichen können. Diese ausdehnenden Gase rufen infolge ihrer üüsenwirkung eine entgegengesetzt gerichtete, gleiche Kraft auf die Kolbenkammer 1 hervor, so daß der Kolben in Fig. ^i im Uhrzeigergegensinn bewegt wird.

Diese Düsenwirkung wird dadurch verstärkt, daß am oberen Ände des gekrümmten Maschirienzylinders 3 ein Druckwiderlager 4 angeordnet ist, gegen welches die aus der Kolbenkammer 1 ausgestoßenen Gase auftreffen. Weil folglich in dem Bereich 33 längs von diesem Druckwiderlager h ein gegenüber dem A'tino sphär endruck in dem Bereich Jh rechts von dem Druckwiderlager k größerer Druck vorherrscht, wird der Kolben aus dem Bereich 33 in den Bereich Jk bewegt.

Der Bereich Jh rechts von dem Druckwiderlager k und vor der vorlaufenden Stirnseite der Kolbenkammer 1 ist ausgefüllt von den Auspuffgasen des vorhergehenden Kreislaufes. Diese Auspuffgase vorlassen den Zylinder 3 übor

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ein Auspuffrohr 5, welches zu der Atmosphäre führt und gegebenenfalls mit einem Auspufftopf 24 (Fig. l) •zur Geräuschdämpfung versehen ist.

Das Druckwiderlager 4 ist im oberen Totpunkt des Kreislaufes der Kolbenkammer 1 angeordnet. Es wird ähnlich dem Einlaßventil 31 in der Kraftstoff-Einlaßöff-. nung 13 durch eine Steuerkurve betätigt. Die Steuearkurven l4, 14.' werden hier jedoch mit der Kolbenkammer gedreht, während die an diesen Steuerkurven abrollenden Rollen 35, 35' ι die an dem Druckwiderlager 4 angeordnet sind, feststehen. Das Druckwiderlager 4 wird durch Federn 9) 9¹ gegen die Steuerkurven l4, l4· vorgespannt. Führungsstäbe 23, 23' dienen der Führung dieser Federn. In der in Fig. 4 dargestellten, untersten Lage dichtet das Druckwiderlager 4 den Bereich 33 gegen den Bereich ab, um nach erfolgter Explosion den vorerwähnten Druckunterschied zwischen den Kammern 33 und 34 aufrechtzuerhalt en.

Befindet sich die Kolbenkammer 1 in ihrem oberen Totpunkt, dann wird das Druckwiderlager 4 in das Gehäuse 6 ausgeschoben, weil dann die Hollen 35» 35' über eine Erhebung 42 der Steuerkurven l4, 1,4' rollen. Zur sicheren Führung.dieses Auswärtsschubes des Druckwiderlagers 4. sind Führungen 15, 15' vorgesehen.

Der innere Drehteil. 3^f> an welchem die Kolbenkammer 1 befestigt ist, ist auf der Welle 8 montiert. Die Welle 8 ist über Lager 36, 36' in dem Gehäuse 7 drehbar gelagert, Es ist weiterhin ein Lager 37 vorgesehen, über welches

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der Drehteil 3¹ auf einer mit dem Gehäuse 7 verbundenen Hohlwelle gelagert ist, an deren innerem Ende die Steuerkurve 12 ausgebildet ist. Deckel 38, 38' halten die Lager 36, 36' in Aussparungen des Gehäuses 7.

Der zu der Zündkerze 29 führende Zünddraht 28 ist zusammen mit dor Kraftstoff-Zuleitung 39 in dem Hohlraum der Welle 8 angeordnet, wie dies in Fig. 3 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die gesamte Maschine ist mit einem Kühlwassermantel 26 umgeben, wie dies in Fig. 4 gestrichelt dargestellt ist.

Gemäß Fig. 2 mündet eine Zufuhrleitung l6 für ein Flüssiggas im Bereich eines Eduktors l8 in die Druckleitung 30 ein, über welche die von dem Kompressor 17 verdichtete Luft diesem Eduktor zugeführt wird. Der Eduktor l8 sorgt für die Bereitstellung des richtigen Flüssiggas-Luft-Gemisches, welches dann über die Leitung 39 der Kolbenkammer 1 zugeführt wird. Der Kompressor 17 wird über Zahnräder 21, 21' direkt von der Welle 8 angetrieben. Mit I9 ist eine Umlauf-Verbindungs-Einrichtung bezeichnet, über welche die Zufuhr des Gas-Luft-Gemisches und auch die Zufuhr der von einer Einheit gelieferten elektrischen Energie erfolgt. Ein Lager dient der Abstützung der Welle 8 im Bereich zwischen der Verbindungseinrichtung 19 und dem Getriebe 21, 21'.

Für die Betriebsweise der vorbeschriebenen Maschine ist von folgenden Gegebenheiton auszugehen. Wird davon ausgegangen, daß sich die Kolbenkammer 1 in der in Fijr.'i gezeigten unteren Totpunktlage befindet, dann ist i'iir di ο

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weitere Drehung dieser Kolbenkammer im Uhrzeigergegensinn davon auszugehen, daß dabei die Auspuffgase des vorausgegangenen Kreislaufes durch das Auspuffrohr 5.ausgestoßen werden. Während sich die Kolbenkammer 1 im Uhrzeigergegensinn bewegt, rollt *die Betätigungsrolle 32 des Einlaßventils 31 auf der Steuerkurve 12 ab. Sobald die Rolle 32 den Bereich 4O der Steuerkurve erreicht, wird sie radial nach außen verschoben, so daß es unter gleichzeitiger Zusammendrückung der Feder 10 zu einer Öffnung der Kraftstoff-Einlaßleitung 13 kommt. Hat die Rolle 32 die Stelle 4l der Steuerksurve 12 erreicht, dann ist das Ventil 3I voll geöffnet, so daß der Kraftstoff in die Kolbenkammer. 1 einströmen kann.

Etwa in dieser Stellung klettern auch die Rollen 35» 35' an Erhebungen der Steuerkurven l4, l4' hoch, so daß das Druckwiderlager 4 nach außen verschoben und dadurch der Zylinder 3 geöffnet wird. Bei der weiteren Drehung im Uhrzeigergegensinn rollen die Rollen 35* 35' schließlich auf den Erhebungen 42 der beiden Steuerkurven l4, l4· ab, so daß dann das Druckwiderlager 4 gegen die Kraft der Federn 9j 9¹ vollständig nach außen verschoben ist, wobei für diese Verschiebung die Führungen 23, 23? und 151 15' wirksam werden. Sobald die KoIbenkammer 1 das Druckwiderlager 4 passiert hat, wird dieses durch seine Federn 9 rasch in seine Schließstellung überführt, weil dann die Rollen 35» 35' sehr rasch! auf einer Schräge der Steuerkurven l4, l4· abrollen. Sobald die Rollen 35, die Stelle 43 erreicht haben, ist das Druckwiderlager 4 vollständig geschlossen«, Sobald das Druckwiderlager 4 geschlossen ist, wird die Zündung des in der KOlbenkammer 1 eingefangenen Kraftstoffes vorgenommene

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Die Zündung wird vorgenommen durch die Zündkerze 29, die zu diesem Zweck über die Ziindleitung 28 einen Stromstoß erhält. Durch die Zündung des Kohlenwasserstoff-Kraftstoffes werden die in der Kolbenkammer 1 enthaltenen Gase zur Explosion gebracht, so daß sie sich rasch ausdehnen. Bei dieser raschen Ausdehung spielen sich feigende Vorgänge ab. Durch den zunächst gegen das Klappen·*· ventil 25 gerichteten hohen Druck wird das Klappenventil gegen die Kraft seiner Feder 27 um 90 gedreht, so daß die expandierenden Gase aus der Kolbenkammer 1 ausströmen können. Sie erzeugen dabei eine gleiche und entgegengesetzt gerichtete Reaktionskraft auf den Kolben. Der Kolben erhält einen weiteren Antriebsimpuls dadurch, daß die ausgestoßenen Gase auf das wieder in seine Schließstellung überführte Druckwiderlager k auftreffen, so daß in dem Bereich 33 links von dem Druckwiderlager 4 eine Zone sehr hohen Drucks geschaffen wird.

Nachdem der in der Kolbenkammer 1 eingefangene Kraftstoff gezündet worden ist, bewegt sich der Zylinder im Uhrzeigergegensinn, wobei er die Auspuffgase des vorausgegangenen Kreislaufes vor sich herschiebt. Diese Auspuffgase werden, wie vorerwähnt, durch das Auspuffrohr 5 ausgestoßen. Das Druckwiderlager 4 verhindert dabei, daß die Auspuffgase in den Bereich 33 einströmen können.

Die Steuerkurven lk, lk^f sind an dem für die Maschine erreichbaren Wirkungsgrad maßgeblich beteiligt. Ist die Kolbenkammer 1 kürzer ausgeführt und kann folglich die Of fnungsdauer des ü*~uckwi der lagers ^!l kürzer gehalten werden, dann kann für die Maschine ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden. Allerdings wird dann eine geringere Leistung erzielt, weil dann für jeden Kreislauf in der KoL-

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benkammer 1 eine geringere Kraftstoffmenge eingefangen wird und folglich geringere Gasmengen zur Explosion kommen.

Für die Steuerksurven l4, l4' wurde.deshalb ein gegenüber dem raschen Abfall allmählicher Anstieg zum Steuern der Verschiebung des Druckwiderlagers 4 nach auswärts gewählt, um dadurch die Reibungskräfte' und die mechanische Energie zu reduzieren, die beim Öffnen des Druckwxderlagers 4 eine Rolle spielen. Andererseits wir-, de der Steigeabfall der Steuerkurven l4, l4' gewählt, um ein rasches Schließen des Druckwxderlagers zu erreichen. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß der in der Kolbenkammer 1 eingefangene Kraftstoff rascher gezündet werden kann und deshalb auch eine längere Brennzeit erreicht wird.

Es sollte noch besonders darauf hingewiesen werden, daß die Konstruktion des Druckwxderlagers 4 und diejenige des Kolbens nur exemplarischer Natur ist und daß. die tatsächliche Konstruktion dieser Teile ohne Schwierigkeiten so aufeinander abgestimmt werden kann, daß sich enge Paßsitze ergeben und keine Druckverluste auftreten bzw. evtl. Druckverluste auf ein Minimum eingeschränkt werden können. Um die Drehung der Welle 8 zu vergleichmäßigen, dürfte es sich im übrigen empfehlen, anstelle nur eines Zylinders mit Kolben der in den Fig..l bis 5 gezeigten Ausbildung mehrere solcher Einheiten der Welle zuzuordnen. So kann beispielsweise vorgesehen werden, der Welle 8 insgesamt zwei Einheiten zuzuordnen, die mit einem Winkelversatz von 90 gezündet werden, um so eben eine vergleichmäßigte Drehung der Wolle 8 zu ergeben und gleichzeitig eine größere Leistung zn liefern. Natürlich

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kann auch die Zylinderkammer, die in der beschriebenen Ausführungsform 36O mißt, in mehrere Abschnitte unterteilt werden, von welcher jeder seine eigene Auspuffleitung 5 und sein eigenes Druckwiderlager k besitzt. Bei einer solchen Ausbildung würde dann in jedem Abschnitt der jeweils in der Kolbenkammer 1 eingefangene Kraftstoff gezündet werden, so daß es zu mehreren Zündungen kommt, während der Kolben ein Volldrehung ausführt. Natürlich kann auch für die Verschlußplatte 25 eine andere Konstruktion gewählt werden, um beispielsweise zu erreichen, daß die Offnungs- und Schließzeiten dieses Verschlußorgans länger oder kürzer sind.

Es ist folglich erkennbar, daß innerhalb des vorbeschriebenen Ausführungsbeispieles zahlreiche Änderungen möglich sind, ohne daß dabei von dem offenbarten Erfindungsgedanken abgewichen wird. Die für das Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelheiten sollten deshalb nur exemplarischer Natur sein, ohne daß darauf eine Einschränkung ausgesprochen wird.

- 1.3 Ansprüche

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Claims

ANSPRÜCHE

( I iJ Drehkolben-Verbrennungskraftmaschine, dädurelj ^*** gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen Kolben und einen im weis entliehen senen Maschinenzylindel* aufweist, in ^eXehejii dgqp Kolben bezuglich einer zentralen Aghse um 360° in eine kontinuierliche Drehbewegung versetzt wirdf wobei der Kolben eine innere Brennkammer aufweist, in welche über Kraftstöff-Einlaßmittel ein brennbarer Iiraftstoff zjugeführt wird, der ffiit'-tels zugeordneter Zündungsmittel gezündet wird, Und wobei diese Kammer weiterhin versehen ist mit bezüglich des Zylinders zu öffnenden und ZU senden Versqhlußglied, welches die Kammer weise gegen den Zylinder verschließt, so daß durch sie eine relativ itleine Brennkammer bereitgestellt wird, aus welcher die Explosionsgase nach Zündung deg brennbaren Kraftstoffes infolge einer dabei genden Öffnung des Verschiußgliedea rasch sen werden in den Zylinder, wodurch der Iiglben ent" lang des Zylinders bewegt wird^ während die Sage in einem zunächst relativ kleinen Raum eingefgytigert wer den_f der sich dann zu einem relativ großen Raum grBßert,

2_t ßrehkolben-Verbrennung skr aftmasehine nach Ans^prtieh dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t/ daß das sehlußglied ein duren eine Feder in seine ge vorgespanntes Klappenventil ist.

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3» Drehkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß de** Zylinder weiterhin ein normalerweise geschlossenes Druckwiderlager aufweist, welches den Zylinder unterteilt und welches bei der Annäherung des Kolbens während jedes Kreislaufes kurz geöffnet wird, um den Kolben passieren zu lassen.