DE2400052A1

DE2400052A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2400052A1
Application number: DE2400052A
Authority: DE
Inventors: Timo Airas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1974-01-02
Publication date: 1974-07-11
Also published as: SE366092B; GB1452221A; JPS506907A; US3893295A

Description

Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem umlaufenden Zylinderblock, mit einer Kurbelwelle_f die schneller umläuft als der Zylinderblock, und mit einem Verteilerschieber/ der in einer gemeinsamen Gleitfläche von dem Motorgehäuse und dem Zylinderblock gebildet ist, wobei sowohl im Motorgehäuse an dieser Gleitfläche als auch im umlaufenden Zylinderblock für jeden Zylinder öffnungen für die Gasverteilung vorhanden sind.

Die Erfindung hat eine ununterbrochene innere (oder äußere) Verbrennung zum Gegenstand.

Bei den herkömmlichen, auf dem Otto- oder Dieselprinzip beruhenden Kolbenmaschinen mit innerer Verbrennung wird diese intermittierend und innerhalb der Zylinder herbeigeführt. Diese Prinzipien haben jedoch verschiedene Nachteile, beispielsweise die, daß ein Auspuff schädlicher oder giftiger Abgase erfolgt sowie Schwingungen und ein hoher Geräuschpegel vorhanden sind. Im Hinblick auf den Umweltschutz wird mit dem sogenannten Sterling-Prinzip und der sogenannten Rankine-Maschine eine bessere Funktionsweise erreicht. Die Rankine-Maschine arbeitet mit einem Dampfzyklus. Diese zuletzt genannten Maschinen arbeiten mit einer ununterbrochenen äußeren Verbrennung. Sie pflegen jedoch sehr teuer zu sein, insbesondere im Falle der Kategorie von Maschinen mit geringer Leistung. _

es Verbrennungsmaschinen, die nach dem Gasturbinenprinzip arbeiten, bei dem die Verbrennung ununterbrochen entweder äußerlich oder innerlich in einer Verbrennungskammer stattfindet, die zwischen einem Kompressor und einer Energie erzeugenden Turbine angeordnet ist. Gemäß diesem Prinzip wurde eine Reihe von sogenannten Frei-Kolben-Kompressoren benutzt.

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Diese bringen aber zu große Komplikationen mit sich, als daß sie'bei kleinen Einheiten konkurrenzfähig v/ären. Die Turbine selbst unterliegt einigen rein physikalischen Beschränkungen. So wachsen beispielsweise die Spaltverluste ebenso relativ mit verkleinerten Abmessungen an wie die relative Rauhigkeit der Oberfläche der Turbinenschaufel, wobei alle die Wirtschaftlichkeit rasch verschlechtern, wenn die- Abmessungen so vermindert werden, daß sie für Einheiten mit kleiner Leistung geeignet sind.

Es gibt auch Vorschläge für Kolben- und auf andere Weise eine Verlagerung herbeiführende rotierende Maschinen, die einen getrennten Kompressor benutzen. Bis jetzt ist es aber noch nicht möglich gewesen, einen zuverlässigen Motorteil in solch einer Kombination herzustellen, und zwar wegen der hohen Temperatur des benutzten Arbeitsmediums und der daraus folgenden Schwierigkeiten bei der Schmierung.

In einem großen Ausmaß beseitigt die Erfindung die Hauptnachteile der bisher bekannten Maschinentypen, insbesondere im Bereich der Einheiten mit geringer Leistung (unter ungefähr 100 kW). Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor zeichnet sich dadurch aus, daß für ununterbrochene Verbrennung eine äußere Verbrennungsvorrichtung vorhanden ist, die durch Kanäle mit den Öffnungen des Motorgehäuses am Verteilerschieber derart verbunden ist, daß jeder Zylinder im Zylinderblock durch die in jedem Zylinder vorhandenen Öffnungen alternativ als Kompressor Luft in die Verbrenmmgsvorrichtung durch Kanäle pumpt und als Antrieb Arbeitsgas aus der Verbrennungsvorrichtung durch andere Kanäle expandiert und daß ringförmige Dichtungsvorrichtungen vorhanden sind, die ein Austreten der Arbeitsgase am Verteilerschieber verhindern. Die sich in den Zylindern verschiebenden Elemente können beispielsweise Kolben sein. Der umlaufende Zylinderblock ist natürlich mittels

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Lagern am feststehenden Motorgehäuse gelagert. Die Kurbelwelle/der Zylinderblock und eine Abtriebswelle . können durch · ein Getriebe gekoppelt sein.

Der Verbrennungsmotor nach der Erfindung offenbart demnach eine völlig neue Art der ununterbrochenen Verbrennung in einer äußeren Verbrennungskammer und basiert auf dem sogenannten Doppelrotiationsprinzip. Der umlaufende Zylinderblock ist mit Kolben oder anderen sich verlagernden Elementen versehen, die auf die Kurbelwelle einwirken, welche konzentrisch zum Zylinderblock angeordnet ist und eine höhere Drehzahl hat als der Zylinderblock. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors hat dieser eine Vielzahl von axialen Zylindern, die um die Kurbelwelle herum und im wesentlichen parallel zu dieser angeordnet sind. Die Kurbelwelle wird von den Kolbenstangen über eine Taumelscheibe oder irgendein anderes entsprechendes Teil in bekannter Weise angetrieben.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist gekennzeichnet durch eine außerhalb liegende Verbrennungskammer mit kontinuierlicher, entweder direkter oder indirekter Verbrennung, vereinigt mit einem doppelt .rotierende Kolben aufweisenden Kompressormotor und zusätzlich siner oben schon näher beschriebenen Anordnung von Kanälen, welche den Verteilerschieber mit der Verbrennungsvorrichtung verbinden. Es sind auch Maßnahmen getroffen, einen Verlust des Arbeitsmediums, nämlich eines Arbeitsgases^ im Bereich des Verteilerschiebers zu verhindern. Ein bevorzugtes Mittel hierzu sind die erwähnten ringförmigen Dichtungsvorrichtungen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand einer durch die Zeichnung beispielhaft dargestellten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors im einzelnen erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise schematisch dargestellten
Längsschnitt durch die Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch die Ausführungsform an der Stelle
des Verteilerschiebers und

Fig. 3 eine rein schematische Darstellung der
Funktionsweise der Ausführungsform.

Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors weist sieben Zylinder 6 auf, die zu einem umlaufenden Zylinderblock 1 zusammengebaut sind, v/elcher koaxial und konzentrisch zu einer Kurbelwelle 5 angeordnet ist. Diese wiederum ist über ein aus zwei Paaren von Zahnrädern 8,9 bzw. 10, 11 bestehendes Getriebe mit dem Zylinderblock 1 gekoppelt, an
dem das letzte Zahnrad 11 konzentrisch befestigt ist. Die
Kolbenstangen 6¹ aller von den Zylindern 6 aufgenommenen
Kolben sind mit einer Taumelscheibe 7 verbunden, welche an
die Kurbelwelle 5 derart angepaßt ist, daß die hin- und hergehende Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Mit Hilfe des aus den Zahnrädern

8 bis 11 bestehenden Getriebes, dessen erstes Zahnradpaar 8,

9 auch zum Vermindern der Drehzahl einer Abtriebswelie 17 benutzt werden kann, welche die Zahnräder 9 und 10 trägt, kann zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 5 und der Drehzahl des Zylinderblocks 1 eine passende Beziehung hergestellt v/erden.

Diese Beziehung bestimmt auch die Anzahl der Kompressorfunktionen und Antriebsfunktionen des Motors, d.h. die Zahl der
Doppelhübe zwischen dem oberen und unteren Totpunkt jedes
Kolbens .während einer vollen Arbeitssequenz, die gleich

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einer vollen Umdrehung des Zylinderblockes ist. Die Gesamtzahl f jener Funktionen während einer Umdrehung des Zylinderblockes ergibt sich aus der Gleichung f =z- 1, wenn die Zylinderzahl ζ beträgt. Da eine solche Funktion, beispielsweise Ansaugen und Kompression,einer Umdrehung der Kurbelwelle 5 entspricht (relativ zum Zylinderblock), gilt dieselbe Beziehung für die relative Drehgeschwindigkeit, die auch die effektive Drehzahl des Motors η ,.,- und die Drehzahl des Zylinderblockes 1 ist. Bei f - ζ - 1 werden die Kui ?-e!welle und der Zylinderblock in derselben Richtung rotieren und dementsprechend bei f = ζ + 1 im entgegengesetzten Sinne.

Gemäß einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Antriebsfunktionen während einer vollen Umdrehung des Zylinderblockes größer ist als die Anzahl der Kompressorfunktionen. Dadurch wird ein Antriebsmoment erzeugt, das größer ist als das für die Kompressorfunktionen erforderliche Drehmoment.

Wenn beispielsweise ζ = 7 und f - 6 ist, rotiert die Kurbelwelle 5 in derselben Richtuna wie der Zylinderblock 1 und

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bei η _ff =/Ü/m (100 U/s) beträgt die tatsächliche Drehzahl der Kurbelwelle 7000 U/m und beträgt die Drehzahl des Zylinderblocks 1000 U/m (16 2/3 U/s)„ Das zeigt deutlich, daß die Gleitgeschwindigkeit an der Gleitfläche zwischen dem Motorgehäuse 2 und dem Zylinderblock 1 sehr mäßig ist, wodurch für die Abdichtung an der Gleitfläche günstige Bedin- -gungeä-herrschen und nur kleine Verluste auftreten.

Die Funktion des Motors wird durch einen Verteilerschieber bestimmt, der in der Ebene der Gleitfläche durch das Motorgehäuse und den Zylinderblock gebildet ist. Aus Fig. 1 ist eine Verbrennungsvorrichtung 22 bis 25 an sich bekannter Art ersichtlich, welche aus einem Verbrennungsraum 23, einem als

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Injektor ausgebildeten Brenner 24 für Brennstoff, einem Zünder 25 .und einem äußeren Luftraum 22 besteht. Die Verbrennungsvorrichtung ist über Kanäle mit jenem Teil des Motorgehäuses 2 verbunden, an dem sich die Gleitfläche befindet. Der Luftraum 22 kommuniziert über Luftraumkanäle 19 mit der Gleitfläche oder genauer gesagt mit Öffnungen in dieser Gleitfläche. Auslaßkanäle 21 erhalten von den Zylindern 6 verbrauchtes Arbeitsgas und sind an ein Auspuffsystem angeschlossen. Verbrennungsraumkanale 20 verbinden den Verbrennungsraum 23 mit Öffnungen in der Gleitfläche. Es sind auch Luftansaugkanäle 18 vorhanden, die als Lufteinlaß für den Motor dienen. Mit Hilfe eines zwischen den Verbrennungsraum 23 und die Kanäle 20 geschalteten Ventiles 26 kann der Fluß der erhitzten Arbeitsgase, die in Richtung auf den Zylinderblock strömen wollen, zugelassen, gedrosselt oder unterbunden werden.

Die Anordnung der Öffnungen für die Kanäle in der Gleitfläche ist aus Fig. 2 deutlich ersichtlich, in der die Lage der Zylinder 6 durch gestrichelte Linien eingezeichnet ist. Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1. In Fig. 3 sind die genannten Öffnungen entlang einer geraden Linie verteilt, welche einen vollen Arbeitszyklus repräsentiert, beispielsweise O bis 360 . Fig. 3 zeigt auch schematisch anhand von mit Pfeilen versehenen Strömungslinien die durch die Kanäle 18 bis 21 geschaffenen Verbindungen und die Strömungsrichtungen.

In Fig. 2 sind die sieben Zylinder 6 mit den Bezugszahlen 6 : ] bis 6 : 7 versehen.

Fig. 3 gibt mit gestrichelten Linien die Lagen der Zylinder 6 ϊ 1 bis 6 : 7 wieder, deren Öffnungen in der Gleitfläche enden. Die gestrichelte Linie im unteren Teil von Fig. 3 entspricht der Bewegung der Kurbelwelle 5. Während einer Umdrehung des Zylinderblockes 1 (entsprechend dem Pfeil zwischen

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den Zylindern 6 : 1 und 6:2) passiert jeder Zylinder 6 seinerseits sechs Zonen in der Gleitfläche, nämlich zuerst eine Kompressor ζ one, danach zwei Motorzonen, dann wieder eine Kompressorζone und schließlich nochmals zwei Motorzonen. In Fig. 3 beginnt der im Zylinder 6 : 1 befindliche Kolben eine "Abwärtsbewegung" vom "oberen" Totpunkt ausgehend, wobei der Einlaß von Luft durch-den Luftansaugkanal 18 beginnt, welche •aus einem Lufteinlaßkanal stammt. Im Zylinder 6 : 3 ist der Kolben auf seinem Weg zum "oberen" Totpunkt. Er beendet die Luftkompression in den äußeren Luftraum 22 der Verbrennungsvorrichtung über den Luftraumkanal 19. Die komprimierte Luft wird'erhitzt und dadurch in den Verbrennungsraum 23 der Verbrennungsvorrichtung expandiert, v/o Wärme von dem kontinuierlich brennenden Brenner 24 übernommen wird, der ständig mit Brennstoff versorgt wird. Über das Ventil 26 gelangt das erhitzte Arbeitsgas durch die Verbrennungsraumkanäle 20 zu den öffnungen in der Gleitfläche, damit es während der Motorzonen Arbeit leisten kann. In Fig. 3 schreitet der Einlaß des Zylinders 6:7 gerade voran, während der Einlaß beim Zylinder 6 : 6 beendet ist und bei diesem Zylinder die Expansion beginnt. Bei den Zylindern "6:3 und 6 : 4 wird das expandierte Arbeitsgas durch die Auslaßkanäle 21 abgeführt und einem Auspuff system zugeführt. In diesem Fall rotiert die Kurbelwelle 5 in derselben Richtung wie der Zylinderblock 1, jedoch mit einer sechsmal höheren Drehzahl n^ verglichen mit der Drehzahl ^ des Zylinderblockes. Die wahre Drehzahl der Kurbelwelle ist somit iir = 6 . n, + n, = 7 · n,. Da die einzelnen Zylinder abwechselnd eine Antriebs- und Kompressorfunktion übernehmen, bestehen regelmäßig Einlaßperioden für kalte Luft, während deren der betroffene Zylinder innerlich gekühlt wird. Daher kann die Schmierung der Zylinder mit Hilfe herkömmlicher Methoden erfolgen.

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Beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist es von wesentlicher Bedeutung, wie die Dichtungsvorrichtungen an der Gleitfläche ausgebildet sind« Im Ausführungsbeispiel sind besondere Dichtungen 30 und 31 auf beiden Seiten (in Fig. 1 außerhalb und innerhalb der eigentlichen Leitungen sum Gaseinlaß) des Bereiches angeordnet, welcher von den Öffnungen eingenommen wird. Es ist auch möglich, wie im Ausführungsbeispiel zweiteilige Doppeldichtungen anzubringen und in diese unter Druck ein neutrales Fluid, beispielsweise Öl oder Luft, zu pressen, um ein Austreten des Arbeitsgases aus dem an der Öffnung angesetzten Kanal zu verhindern. In Fig. 1 ist von den in der Gleitfläche liegenden Doppeldichtungen die innerhalb der von den Öffnungen eingenommenen Ringfläche liegende Doppeldichtung mit 30 und ist dementsprechend die außerhalb liegende Doppeldichtung mit 31 bezeichnet.

Die mechanische Ausführung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ist nicht auf die beschriebene Art mit axialen Zylindern beschränkt, welche mit herkömmlichen kreisförmigen oder schaufeiförmigen Kolben versehen sind. Wahlweise könnte der Motor dem radialen Typ angehören oder auf einen rotierenden exzentrischen Kolben vom epitrochoiden Typ oder Flügeltyp innerhalb eines umlaufenden Zylinders gestützt werden, an dem sich die Gleitfläche des Verteilerschiebers befindet.

Im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen mit innerer Verbrennung ist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor überlegen im TIinb lick ~ auf die Reinheit der Auspuffgase, weil der Motor nach der Erfindung mit einem großen Luftüberschuß und bei mäßiger Verbrennungstemperatur arbeitet. Die kontinuierliche Verbrennung garantiert außerdem eine extrem hohe Zuverlässigkeit und erlaubt es gleichzeitig, den zu verwendenden Brennstoff frei zu wählen. Außerdem ist der .erfindungsgemäße Motor nicht entfernt so empfindlich gegenüber Verunreinigungen des Arbeitsgases, wie dies beispielsweise bei einer Gasturbine der Fall ist.

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Claims

P atentansprüche

1. !Verbrennungsmotor nit einem umlaufenden Zylinderblock,

mit einer Kurbelwelle, die schneller umläuft als der Zylinderblock, und mit einem Verteilerschieber, der in einer gemeinsamen Gleitfläche von dem Motorgehäuse und dem Zylinderblock gebildet ist, wobei sowohl im Motorgehäuse an dieser Gleitfläche als auch im umlaufenden Zylinderblock für jeden Zylinder öffnungen für die Gasverteilung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß für ununterbrochene Verbrennung eine äußere Verbrennungsvorrichtung (22 bis 25) vorhanden ist, die durch Kanäle (18 bis 21) mit den Öffnungen des Motorgehäuses (2) am Verteilerschieber derart verbunden ist, daß jeder Zylinder (6) im Zylinderblock (1) durch die in jedem Zylinder (6) vorhandenen öffnungen alternativ als Kompressor Luft in die Verbrennungsvorrichtung durch Kanäle (19) pumpt und als Antrieb Arbeitsgas aus der Verbrennungsvorrichtung durch andere Kanäle (20) expandiert und daß ringförmige Dichtungsvorrichtungen (30, 31) vorhanden sind, die ein Austreten der Arbeitsgase am Verteilerschieber verhindern.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl .der Antriebsfunktionen während einer vollen Umdrehung des Zylinderblockes größer ist als die Anzahl der Kompressorfunktionen.

3. "Verbrennungsmotor nach."Änsp'ruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Verbrennungsvorrichtung und den Kanälen (20) für die erhitzten Arbeitsgase ein Ventil (26) angeordnet ist, um den Fluß der Arbeitsgase in die Zylinder zuzulassen, zu drosseln, oder zu unterbinden.

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4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche an den Öffnungen des Motorgehäuses mit zwei Doppeldichtungen (30 und 31) versehen ist und daß ein neutrales Fluid unter Druck in den Raum zwischen den beiden Teilen einer jeden Doppeldichtung eingeführt ist, um ein Austreten der Arbeitsgase an der Gleitfläche zu verhindern.

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