DE2836918A1 - Brennkraftmaschine mit einer einrichtung zum verbessern der umwandlung von waerme- und druck-energie in mechanische energie - Google Patents

Description

RECHTS-U.PATENTANWÄLT 8 MÜNCHEN 28 36918

DIPL.PHYS.-ING. H. VON SCHUMANN Γf 73,7'"

-j- Itlejon ναι

²u \m

Anmelder:

George James Doundoulakis
North Belmore
(New York), USA

Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Verbessern der Umwandlung von Wärme- und Druckenergie in mechanische Energie

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Verbessern der Umwandlung von in einem primären Zylinder-Kolben-Aggregat erzeugter Wärme- und Druckenergie in an einem Abtriebsorgan abzunehmende mechanische Energie.

Eine der am weitesten verbreiteten Kraftmaschinen zur Umwandlung von Druck-«nd Wärmeenergie in ein nutzbares Drehmoment ist die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, bestehend aus einem an einem Ende geschlossenen Zylinder mit einem oder mehreren Ventilen nahe dem geschlossenen Ende und einem innerhalb des Zylinders hin- und hergehenden Kolben. In den Zylinderraum oberhalb

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des Kolbens wird Brennstoff und Luft eingeführt und dann komprimiert. Nach der Kompression erfolgt die Zündung des Brennstoff-Luftgemischs entweder unter Verwendung einer Zündkerze oder im Falle des Dieselmotors durch die bei der Kompression erzeugte Hitze, und daraufhin wird Arbeit geleistet, während der Kolben durch die expandierenden Gase, die bei der Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs entstehen, im Zylinder nach unten gedrückt wird.

Der Kolben ist normalerweise mit einer rotierenden Kurbelwelle verbunden, auf die durch den Druck im Inneren des Zylinders ein Drehmoment ausgeübt wird. Während der Verbrennung des Treibstoffs, die sich bei herkömmlichen Kolbenmaschinen je nach Drehzahl über einen Drehwinkel der Kurbelwelle von nur wenigen Grad bis zu über 5o Grad erstrecken kann, werden die Gase im Inneren des Zylinders über dem Kolben auf ein sehr hohes Energieniveau gebracht. Temperatur und Druck der Gase steigen auf Werte, die sehr viel größer sind als die Zustandsbedingungen in der den Zylinder umgebenden Atmosphäre. Gastemperaturen in der Größenordnung von

2 5ooo Grad in Verbindung mit Drücken von ungefähr 7o kg/cm sind dabei normal. Wegen des großen Unterschieds zwischen den Zustandsbedingungen innerhalb und außerhalb des Zylinders treten starke Energieverluste durch Wärmeübergang von den heißen Gasen auf die Zylinderwand auf. Diese Wärme, die von einem Kühlsystem aufzunehmen ist, geht den heißen Gasen verloren, mindert dadurch deren Temperatur und Druck und damit gleichzeitig auch die an der Kurbelwelle zur Verfügung stehende Leistung« '

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Während der Energieverlust stattfindet, entspricht die Bewegung des Kolbens während der Expansion der Vergrößerung des Volumens der heißen Gase. Diese Volumenvergrößerung repräsentiert die von den Gasen auf den
Kolben übertragene Energie. Die geleistete Arbeit, gemessen in mkg, ist gleich dem Produkt aus der Volumenvergrößerung und dem Druck der Gase während der Zeit der Volumenvergrößerung. Die Ausführung dieser Arbeit stellt eine Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie dar, und während die expandierenden Gase diese Arbeit
leisten, verringern sich ihre Temperatur- und Druckwerte weiter· Die an die Umgebung verlorene Wärme verringert somit die für die Umwandlung in mechanische Arbeit zur Verfügung stehende Energie.

Wegen der nahezu sinusförmigen Bewegung der Kolben herkömmlicher Kolbenmaschinen, die auf ihre direkte Verbindung mit der Kurbelwelle zurückzuführen ist, bewegen sich die Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts nur verhältnismäßig langsam, während die Temperatur
des Gases im Zylinder hoch ist. Da die Wärmeverluste
an der Zylinderwand einerseits der Temperaturdifferenz zwischen Gas und Wand und andererseits der Zeitspanne, in welcher der Kolben im Bereich des oberen Totpunkts
bleibt, proportional sind, ergeben sich bei herkömmlichen Maschinen beträchtliche Verluste infolge Wärmeleitung und -Strahlung, während der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts bleibt. Es konnte mit Hilfe eines Computers gezeigt werden, daß bei looo Upm bis zu
35% der im Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie über
die Zylinderwand verloren gehen kann, während sich der Kolben im Bereich von ■* 15 Grad vom oberen Totpunkt befindet*

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Es ist einleuchtend, daß bei Verwendung eines frei beweglichen Kolbens vor allem in der frühen Expansionsphase der Gase die schnelle Vergrößerung des Gasvolumens zu einer ebenfalls schnellen Verringerung der Temperatur und des Drucks führen würde mit dem Ergebnis geringerer Wärmeverluste durch Wärmeleitung durch die Zylinderwände, so daß ein größerer Anteil der theoretisch vorhandenen Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden könnte. Wenn die unmittelbare Verbindung,, zwischen cfem Kolben und der Kurbelwelle gelöst wird, bestimmt sichseine Bewegung nach ballistischen Gesetzen auf der Grundlage seiner Masse und der auftretenden Kräfte. Ein Gewehr oder ein Geschütz z.B., welches im Prinzip eine rudimentäre Form einer Brennkraftmschine mit innerer Verbrennung darstellt, wandelt Wärmeenergie mit einem sehr hohen thermischen Wirkungsgrad in Arbeit um, weil das Geschoß frei beschleunigen kann und dabei nur von seiner eigenen Masse und der Reibung im Lauf eine Beschränkung erfährt. Die Bewegung des Geschosses erfolgt nach ballistischen Gesetzen. Das Gewehr entspricht dabei einer Maschine mit einem extrem hohen Verdichtungsverhältnis, so daß mehr Wärme- und Druckenergie in Bewegungsenergie umgewandelt werden kann, bevor das Geschoß den Lauf verläßt.

Das Verdichtungsverhältnis errechnet sich bei einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, in-dem das größte Volumen der Brennkammer durch deren kleinstes Volumen - jeweils durch den sich im Zylinder bewegenden Kolben bestimmt - dividiert wird, Im Beispielsfall eines Gewehrs oder eines Geschützes ergibt sich das Verdichtungsverhältnis durch Division des Volumens des Laufs durch

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das Volumen der den Explosivstoff enthaltenden Geschoßhülse. Das Verdichtungsverhältnis ist ein Maß für den thermischen Wirkungsgrad grundsätzlich bei allen Maschinen mit innerer Verbrennung.

Die herkömmlichen Brennkraftmaschinen können so ausgelegt werden, daß sie mit Verdichtungsverhältnissen von ungefähr 8,5 : 1 arbeiten. Bei höheren Verdichtungsverhältnissen kommt es trotz Verwendung hochklopffester Treibstoffe zu Fehlexplosionen und dem bekannten "Klingeln". Während der Zündung wird die Geschwindigkeit der Flammenfront stark vergrößert, wobei fast augenblicklich die chemische Energie des Treibstoffs in Wärme verwandelt wird. Da sich der Kolben im Bereich des oberern Totpunkts nur sehr langsam bewegt, wird der Verlust an Wärme an die Wände der Brennkammer stark vergrößert, verbunden mit der Wahrscheinlichkeit schwerer Schäden am Kolben, in dem sich die Wärme nur in beschränktem Maße verteilen kann. In einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung mit einem fliegend geführten (ballistischen) Kolben führt die schnelle Expansion im Brennraum auch zu einer schnellen Verringerung der Gastemperatur, so daß nicht nur geringere Wärmeverluste .zu verzeichnen sind₉ sondern auch die Explosion des Gases keine schädliche!Folgen für die Maschine haben kann« Die neue Brennkraftmaschine kann mit höheren Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, eine Eigenschaft,) welche den thermischen Wirkungsgrad der Motoren weiter verbessert« Eine weitere vorteilhafte Folge der schnellen Expansion des Brennraums durch Verwendung eines ballistischen Kolbens besteht darin, daß leicht entflammbare Brennstoffe mit niedriger Oktanzahl benutzt werden können₉ um dadurch die Verbrennung des Treibstoffs im Bereich des oberen Totpunkts

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noch zu verbessern und den thermischen Wirkungsgrad weiter zu steigern.

Der Erfindung liegt demnach sie Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmschine der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe in der aufgezeigten Weise die Umwandlung der bei der Verbrennung eines Treibstoffs entstehenden Wärme- und Druckenergie in nutzbare mechanische Energie weiter verbessert werden kann, und zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Primärkolben ohne mechanische Verbindung mit dem Abtriebsorgan im Primärzylinder fLiegend geführt ist und seine Bewegungsenergie auf einen Energiezwischenspeicher überträgt, welcher mit dem Abtriebsorgan verbunden ist.

Das Prinzip der vorgeschlagenen Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und ballistischem Kolben läßt sich am besten an Hand eines vereinfachten Ausführungsbeispiels erläutern, welches auf der herkömmlichen Kolbenmaschine aufbaut. Davon ausgehend, könnte die neue Brennkraftmaschine einen im Querschnitt kreisrunden Zylinder mit einem darin hin- und hergehenden Kolben oder Reaktionsglied aufweisen, welches gemäß Fig. 2 (worauf nachstehend noch näher eingegangen wird) mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Mit Zwischenabstand zu dem mit der Kurbelwelle Verbundenen Kolben oder Reaktionsglied ist ein frei beweglicher Doppelkolben angeordnet, der sich in dem Zylinderraum unterhalb des mit der Kurbelwelle verbundenen Kolbens frei bewegen kann.

Das Wort "Doppelkolben" bedeutet im Beispielsfall, daß der vorstehend als Primärkolben bezeichnete frei bewegliche Kolben fest mit einer sich axial erstreckenden

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Wand verbunden ist, welche den Zylinderraum in zwei voneinander getrennte Brennkammern unterteilt. Diese Brennkammern arbeiten phasenverschoben nach dem 4-Takt-Prinzip eines Otto-Motors in der Weise, daß jeweils dann, wenn in der einen der Arbeitshub stattfindet, in der anderen der Ansaughub ausgeführt wird.

Der Zylinderraum zwischen dem mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben und dem Doppelkolben stellt einen Energiezwischenspeicher dar, der mit einem kompressiblen Fluid, wie z.B. Luft, gefüllt sein kann. Der Zylinderraum unterhalb des frei beweglichen Doppelkolbens bildet die Brennkammern des Zylinders. Für jede Brennkammer sind Ein- und Auslaßventile und Zündkerzen vorgesehen. Eine Verlängerung der mit dem Doppelkolben verbunfcnen Trennwand ragt durch das geschlossene Ende des Zylinders nach außen vor und arbeitet mit einem Gesperre zusammen.

Wenn während des Betriebs der frei bewegliche Primärkolben seine mit Bezug auf Fig. 2 untere Endstellung einnimmt, ist eine der beiden Brennkammern, die vorher mit einem Brenngas-Luft-Gemisch gefüllt worden ist, für den Arbeitshub bereit. Sobald dann das Brenngas-Luft-Gemisch in der betreffenden Brennkammer durch eine Zündkerze gezündet wird, wird der frei bewegliche Primärkolben zu dem mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben hin gedrückt. Die Energie, welche durch die schnelle Expansion der Brennkammer zur Verfügung gestellt wird, ist gleich der Volumenänderung, multipliziert mit dem mittleren Druck in der Brennkammer. Diese Energie wird in kinetische Energie des ballistischen Primärkolbens umgewandelt. In dem Maße, wie sich dieser dem mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben nähert, gibt er seine Energie an das

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in dem Zwischenraum zwischen den beiden Kolben enthaltene Gasvolumen, welches einen Energiezwischenspeicher bildet, ab, wobei die kinetische Energie des ballistischen Kolbens in potentielle Energie des Speichers umgewandelt wird. Der Druck des den Energiezuschenspeicher, bildenden Gasvolumens treibt dann den mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben an, wobei auf die Kurbelwelle ein Drehmoment ausgeübt wird.

Nachdem der frei bewegliche Primärkolben durch die expandierenden.Gase in die mit Bezug auf Fig, 2 oberste Stellung gedrückt worden ist, greift ein Gesperre an der mit dem Kolben verbundenen Trennwand an und hält ihn entgegen dem Druck im Energiezwischenspeicher vorübergehend fest.

Während sich der frei bewegliche Primärkolben im Zylinder nach oben bewegt, findet in der anderen Brennkammer im Rahmen des "+-Takt-Zyklus eines Otto-Motors der Ansaugvorgang statt, d.h. es wird Über ein Einlaßventil ein Brennstoff-Luft-Gemisch in diese Brennkammer eingeführt. Wenn der mit der Kurbelwelle verbundene Kolben beginnt, sich im Zylinder gemäß Fig. 2 abzusenken, wird das Gesperre in einem vorbestimmten Zeitpunkt durch einen geeigneten Steuermechanismus gelöst, so daß der frei bewegliche Kolben unter der Wirkung des Drucks im Energiezwischenspeicher, verursacht durch die Abwärtsbewegung des mit der Kurbelwelle verbundenen Kolbens, wieder nach unten gedrückt wird. Während der Abwärtsbewegung des frei beweglichen Primärkolbens werden die verbrannten Gase aus der ersten Brennkammer ausgestoßen, und gleichzeitig wird das in die zweite Brennkammer eingesaugte Brennstoff-Luft-Gemisch komprimiert. Danach ist die

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vereinfachte Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und ballistischem Primärkolben gemäß Fig. 2 für den näahsten Arbeitshub, diesmal ausgeführt durch die zweite Brennkammer, bereit·

Es versteht sich, daß die Bewegung des frei beweglichen Primärkolbens bei der erwähnten vereinfachten Ausführungsform der Erfindung bestimmt wird von seiner Masse, der durch die Verbrennungsvorgänge in den beiden Brennkammern erzeugten und auf den Primärkolben übertragenen Energie sowie der Volumen-Druck-Kennlinie des Luftbzw. Gasvolumens im Energiezwischenspeicher zwischen den beiden Kolben. Während solch ein Motor nicht unbedingt zum Antrieb von Fahrzeugen geeignet ist, eignet er sich doch zur bildhaften Darstellung des Funktionsprinzips der vorgeschlagenen Brennkraftmaschine mit ballistischem Kolben· Ihre Betriebsweise und Vorzüge seien nachfolgend noch einmal zusammenfassend dargestellt:

Nach der Zündung des Treibstoffs wird ein Teil der inneren Energie in der Brennkammer als kinetische Energie auf den frei beweglichen Kolben übertragen. Die kinetische Energie wird danach in potentielle Energie eines Energiezwischenspeichers umgewandelt, wobei die den Energiezwischenspeicher bildende Kammer in Tandem-Anordnung mit der Brennkammer ausgebildet sein kann. Ein Teil der im Energiezwischenspeicher enthaltenen potentiellen Energie wird als nutzbare Arbeit auf die Kurbelwelle übertragen, der Rest wird dazu benutzt, den ballistischen Kolben wieder rückwärts zu beschleunigen.

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Die Kompression der nächsten Treibstoff-Luft-Gemischfüllung der Brennkammer wird durch die kinetische Energie des frei beweglichen ballistischen Kolbens während seiner Abwärtsbewegung im Zylinder zustande gebracht. Der ballistische Kolben wird durch den Druck beschleunigt, der im Energiezwischenspeicher dadurch aufgebaut wird, daß der mit der Kurbelwelle verbundene Kolben sich dem frei beweglichen Kolben nähert.

Zunächst wird allerdings der ballistische Kolben durch eine besondere lösbare Halteeinrichtung, z.B. ein Klinkengesperre, daran gehindert, sich von dem mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben fortzubewegen. Die Stärke des Drucks zwischen den beiden Kolben und damit auch die Kraft, mit welcher der ballistische Kolben im Zylinder nach unten gedrückt wird, hängt "om Abstand der beiden Kolben im Zeitpunkt des Lösens der Halteeinrichtung ab. Die Energie für die Erzeugung dieses Drucks wird gewonnen aus der potentiellen Energie im Energiezwischenspeicher und der Schwungscheibenwirkung der Kurbelwelle,

Das kleinste Volumen, welches in der Brennkammer erreicht wird, ist eine Funktion der Menge des Brennstoff-Gas-Gemischs in der Brennkammer sowie der kinetischen Energie des komprimierenden ballistischen Kolbens. Deshalb kann das Verdichtungsverhältnis dadurch eingestellt werden, daß der Kleinstabstand zwischen den beiden Kolben iir. Zeitpunkt des Lösens der Halteeinrichtung in Funktion der in die Brennkammer einzuführenden Treibstoffcharge gesteuert wird, Dies wiederum läßt sich durch eine Steuerung des Lösens der Halteeinrichtung des frei beweg-

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lichen Kolbens u.a. in Abhängigkeit von der Stellung z.B. des Gaspedals eines mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs erreichen.

Die Zündung des Treibstoffs kann entweder durch eine Zündkerze oder durch hohe Verdichtung oder beides erfolgen. Der frei bewegliche Kolben wird am Ende des Kompressionshubs von dem komprimierten Treibstoff-Luft-Gemisch weich aufgefangen und bewegt sich dann wieder völlig frei vom geschlossenen Ende des Zylinders fort, so daß die meiste Verbrennungsenergie in kinetische Energie des frei bewegten ballistischen Kolbens umgewandelt wird. Während sich der frei bewegliche Kolben dem mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben nähert, wird auf diesen eine starke Kraft und entsprechend auf die Kurbelwelle ein Drehmoment ausgeübt. Der Rest der kinetischen Energie wird als potentielle Energie im Energiezwischenspeicher aufgenommen. Diese Energie wird dann während des folgenden Arbeitshubs des mit der Kurbelwelle verbundenen Kolbens weiter in mechanische Arbeit umgewandelt, und der Rest wird mit zur Kompression der nächsten Ladung des Treibstoff-Luft-Gemischs verwendet.

Die vorgeschlagene Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und einem ballistischen Kolben hat folgende Vorteile:

Der hohe Anteil der zu Beginn der Expansion der Brenngase in Arbeit umgewandelten Energie läßt Temperatur und Druck in der Brennkammer sehr schnell fallen. Entsprechend schnell verringern sich auch die Wärmeverluste durch Wärmeübergang an das Kühlsystem.

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Der Treibstoff wird bei starker Kompression in der frühen Anfangsphase des Explossionshubs verbrannt, so · daß der resultierende Druck wirksamer genutzt werden kann· Im übrigen kann der Treibstoff zu beliebiger Zeit während der Kompression zünden oder sogar explodieren» ohne daß es Rückschläge im System gibt oder der Motor in sonstiger Weise Schaden leidet.

Da die Expansion und damit verbunden der Temperaturrückgang und der Druckabfall mit extrem hoher Geschwindigkeit stattfinden und außerdem Druck und Temperatur nur auf den frei beweglichen Kolben wirken, schadet die Explos-ion des Brennstoff-Luft -Gemischs den beaufschlagten Teilen des Motors wesentlich weniger als bei herkömmlichen Kolbenmaschinen. Unter diesen Umständen öder bei Verwendung geeigneter Materialien, welche den bei einer Detonation entstehenden Druckwellen standhalten können, kann die Brennkraftmaschine tatsächlich so ausgelegt werden, daß der Brennstoff in Form einer Detonation verbrennt. Die Maschine kann dann mit einem sehr leicht entzündbaren Brennstoff betrieben werden, d.h. es besteht die Möglichkeit, Treibstoffe mit niedriger Oktanzahl,ohne die Klopffestigkeit verbessernde Zusätze zu verwenden.

Wegen der hohen Kompression, welche mit der neuen Brennkraftmaschine erzielt werden kann, läßt sich ein mageres Treibstoff-Luft-Gemisch verwenden, was der Treibstoffeinsparung zugute kommt. Magerere Gemische mit größerem Luftanteil gestatten eine vollständigere Verbrennung der Kohlenwasserstoffe und lassen weniger schädliches Kohlenmonoxyd entstehen. Außerdem lassen die neuen Motoren eine geringere Emission von Stickoxyden er-

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warten, Zwar begünstigen höhere Temperaturen, mit denen bei dem neuen Motor zu rechnen ist, die Erzeugung von Stickoxyden, die Phasen hoher Temperatur dauern jedoch nur sehr kurz, so daß insg^mt die erzeugte Menge an Stickoxyden voraussichtlich klein bleibt. Der geringere Wärmeübergang an das Kühlsystem erlaubt, dieses zu verkleinern und die für den Kühlwasserkreislauf benötigte Pumpenleistung zu reduzieren»

Schließlich läßt sich mit einem einstellbaren hohen Verdichtungsverhältnis der zu Beginn des Arbeitshubs zur Erzielung eines guten Wirkungsgrads benötigte hohe Druck erzeugen, und der frei bewegliche Kolben vergrößert die Hublänge j um weitere Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln.

Das vorstehend beschriebene Prinzip der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung und einem frei beweglichen Kolben läßt sich in der Praxis bei unterschiedlichen Arten von Motoren anwenden. Wie nachstehend noch im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 näher erläutert wird, kann z.B. sogar eine herkömmliche Kolbenmaschine so abgewandelt werden, daß sie nach dem erfindungsgemäßen Prinzip funktioniert. Dazu wird die zur Zeit verwendete Kurbelwelle ersetzt durch eine ballistische Einheit, bestehend aus einer um eine zentrale Welle drehbaren Trommel, die einen Zylinder für einen über eine andere Kurbelwelle und Pleuel mit zwei Kolben eines herkömmlichen Kolbenmotors verbundenen Drehkolben bildet« Der Drehkolben kann z.B. aus zwei sich radial von einer Nabe aus erstreckenden, flügeiförmigen Kolben bestehen, die den Zylinder in zwei halbzylindrische Kammern unterteilen. Dieser Drehkolben, der gegen die innere Trommelwand

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abgedichtet ist, wirkt mit einem zweiten Drehkolben in Form zweier gegenüberliegender, radial nach einwärts weisender, flügeiförmiger Kolben an der Trommelwand, welche gegen die Nabe abgedichtet sind, zusammen. Die vier flügeiförmigen Einzelkolben der beiden Drehkolben unterteilen den Zylinderraum der Trommel in vier als Energiezwischenspeicher dienende Kammern.

Die die beiden Axialkolben mit dem einen Drehkolben verbindende Kurbelwelle ist weiterhin mit einem Klinkenmechanismus versehen und stützt sich über einen Freilauf in einer Drehrichtung am Gehäuse des Motors ab. Die Trommel ist mit einem Außenzahnrad verbunden, welches mit einem Abtriebszahnrad auf einer Abtriebswelle in Eingriff steht. Da jeweils zwei Axialkolben mit einem einzigen Energiezwischenspeicher in Form einer rotierenden Trommel und zugehörigen Drehkolben zusammenwirken, braucht ein Sechszylindermotor bei der beschriebenen Anordnung drei Energiezwischenspeicher der genannten Art. Die den beiden zusammenwirkenden Axialkolben zugeordneten Zylinder entsprechen bei dem zuerst erwähnten vereinfachten Ausführungsbeispiel den beiden durch die Trennwand im Zylinder gebildeten Brennkammern .

Wenn während des Betriebs der eine der beiden Axialkolben durch eine Explosion im zugehörigen Zylinder ballistisch beschleunigt wird, folgt ihm der mit der Kurbelwelle verbundene Drehkolben in der Trommel. Letztere ist mit einem Rückschlagventil versehen, welches Luft mit atmosphärischem Druck in den Innenraum der Trommel eintreten läßt, wenn sich die Drehkolben nicht bewegen.

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Bei Drehung des mit der Kurbelwelle verbundenen Drehkolbens auf den mit der Trommel verbundenen Drehkolben , zu wird das Luftvolumen zwischen den beiden Drehkolben komprimierte

Die kinetische Energie der ballistisch beschleunigten Masse des Motors wird somit in potentielle Energie umgewandelt, die in dem Energiezwischenspeicher in Form der in der Trommel zwischen den beiden Drehkolben eingeschlossen Gasvolumina vorübergehend gespeichert wird. Dieser Druckaufbau in zweien der vier durch die flügeiförmigen Drehkolben in der Trommel gebildeten Kammern kommt dadurch zustande, daß der mit der Kurbelwelle verbundene Drehkolben infolge starker Beschleunigung kurzzeitig eine höhere Drehgeschwindigkeit erreicht als der mit der Trommel verbundene Drehkolben. Über den Druck in den Speicherkammern der Trommel und das zwischengeschaltete Zahnradgetriebe wird nutzbare Energie auf die Abtriebswelle übertragen. Wegen des hohen Drucks in den Energiespeicherkammern der Trommel kommt dann aber auch der Zeitpunkt, wo auf den mit der Kurbelwelle verbundenen Drehkolben ein rückwärts gerichtetes Drehmoment ausgeübt wird,

Um zu verhindern, daß sich die Kurbelwelle rückwärts dreht, tritt der in Rückwärtsrichtung sperrende Freilauf in Aktion und hält den Drehkolben fest. Da der mit der Trommel verbundene Drehkolben mit im wesentlichen konstanter Winkelgeschwindigkeit weiter rotiert, fällt der Druck in den beiden Speicherkammern bis auf Null, und dann baut die Schwungmasse des Motors einen Druck in den beiden anderen Speicherkammern der Trommel auf. Dieser Druck übt ein Drehmoment in Vorwärtsrichtung auf

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die Kurbelwelle aus, jedoch hält das Klinkengesperre die Kurbelwelle noch vorübergehend fest, bis die Klinke gelöst wirdt

Nach dem Lösen der Klinke wird die im zweiten Paar Speicherkammern der Trommel gespeicherte Energie sehr schnell wieder in kinetische Energie der aus der Kurbelwelle, den Pleueln und den Axialkolben bestehenden Einheit umgewandelt. Die kinetische Energie dieser Teile wiederum setzt sich in Kompression in einem der beiden Zylinder der Axialkolben um. Ebenso wie bei dem vorher erwähnten vereinfachten Ausführungsbeispiel findet jeweils gleichzeitig in einem der beiden Zylinder der Explosionshub und im anderen der Ansaughub des Vier-Takt-Arbeitsverfahrens des Otto-Motors statt.

Das erfindungsgemäße Prinzip einer Brennkraftmaschine mit ballistisch beschleunigte» Kolben läßt sich auch anwenden auf einen Drei-Rotor-Motor gemäß US PS 3 98 9 öl2 und US-Patentanmeldung 719 664, Wie dort beschrieben, bestehen die wesentlichen Vorteile eines solchen Motors mit grundsätzlich radialem Aufbau in hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften, geringeren Reibungsverlusten, geringeren Maßen und Gewichten sowie einer vereinfachten Übertragung der Verbrennungsenergie des Treibstoff -Luft-Gemischs auf die Abtriebswelle,

Eine erfindungsgemäße Ausführung eines Drei-Rotor-Motors hat ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, zwei darin mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit rotierende Trommeln, die mit einer koaxialen Abtriebswelle verbunden sind, zwei mit axialem Zwischenabstand zwischen den beiden Trommeln mit der Abtriebswelle verbundene Lagerplatten

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und ein beiden Trommeln gemeinsam zugeordnetes Differentialgetriebe, wobei die den verschiedenen Trommeln zugeordneten Planetenräder jeweils im Bereich zwischen den beiden Lagerplatten miteinander und axial außerhalb derselben mit Ritzeln im Eingriff stehen, welche mit den Trommeln zugeordneten Innenrotoren verbunden sind. Die Innenrotoren haben sich radial nach außen erstreckende, flügeiförmige Drehkolben, die an der Innenseite der Umfangswand der Trommeln gleiten· Gleichzeitig sind die Trommeln mit nach innen weisenden Flügeln ausgebildet, welche an der Nabe der Innenrotoren gleiten· Die sektorförmigen Zylinderräume zwischen den Flügeln der Innenrotoren und den Flügeln der Trommeln bilden die Brennkammern einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung.

In erfindungsgemäßer Ausführung sind bei dem vorstehend genannten Motor axial außerhalb der genannten Trommeln am Gehäuse ein oberer und ein unterer Energiezwischenspeicher angebracht. Auch diese Energiezwischenspeicher haben die Form von Trommeln mit daran ansetzenden» radial nach innen weisenden Flügeln. In den sektorförmigen Kammern der Trommeln zwischen den Flügeln ist ein aus einer Nabe mit daran ansetzenden, radial nach außen weisenden Flügeln bestehender Drehkolben angeordnet. Während die rippenförmigen Flügel der Trommel an der relativ zu dieser drehbaren Nabe gleiten, dichten die radial äußeren Enden der mit der Nabe verbundenen Flügel des Drehkolbens gegen die Innenwand der Trommel. Die Nabe bildet den radial äußeren Teil eines Freilaufs, dessen radial innerer Teil durch eine Verlängerung des jeweils benachbarten Innenrotors gebildet wird. Zwischen den Verlängerungen der Innenrotoren und der Abtriebswelle ist jeweils ein Klin= kengesperre vorgesehen, um die Innenrotoren abwechselnd

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zu sperren und wieder zu lösen, wie nachstehend näher beschrieben. Die durch den jeweils an der Nabe vorgesehenen Freilauf verbundenen oberen und unteren Innenrotoren und die Drehkolben der Energiezwischenspeicher können die dort gespeicherte Energie nutzen, während die Innenrotoren beim normalen Betrieb des Motors als Teile der Brennkraftmaschine funktionieren.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht,

zum Teil im Schnitt, einer Zylinder-Kolben-Einheit eines herkömmlichen Kolbenmotors,

Fig. 2 in einer Ansicht entsprechend Fig. 1

eine durch Abwandlung des herkömmlichen Kolbenmotors gewonnene Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, welche auch in diesem Fall auf einem herkömmlichen Kolbenmotor aufbaut,

Fig. 4 Einzelheiten aus Fig. 3 in größerem

Maßstab und in einer auseinandergezogenen Darstellung (Explos-ionsdarstellung);

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, zum Teil im Schnitt, eines erfindungsgemäß gestalteten Drehkolbenmotors,

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Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des oberen Teils des Drehkolbenmotors nach Fig» 5,

Fig· 7 eine perspektivische Ansicht eines teilweise aufgebrochen dargestellten Differentialgetriebes, welches den oberen und den unteren Teil des Drehkolbenmotors gemäß Fig. 5 verbindet,

Fig· 8 eine schematische Darstellung der Relativstellungen und -bewegungen der wesentlichen Teile des Drehkolbenmotors gemäß Fig. 5 und der zugehörigen Energiezwischenspeicher,

Um die wesentlichen Unterschiede zwischen der Erfindung und den bekannten Brennkraftmaschinen zu verdeutlichen, werden zunächst an Hand von Fig. 1 die Hauptteile eines herkömmlichen Kolbenmotors sowie ihre Funktion erläutert. Wesentlich ist dabei, daß die Bewegung des Kolbens Io durch eine Kurbelwelle 12 begrenzt wird. Wird weiterhin der mit Bezug auf Fig. 2 untere Totpunkt des Kolbens Io als Bezugsgrundlage gewählt und im Hinblick auf die Umdrehung der Kurbelwelle als O°-Stellung bezeichnet, so ist festzustellen, daß sich der Kolben kaum bewegt, während die Kurbelwelle im Bereich von -20° bis +2o° dreht. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen steht dabei eine verhältnismäßig lange Zeitspanne für den Verbrennungsvorgang zur Verfügung, der zu einer hohen Gastemperatur und einem hohen Gasdruck führt. Während dieser Zeitspanne kann das Gas aber auch bis zu 3o% seiner Wärmeenergie an die gekühlte Zylinderwand abgeben, während nur eine sehr geringe mechanische Arbeit geleistet wird.

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Die geleistete Arbeit hängt nämlich von der Verschiebung des Kolbens im Zylinder ab.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Zylinder-Kolben-Einheit gemäß der Erfindung ist dagegen der den Brennraum im Zylinder 25 begrenzende Kolben 14 - nachfolgend als Primärkolben bezeichnet - weder direkt noch indirekt mechanisch mit der Kurbelwelle 12 des Motors verbunden. Im Beispielsfall ist der Kolben 14 lediglich mit einer Trennwand 16 verbunden! welche den Brennraum in zwei voneinander getrennte Brennkammern 1 und 2 unterteilt. Die beiden Brennkammern sind mit Zündkerzen la bzw. 2a sowie mit Einlaßventilen Ib bzw, 2b und Auslaßventilen lc bzw. 2c versehen. Die Kurbelwelle 12 ist mit einem zweiten, im Zylinder 25 hin- und hergehend geführten Kolben 2 2 - nachstehend als Sekundärkolben bezeichnet - über ein Pleuel mechanisch verbunden. Die beiden Kolben 14 und 22 begrenzen im Zylinder 25 eine Energiespeicherkammer 3. Neben dem Zylinder 25 ist eine Klinke 18 montiert, welche mit einer Zahnstange oder Zahnleiste 2o an der Trennwand 16 zusammenwirkt. Beide Brennkammern 1 und 2 arbeiten nach dem Vier-Takt-Verfahren eines Otto-Motors, d.h. der zugehörige Kolben führt einen Ansaug-, Verdichtungs-, Arbeitsund Ausstoßhub aus. Die Vier-Takt-Arbeitsverfahren in den beiden Brennkammern laufen jedoch relativ zueinander phasenverschoben ab. Die Hubfolge in den beiden Brennkammern läßt sich somit etwa folgendermaßen beschreiben: Während in der Brennkammer 1 nacheinander der Verdichtungs-, Arbeits-, Ausstoß- und Ansaughub, und dann wieder ein Verdichtungshub usw. stattfinden, werden in der Brennkammer 2 gleichzeitig folgende Vorgänge ablaufen: Ausstoßen, Ansaugen, Verdichten, Verbrennen, Ausstoßen usw.

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Während eines Explosions- bzw. Arbeitshubs in der Brennkammer 1 wird der Primärkolben 14 freibeweglich nach oben' beschleunigt. In der obersten Stellung hält ihn dann die in die Zahnleiste 2o eingreifende Klinke 18 vorübergehend fest. Die durch den Primärkolben 14 in der Energiespeicherkammer 3 komprimierte Luft drückt den Sekundärkolben 22 nach oben und treibt dadurch die Kurbelwelle 12 an. Wegen der Schwungradwirkung der mit der Kurbelwelle 12 verbundenen Massen wird dann der Sekundärkolben 22 wieder im Zylinder 25 nach unten, zum Primärkolben 14 hin bewegt, wobei auch wieder ein Druck in der Energiespeicherkammer 3 aufgebaut wird. Wenn ein bestimmter Druck erreicht ist, wird die Klinke 18 aus der Zahnleiste 2o gelöst, und daraufhin bewegt sich der Primärkolben nach unten und führt mit Bezug auf die Brennkammer 2 einen Verdichtungshub und mit Bezug auf die Brennkammer 1 einen Ausstoßhub aus. Im nächsten Arbeitsschritt wird in der Brennkammer 2 ein Explosions- bzw. Arbeitshub ausgeführt, nachdem mittels der Zündkerze 2a die Zündung ausgelöst worden ist· Dabei wird der frei bewegliche Primärkolben 14 wiederum im Zylinder 25 in Richtung nach oben beschleunigt, so daß die Wärmeenergie in der Brennkammer 2 in kinetische Energie des Primärkolbens 14 umgewandelt wird. Während sich der letztere dem Sekundärkolben 22 nähert, verlangsamt sich seine Bewegung, und der wesentliche Teil seiner kinetischen Energie wird in Form von potentieller Energie in dem komprimierten Luftvolumen der Energiespeicherkammer 3 vorübergehend gespeichert. Der Druck in der Energiespeicherkammer 3 drückt daraufhin den Sekundärkolben 22 vom Primärkolben 14 fort, wobei gleichzeitig mechanische Arbeit geleistet und an die Kurbelwelle 12 übertragen wird. Nach der Ausführung des Krafthubs bewegt sich der Sekundärkolben 22 wegen

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der kontinuierlichen Drehbewegung der Kurbelwelle wieder auf den Primärkolben 14 zu. Das Klinkengesperre 18, 2o verhindert jedoch ein sofortiges Zurückweichen des Primärkolbens 14, Durch dieses zeitweise Festhalten des frei beweglichen Primärkolbens 14 werden vier Ziele erreicht:

1. Es wird über eine längere Zeitspanne ein sehr hoher Druck in der Energiespeicherkammer 3 aufrechterhalten, so daß mehr Energie auf die Kurbelwelle 12 übertragen wird;

2. es erlaubt eine zeitliche Steuerung des nächsten Hubs des Primärkolbens, da die Möglichkeit besteht, ihn z.Bc in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Kurbelwelle in einem bestimmten Augenblick loszulassen;

3. es kann das Verdichtungsverhältnis gesteuert werden, indem der Sekundärkolben 22 während des Rückhubs das Luftvolumen in der Energiespeicherkammer 3 mehr oder weniger stark komprimiert, bevor die den Primärkolben 14 haltende Klinke gelöst wird. Je nach dem Druck in der Energiespeicherkammer 3 wird dann der frei bewegliche Primärkolben 14 mehr oder weniger stark beschleunigt, und entsprechend ist dann auch das Verdichtungsverhältnis bei der Verdichtung der als nächste zu zündenden Treibstoff-Luft-Ladung in einer der Brennkammern 1 oder 2.

4. Es wird die Mindestdauer eines Arbeitszyklus festgelegt. Diese. Dauer bestimmt sich nach der Gleichung: T = a/2S, wobei a die mittlere Beschleunigung, welche der mittleren Kraft, geteilt durch die

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Masse des Kolbens entspricht, und S die Wege des Kolbens, bevor er anhält, bedeuten. Man beachte, daß die Zeitdauer T länger wird, wenn sich die auf den Kolben wirkende Kraft verringert. Diese Kraft wird bei gleichem Verdichtungsverhältnis im wesentlichen gesteuert durch die in die Brennkammer eingeführte Treibstoffladung, welche ihrerseits z.B. mittels eines zum Motor gehörenden Drosselventils gesteuert wird. Das Drosselventil kann in bekannter Weise über ein Gestänge mit dem Gaspedal eines Kraftfahrzeugs verbunden sein. Wenn die Treibstoffzufuhr im Vergleich zu der bei voll geöffnetem Drosselventil z.B. um 1/4 verringert wird, vergrößert sich T nur um den Faktor Zwei. Es ist erwünscht, daß der Wert T kleiner bleibt als die halbe Dauer einer Umdrehung der Kurbelwelle. Dies setzt einen sich sehr schnell bewegenden Primärkolben voraus, der dann jeweils nach vollständiger Expansion der Brennkammer durch eine geeignete Arretier vorrichtung, z.B. in Form einer mit einer Zahnleiste zusammenwirkenden Klinke, festgehalten wird. Die Synchronisation zwischen der Kurbelwelle 12 und dem sich frei bewegenden Primärkolben 14 wird dadurch erreicht, daß die Arretierung des letzteren zeitlich in Funktion der Drehung der Kurbelwelle gelöst wird, nicht aber durch die ursprüngliche Periode T des frei beweglichen bzw, ballistischen Primärkolbens 14. Der Zeitpunkt des Lösens der Arretierung des Primärkolbens 14 kann auch in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Primärkolben 14 und Sekundärkolben 22 gesteuert werden, während der Sekundärkolben, angetrieben durdh die Kurbelwelle 12, zum Primärkolben 14 hin zurückkehrt. Dieser Art der Steuerung enthält eine selbsttätige Regelung insofern, als jedesmal dann, wenn sich der

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Primärkolben 14 im Zylinder 2 5 weiter als normal nach oben bewegt_t er von der Kurbelwelle eher erreicht und gelöst wird, so daß er auch mit Bezug auf die Drehung der Kurbelwelle eher angehalten wird und deshalb im nächsten Zyklus nicht mehr so hoch fährt.

Der vorbestimmte Abstand zwischen den beiden Kolben 22 und 14, bei welchem die den Primärkolben 14 haltende Klinke 18 gelöst wird, ist einstellbar, und dadurch gewinnt man eine automatische Einstellung des Verdichtungsverhältnisses. Je kleiner der Zwischenabstand der Kolben, desto größer ist das Verdichtungsverhältnis. Diese Steuerungsmöglichkeit ist besonders nützlich bei niedrigen Drehzahlen, wo der Druck wegen der gerinpn Treibstoffladungen verhältnismäßig klein ist und weil im Falle von herkömmlichen Motoren bei niedrigen Drehzahlen längere Zeiten vorhanden sind, während deren Wärmeverluste auftreten, wodurch der thermische Wirkungsgrad weiter gesenkt wird.

Es kann deshalb vorgesehen sein, daß dann, wenn das Gaspedal zurückgeht, der Abstand zwischen den beiden Kolben 14 und 22, bei welchem der Primärkolben 14 gelöst wird, automatisch auf einen kleineren Wert gestellt wird. Die Energie für die Vergrößerung des Drucks in der Energiespeicherkammer 3 stammt von der Kurbelwelle 12, wie dies auch bisher bei Kolbenm-otoren der Fall ist.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips mit innerem ballistischen Kolben bei einem bekannten Kolben motor wird nachstehend an Hand von Fig. 3 und 4 näher erläutert. Fig. 3 zeigt zwei Zylinder loo und

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Io2 eines herkömmlichen Kolbenmotors. In den Zylindern gleiten nicht gezeigte Kolben, die mit Pleueln Io4 und Io6 verbunden sind. Das Pleuel I06 ist gelenkig mit einem Kurbelarm I08 verbunden, der drehfest an einer zentralen Welle Ho befestigt ist, Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich, sitzt ein Innenring 112 eines insgesamt mit 114 bezeichneten Freilaufs koaxial und drehbar auf der Welle Ho. Der Außenring 116 des Freilaufs 114 ist durch Stifte 118 an einer feststehenden Halterung 12o verankert.

Der Außenring 116 des Freilaufs ist mit einer Verzahnung 122 versehen, in die eine Klinke 124 eingreifen kann. .Die Klinke 124 ist um die Mittelachse 126 eines Lagerbolzens 128 schwenkbar, welcher fest in einer auf die zentrale Welle Ho drehfest aufgekeilten Klinkenhalterung sitzt. Ein inneren Nocken 13 2 ist über Stifte 134 mit dem Innenring 112 des Freilaufs verbunden. An der Klinke 124 ist eine innere Rolle befestigt, die auf dem inneren Nocken 132 läuft und die Klinke 124 in der vorbestimmten Winkelstellung aus der Verzahung 122 löst. Eine ständig rotierende Energiespeichertrommel 138,ist an ihrem Umfang mit einem weiteren, äußeren Nocken 14o versehen. Eine an der Klinke 124 befestigte äußere Rolle 142 läuft auf dem äußeren Nocken 14o und löst die Klinke 124 von der Verzahnung 122 in der vorbestimmten Drehwinkelstellung des äußeren Nockens. Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Energiespeichertrommel 138 fest verbunden mit einem Paar äußerer radialer Kolben 144. Mit der zentralen Welle Ho ist eine innere Nabe verbunden, welche fest mit sich radial nach außen erstreckenden flügeiförmigen Kolben 148 versehen ist,

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. ze—

die dichtend an der inneren Umfangswand der ständig rotierenden Trommel 138 gleiten. In ähnlicher Weise gleiten die äußeren radialen Kolben 144 an der Nabe 146. Die radialen Kolben 148 und 144 unterteilen den zylindrischen Innenraum der Trommel 138 in vier Energiespeicher-' kammern.

Drei der genannten Speicherkammern sind in der Zeichnung dargestellt und mit 138a, 138b und 138d bezeichnet. Die Energiespeichertrommel 138 ist außerdem mit einem Zahnrad 15o verbunden oder ausgebildet, welches ein drehfest auf einer Abtriebswelle 154 sitzendes Zahnrad 152 antreibt. Außerdem ist die Energiespeichertrommel 138 mit Einlaßöffnungen 157 und daran angebrachten Rückschlagklappen 156 versehen» Diese Rückschlagventile sorgen dafür, daß die Speicherkammern bei größtmöglicher Expansion auf dem atmosphärischen Druckniveau der Umgebung gehalten werden. Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich, greift die Klinkenhaiterung 13o mit einem daran angebrachten Zapfen 158 in ein Langloch bzw, einen Schlitz 16o im inneren Nocken 132 ein.

wenn der Kolben im Zylinder Io2 während des Betriebs den Arbeitshub des Viertaktverfahrens ausführt, wird das Pleuel Io6 nach oben gedrückt und bewirkt dadurch, daß sich die zentrale Welle Ho entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Damit dreht sich auch die Nabe 146 mit den daran ansetzenden radialen Kolben 148 entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei das Luftvolumen in der Speicherkammer 13 8a und der dieser gegenüberliegenden, in Fig. 3 nicht dargestellten Speicherkammer komprimiert wird. Der Kolben im Zylinder Io2 bewegt sich dann in axialer Richtung völlig frei in ähnlicher Weise, wie sich der Kolben 14 gemäß Fig. 2 gegen den Druck in der Speicherkammer

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3 bewegt. Der Druckanstieg in der Speicherkammer 138a und der gegenüberliegenden Speicherkammer übt ein Drehmoment auf die Trommel 138 und von dort aus über die Zahnräder 15o, 152 auch auf die Abtriebswelle 154 aus. Da die zentrale Welle Ho in dieser Phase sehr viel schneller rotiert als die Trommel 138, entsteht in den Speicherkammern ein so hoher Druck, daß er die zemrrale Welle Ho anhält und bestrebt ist, sie in umgekehrter Richtung zu dreheni Sobald die zentrale Welle Ho in umgekehrter Richtung umläuft, dreht sich auch die mit ihr verbundene Klinkenhaiterung 13o rückwärts. Dadurch bewegt sich der an der Klinkenhalterung 13o angebrachte Zapfen 158 im Uhrzeigersinn im Schlitz 16o des inneren Nockens 13 2.

Die Relativbewegung zwischen der Klinkenhalterung 13o und dem Nocken 13 2 kommt deshalb zustande, weil der letztere fest mit dem Innenring 112 des Freilaufs 114 verbunden ist. Der Außenring 116 des Freilaufs 114 ist starr mit der festen Halterung 12o verbunden. Der Nocken 132 kann sich deshalb nur in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn drehen, die Drehbewegung im Uhrzeigersinn wird durch den Freilauf 114 verhindert. Die Relativbewegung des inneren Nockens 132 mit Bezug auf die Klinkenhalterung 13o führt zum Lösen der "inneren Rolle 136, woraufhin sich die Klinke 124 senkt und in die Verzahnung 122 des äußeren Rings 116 des Freilaufs 114 eingreift. Die Drehung der zentralen Welle Ho im Uhrzeigersinn bleibt also auf den Weg begrenzt, den der Zapfen 138 an der Klinkenhalterung 13o inifcrhalb des Schlitzes bzw. Langlochs 16o ausführen kann, denn, wie oben erklärt, kann der innere Nocken 132 nicht im Uhrzeigersinn umlaufen. Die zentrale Welle Ho und deshalb auch die

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mit ihr verbundenen radialen Kolben 148 bleiben also in der erreichten Stellung stehen, bis infolge der Weiterdrehung der Trommel 138 und der mit dieser verbundenen , radialen Kolben lH¹» der Zeitpunkt gekommen ist, wo der Druck in den Speicherkanunern 138d und 138b größer wird als in der Speicherkammer 138a und der dieser gegenüberliegenden Speicherkammer.

Die zentralle Welle Ho beginnt dann wieder, sich entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen. Die Klinke 124 ist in dieser Phase abgesenkt und greift in die Verzahnung 122 am äußeren Ring 116 des Freilaufs 114 ein. Die Drehung der zentralen Welle Ho wird deshalb wieder angehalten, bis der äußere Nocken 14o an der Trommel 138 die äußere Rolle 142 anhebt und dadurch die Klinke 124 aus der Verzahnung 122 löst. Dadurch kommt die Welle Ho frei und kann nunmehr in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen. Der Zapfen 158 an der Klinkenhalterung 13o bewegt sich daraufhin im Schlitz 16o ebenfalls in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn, während die Klinke 124 weiterhin durch den äußeren Nocken 14o und die äußere Rolle 142 gehalten wird. Nunmehr werden sowohl der innere Nocken 132 als auch der Innenring 112 des Freilaufs 114 durch die beiden radialen Kolben 148 beschleunigt.

Die Beschleunigung, und damit auch die kinetische Energie, welche die zentrale Welle Ho und die mit ihr verbundenen Pleuel erreichen, hängen von dem Zeitpunkt ab, bei dem der äußere Nocken 14o über die äußere Rolle 142 die Klinke 124 freigibt. Durch Steuerung dieses Zeitpunkts kann das Verdichtungsverhältnis der Zylinder Io2 und loo gesteuert werden· Zu diesem Zweck kann z.B. in einer nicht/gezeigten Ausführung der äußere

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Nocken 14ο als zentrales Glied eines Differentials rotierend angetrieben werden, wobei das eine äußere Glied des Differentials durch die Trommel antreibbar ist, während das zweite äußere Glied des Differentials eine Steuerbewegung in Funktion der Stellung des Gaspedals ausführt. Somit hängt dann der Zeitpunkt des Lösens der Klinke von der Stellung des Gaspedals ab. Selbst ohne diese Steuerung stellt sich jedoch das Verdichtungsverhältnis bei magerem Gemisch automatisch auf höhere Verdichtung ein· Die kinetische Energie der mit der zentralen Welle Ho verbundenen radialen Kolben 148 und Pleuelstangen Io6, Io4 wird durch die Schwungradwirkung des Motors erzeugt und danach vollständig dafür verbraucht, die Brenngase aus dem Zylinder Io2 auszustoßen und das Treibstoff-Luft-Gemisch im Zylinder loo zu komprimieren. Mit der Verbrennung des Treibstoffs im Zylinder loo wird dann der vorstehend beschriebene Vorgang wiederholt, und es ist ersichtlich, daß man bei der gezeigten Anordnung für zwei mit gegenseitig verschobenem Zeittakt arbeitende Zylinder nur eine einzige Trommel braucht.

Obgleich es den Anschein hat, daß der Ersatz der herkömmlichen Kurbelwelle durch die zusätzliche Anordnung nach Fig. 3 und 4 eine Komplizierung bedeutete müssen daneben noch andere Faktoren berücksichtigt werden= Da die neue Konstruktion den thermischen Wirkungsgrad verbessert, wird zur Erzielung derselben Leistung weniger Treibstoff verbraucht, und deshalb kann die Größe der Zylinder verringert werden. Weiterhin können auch die Kapazität des Kühlsystems und die Größe des Treibstofftanks kleiner ausgelegt werden» Die Komplizierung durch die erfindungsgemäß vorgesehenen zusätzlichen Teile

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zwischen den Pleuelstangen der Axialkolben und der Abtriebswelle wird deshalb insgesamt mehr als ausgeglichen durch Vereinfachung und Verkleinerung anderer Teile des Motors.

Ein weiterer Vorteil der neuen Brennkraftmaschine mit ballistisch bewegtem Kolben ist deren geschmeidiger Lauf, der darauf zurückzuführen ist, daß die Abtriebswelle nicht mehr direkt mit den vom Druck in den Brennräumen beaufschlagten Kolben verbunden ist. Es ist vielmehr in den Leistungsstrang eine elastische Kupplung in Form eines Luftkissens eingeschaltet. Es kann deshalb im Einzelfall durchaus möglich sein, die Zahl der Zylinder eines Motors zu verringern, ohne dabei an Laufruhe und Geschmeidigkeit zu verlieren. Wegen der freien Beweglichkeit der Kolben in den Zylindern wird auch ein geringerer Verschleiß an der Zylinderwand, vor allem im vorderen Teil des Zylinders, wo hohe Temperaturen die Hauptursache des Verschleisses sind, erwartet. In ähnlicher Weise wird auch wegen der niedrigeren Temperaturen des Kolbens dessen Verschleiß herabgesetzt werden können.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 bis 8 illustriert die Anwendung der Erfindung bei einer insgesamt mit 2o9 bezeichneten Brennkraftm-aschine mit drei Rotoren, die in der US-Patentanmeldung 719 664 vom 1.9.1976 näher beschrieben ist· Die Brennkraftmaschine 2o9 ist erfindungsgemäß mit einer oberen Energiespeichertrommel und einer unteren Energiespeichertrommel 211 versehen, die an gegenüberliegenden Enden am Motorengehäuse 212 befestigt sind·

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Die gezeigte Kraftmaschine ist im wesentlichen symmetrisch zu einer mittleren,, mit 214 bezeichneten Einheit aufgebaut und besteht außer dieser aus einem oberen und einem unteren Teilo Beide Teile haben jeweils eine mit konstanter Geschwindigkeit umlaufende Trommel 216 b^w. 217, die drehfest mit einer Abtriebswelle 22o verbunden sind. In den Trommeln 216 und 217 ist ein oberer bzw. unterer innerer Rotor 222 bzw, 2 23 drehbar montiert. Die Rotoren 222 und 2 23 haben jeweils ein Paar sich radial nach außen erstreckende, innere Kolben 2 2 4 und 22 Im Umfangsbereich zwischen den beiden radialen Kolben jedes inneren Rotors sind die Trommeln 216 und 217 mit einem Paar sich radial nach innen erstreckender Kolben versehen, die nicht gezeigt sind₉ aber in der genannten US-Patentanmeldung detailliert beschrieben sind.

Die Funktionsweise der verschiedenen sich radial erstreckenden Kolben wird nachstehend an Hand Fig. 8 näher erläutert. Diese Zeichnungsfigur zeigt schematisch den Bewegungsablauf der wesentlichen Teile des Motors während des Betriebs im Zusammenwirken mit der oberen und unteren Energiespeichertrommel. Die beweglichen oberen und unteren Teile der mit drei Rotoren versehenen Brennkraftmaschine 2o9 werden außerdem nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 7 noch näher erläutert, wo die mittlere, verbindende Einheit 214, zum Zwecke der Klarheit teilweise abgebrochen, dargestellt ist. Die Einheit 214 enthält ein Differentialgetriebe, welches zwischen den oberen und unteren inneren Rotor der Drei-Rotor-Brennkraftmaschine 2o9 geschaltet ist.

Im mittleren Teil sind eine obere und eine untere Lagerplatte 226 und 22 7 fest mit der Abtriebswelle 2 2o verbunden und rotieren zusammen mit den Trommeln 216 und

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217, die fest mit einer mittleren Buchse 22 8 verbunden sind· Mit den inneren Rotoren 222 und 223 sind ein oberes bzw .ein unteres Ritzel 23o und 231 drehfest verkeilt, die frei um die Abtriebswelle 22o drehen. Zwischen der unteren Lagerplatte 227 und der oberen Trommel 216 sind drei obere .Planetenräder 232 drehbar gelagert. In entsprechender Weise sind zwischen der oberen Lagerplatte 226 und der unteren Trommel 217 drei untere Planetenräder 233 drehbar gelagert.

Die Planetenräder 232 und 233 stehen mit den Ritzeln 23o bzw. 233 in Eingriff, und im Bereich zwischen der oberen und der unteren Lagerplatte 226 und 227 stehen die Planetenräder der beiden Planetenradsätze 2 32 und 233 auch miteinander in Eingriff. Eine Drehbewegung des oberen inneren Rotors 222 in der oberen Trommel 216 im Uhrzeigersinn läßt während des Betriebs den unteren inneren Rotor 222 in der unteren Trommel 217 in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn drehen und umgekehrt.

Die verbindende mittlere Einheit 21t benutzt somit die Trommeln und Lagerplatten, die fest mit der Abtriebswelle verbunden sind, als einen Drehpunkt. Wenn deshalb an dem einen inneren Rotor ein Antriebsdrehmoment angreift, während der andere Rotor an einer Drehung gehindert wird, wirkt auf die Abtriebswelle ein Drehmoment, welches doppelt so groß ist wie das an dem einen inneren Rotor angreifende Antriebsdrehmoment. Wenn dagegen auf den einen inneren Rotor ein Drehmoment ausgeübt wird, während der andere innere Rotor frei drehen kann, wird auf die Abtriebswelle 22o kein Drehmoment übertragen, sondern die gesamte Antriebsenergie wird in kinetische Energie der beiden drehenden Rotoren umgewandelt.

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Für die Erfindung ist wesentlich, daß in dieser Phase die Bewegung der beiden inneren Rotoren lediglich durch die inneren Druckkräfte bestimmt wird und nicht durch eine mechanische Verbindung entweder mit der Abtriebswelle oder dem jeweils anderen inneren Rotor, so daß der Motor die Eigenschaften einer Brennkraftmaschine mit ballistisch beschleunigten Kolben erhält.

Zusätzlich stellt die in Fig. 7 gezeigte mittlere, verbindende Einheit 214 eine robuste Konstruktion dar, die beliebige relative Drehwinkelstellungen zwischen dem oberen und unteren inneren Rotor zuläßt. Diese Einheit ist deshalb in der Lage, einen relativen Drehwinkel von 2 7o° zwischen den beiden inneren Rotoren herzustellen, wie er für die Umkehr der inneren Rotoren erforderlich ist, wenn eine Energiespeichertrommel gemäß nachstehender Beschreibung benutzt wird.

Zur näheren Beschreibung der mit 21o bezeichneten Energiespeichertrommel wird auf Fig. 6 Bezug genommene Wie dort gezeigt, erstreckt sich ein Teil 24o des oberen inneren Rotors 222 nach oben und ist mit dem Innenring 242 eines Freilaufs 2 5o fest verbunden. Der äußere Ring 2 44 des Freilaufs 25o ist mit einem Drehkolben in Form zweier sich radial erstreckender flügeiförmiger Kolben 246 fest verbunden, die mit Dichtungselementen 248 und 252 versehen sind und innerhalb der Energiespeichertrommel 2Io rotieren.

Die Energiespeichertrommel 21o ist selbst auch mit zwei flügeiförmigen, sich radial nach innen erstreckenden Kolben 254 ausgebildet, die am Außenring des Freilaufs 2So dichtend gleiten. Die Trommel 21o ist mit dem oberen T@il des Gehäuses 212 starr verbunden« Sie begrenzt

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zusammen mit den flügeiförmigen Kolben 246 und 254 Vier Energiespeicherkammern 260. Wie in der US-Patentanmeldung 719 664 näher beschrieben, wirken Auslaßschlitze
262 und Einlaßschlitze 263 im Gehäuse 212 mit Kammeröffnungen 261 in der oberen Endwand der oberen Trommel 216 beim Arbeitsverfahren der Drei-Rotor-Brennkraftmaschine 2o9 zusammen·

Ober der Energiespeichertrommel 21o ist ein Klinkengesperre 27o vorgesehen. Hierzu ist eine Klinkenhalternabe 271 fest mit dem oberen Teil 2Ho des oberen inneren Rotors 222 verbunden· Die Klinkenhalternabe 271 trägt über einen Lagerbolzen 277 verschwenkbar eine Klinke 272.

Ein Zapfen oder Vorsprung 278 an der Abtriebswelle 22o erstreckt sich durch einen Schlitz 279 in einer Buchse 2 80, welche an einem sich radial erstreckenden Arm 274 einen Haken 28 2 trägt, der mit einer Rolle 273 an der
Klinke 272 in Eingriff zu bringen ist. Die Klinke 272
rotiert in einer Nebentrommel 276 der Energiespeichertrommel 2I0. Diese Nebentrommel ist auf der Innenseite mit einer Verzahnung 275 ausgebildet. Das Klinkengesperre 27o funktioniert im Prinzip so, daß es den oberen inneren Rotor 222 bis zu einem bestimmten Augenblick festhält.

Die Funktion des Klinkengesperres ist bei dem Drei-Rotor-Motor ähnlich wie im Zusammenhang mit den Ausführungen nach Fig. 2 bzw, Fig. 3 und 4 beschrieben.

Wenn sich während des Betriebs der innere Rotor 222 im Uhrzeigersinn dreht, rotiert auch der mit dessen oberen Teil 24o verbundene Innenring 242 des Freilaufs 2 5o
in dieser Richtung und nimmt die inneren radialen Kolben

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246 in der Energiespeichertrommel 21o mit, bis das Luftvolumen darin so stark komprimiert ist_? daß die Kolben 246 ihre Drehrichtung ändern und den inneren Rotor 222, 24o in Vorwärtsrichtung zu drehen versuchen. Die in die Verzahnung 275 eingreifende Klinke 272 hält diese Drehbewegung an. Die Abtriebswelle 22o_D welche durch aufeinanderfolgende Arbeitshübe der Drei-Rotor-Brennkraftmaschine 2o9 ständig in Vorwärtsrichtung, d.h» im Beispielsfall entgegen dem Uhrzeigersinn, angetrieben wird, drückt über den sich durch den Schlitz 2 79 erstreckenden Zapfen oder Vorsprung 278 den Haken 282 unter die Rolle 273 an der Klinke 272. Durch diese Bewegung wird die Klinke 272 aus der Verzahnung 275 gelöst, und damit wird auch der innere Rotor 222 und alle mit ihm verbundenen Teile gelöst.

Um den ballistischen Effekt der Energiespeichertrommel und ihrer Verbindung mit der Drei-Rotor-Brennkraftmaschine näher zu erläutern, wird im folgenden auf Fig. 8 Bezug genommen. Dort sind sechs im Arbeitsablauf aufeinanderfolgende Stellungen der Kauptteile der Drei-Rotor-Brennkraftmaschine und der Energiespeicherkammer gemäß der Erfindung gezeigt. Die Relativbewegung der sich radial erstreckenden Kolben während des Viertakt-Arbeitsverfahrens des Otto-Motors ist durch Pfeile und gestrichelte Linien angedeutet. Die radialen Kolben in der oberen Trommel nehmen z.B. aufeinanderfolgend die Stellungen ein, die in den Teilansichten 8a, b, c, d,e, f, a usw. gezeigt sind. Gleichzeitig nehmen die radialen Kolben in der unteren Trommel die Stellungen entsprechend den Teilansichten nach Fig. 8d, e, f, a_t b, c, d usw. ein.

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Die abgebrochen gezeichnete Schnittansicht jeweils oben rechts neben den Querschnitten durch die Arbeitstrommeln zeigen die zugehörige Stellung der Hauptteile der Energie speichertrommel 21o. Die gepunkteten Linien sollen die mechanische Verbindung zwischen bestimmten Teilen der jeweils zugeordneten Schnittansichten andeuten. Dabei ist gezeigt, daß der innere Rotor der Brennkammer über den Freilauf 25o mit dem inneren Rotor bzw, Drehkolben der Energiespeichertrommel verbunden ist, wie dies auch in Fig. 6 detailliert dargestellt ist.

Wenn der innere Rotor der Brennkammer im Uhrzeigersinn rotiert, nimmt er die radialen Kolben 246, 246 in der Energiespeichertrommel mit. Dadurch wird in der mit A bezeichneten Kammer zwischen den radialen Kolben 246 und den an der feststehenden Trommel 2Io angebrachten Kolben 2 54 Luft komprimiert. Der Druckaufbau zwischen den radialen Kolben 246 und 254 verwandelt die kinetische Energie des Rotors 222 in potentielle Energie in der Kammer A. Wenn dann der innere Rotor 222 versucht umzukehren, wird er durch ein in Fig. 8 nur schematsich angedeutetes Klinkengesperre, bestehend aus einer Klinke 3o2 und einer Verzahnung 3o4, gefangen. Die tatsächliche Konstruktion solch eines Klinkengesperres ist in Fig. gezeigt.

Unter der Annahme, daß die radialen Kolben in der oberen Arbeitstrommel die Stellung gemäß Fig. 8a einnehmen, ist ersichtlich, daß das Klinkengesperre 3o2, 3o4 die inneren radialen Kolben daran hindert, in Vorwärtsrichtung, also im Beispielsfall entgegen dem Uhrzeigersinn, zu drehen. Die äußeren radialen Kolben 225, 225* und die Abtriebswelle 22o rotieren mit konstanter Geschwin-

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digkeit in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn. Der Bildausschnitt gemäß Fig. 8a stellt den Augenblick dar, in dem der innere Rotor 222 von der Klinke 3o2 freigegeben wird.

Die vier Kammern, welche in der Zeichnung mit I, II, III und IV bezeichnet sind, gehen in diesem Augenblick vom Zustand des Ansaugens, der Kompression, der Explosion und des Ausstoßens über in Kompression, Explosion, Ausstoßen bzw. Ansaugen. Das Lösen des inneren Rotors 222 der Brennkammer gemäß Fig. 8b läßt ihn sich in Vorwärtsrichtung, d.h. entgegen dem Uhrzeigersinn, bewegen. Er erhält weiteren Schwung von dem komprimierten Luftvolumen in der Kammer A, welches gegen den Drehkolben 246 der Energiespeichertrommel 21o, der über den Freilauf 25o mit dem inneren Rotor 2 22 verbunden ist, drückt.

In dieser Phase gibt die Energiespeichertrommel die im Zeitintervall,welches in Fig. 8a und 8b dargestellt ist, gespeicherte Energie wieder ab. Dasselbe Maschinenteil (nämlich der innere Rotor 222) wird ein Reaktionsglied, welches in diesem Zeitintervall den Gesetzen der inneren Ballistik gehorcht·

Nachdem die Klinke 3o2 den inneren Rotor 222 freigegeben hat, wird demnach das Paar innerer radialer Kolben 2 24 in der Brennkammer, welches nunmehr frei rotieren kann, durch den Druck in der Kammer II, der durch die Verbrennung des Treibstoffs erzeugt worden ist, sowie durch den gespeicherten Druck in der Speicherkammer A der Energiespeichertrommel, welcher über den Freilauf 25o übertragen wird ι beschleunigt.

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Unmittelbar vor dem Augenblick des Lösens des inneren Rotors 222 in der oberen Arbeitstrommel gemäß Fig. 8a rotiert der innere Rotor 223 in der unteren Arbeitstrommel, der ebenfalls ein Paar innerer radialer Kolben trägt, gemäß Fig. 8d mit einer genau zweimal so großen Drehzahl wie die Abtriebswelle 22o. In dieser Phase wird eine neue Ladung Treibstoff-Luft-Gemisch in der Kammer I verdichtet. Der innere Rotor 223 dreht sich mit derselben Geschwindigkeit bis zu dem Augenblick weiter, in dem der innere Rotor 222 in der oberen Arbeitstrommel gelöst wird. Wegen der Verbindung der beiden inneren Rotoren 222 und 223 über das Differentialgetriebe 214 gemäß Fig. 5 ist der Winkel zwischen den radialen Kolben der Kammer II gemäß Fig. 8a genau gleich dem Winkel zwischen den radialen Kolben der Kammer I gemäß Fig. 8d.

Nach dem Lösen des inneren Rotors gemäß Fig. 8a verkleinern sich diese Winkel während desjenigen Zeitraums, den der innere Rotor 222 in der oberen Arbeitstrommel braucht, um vom Ruhezustand auf die Drehzahl der Abtriebswelle 22o zu beschleunigen, und den der innere Rotor 223 in der unteren Arbeitstrommel braucht, um seine Geschwindigkeit von der doppelten Drehzahl der Abtriebswelle 22o auf genau deren Drehgeschwindigkeit zu verlangsamen. Zu diesem Zeitpunkt beginnen beide Kammern, ihr Volumen zu vergrössern, und zwar immer im gleichen Maße, so daß der Winkel zwischen den radialen Kolben in beiden Kammern weiterhin gleich bleibt.

Während des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens vergrößert sich das Volumen der Kammer I gemäß Fig. 8d sehr schnell dadurch, daß sich der äußere Kolben in Richtung entgegen

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dem Uhrzeigersinn bewegt. Dieselbe Vergrößerung des Volumens findet in der Kammer II gemäß Fig«, 8a statt, wo der innere Rotor auf eine hohe Drehgeschwindigkeit beschleunigt· Es sollte jedoch beachtet werden, daß der in Fig. 8e gezeigte innere Rotor, sobald er beginnt, sich im Uhrzeigersinn zu bewegen, Über den Freilauf 2 5o mit dem inneren Rotor der Energiespeicherkammer in Eingriff kommt.

Während sich die radialen Kolben, welche die Kammer A begrenzen, einander nähern, findet in dieser Kammer ein Druckanstieg statt, Daraufhin kommen die inneren Rotoren sowohl in der Brennkammer wie auch in der Energiespeichertrommel allmählich zum Halt mit der anschließenden Tendenz, die Drehrichtung zu ändern. In diesem Augenblick werden sie durch das in Fig, 8a schematisch und in Fig. 6 im Detail gezeigte Klinkengesperre festgehalten. Dementsprechend werden die freien inneren Kolben in der oberen Arbeitstrommel unmittelbar nach der Zündung eine hohe Drehgeschwindigkeit erreichen. Da der Winkel in der Kammer II derselbe bleiben muß wie in der Kammer I gemäß Fig. 8e, beginnen die freien Kolben der oberen Arbeitstrommel, ihre Geschwindigkeit zu verzögern, während der Druck in der Kammer A der unteren Energiespeichertrommel ansteigt. In dem Augenblick, wo der innere Rotor in der unteren Arbeitstrommel zum Halt kommt, dreht der innere Rotor in der oberen Arbeitstrommel doppelt so schnell wie die Abtriebswelle gemäß Fig. 8c, wo die Kolben in der oberen Arbeitstrommel dargestellt sind, während Fig. 8f die Kolben in der unteren Arbeitstrommel zeigt. Man beachte, daß der innere Rotor während des Zeitraums zwischen den Stellungen gemäß Fig. Se und 8f durch das Klinkengesperre gehalten wird. Andererseits

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dreht sich die Kammer II der oberen Arbeitstrommel weiter in Vorwärtsrichtung (entgegen dem Uhrzeigersinn), bis sie diejenige Stellung erreicht, wo die neue Ladung in der Kammer I komprimiert wird.

Es ist weiterhin festzustellen, daß in derjenigen Zeitspanne, in welcher der untere innere Rotor festgehalten wird, die Abtriebswelle von beiden Kammern mit gleicher Kraft vorwärts angetrieben wird, nämlich von der Kammer II der oberen Arbeitstrommel und der Kammer I der unteren Arbeitstrommel. Man nehme an, daß in der Stellung nach Fig. 8a eine Kraft F auf jeden radialen Kolben wirkt. Der äußere Kolben erfährt dann eine Kraft -F, da sich der Druck vor ihm befindet; wie jedoch oben erläutert, ergibt sich dann, wenn der obere innere Kolben mit einer Kraft F beaufschlagt wird und der untere Kolben festgehalten wird (Fig. 8d und e), tatsächlich eine Kraft von +2F, die sich auf die Abtriebswelle auswirkt, so daß die Summe der von der Kammer II gemäß Fig. 8b der oberen Arbeitstrommel aus auf die Abtriebswelle wirkenden Kräfte ebenfalls F ist.

Wie in Fig, 8e gezeigt, liefert auch die Kammer I in der unteren Arbeitstrommel eine Kraft +F pro radialen Kolben. Die Abtriebswelle erhält die Kraft +F direkt von der Kammer, weil der Druck dort von hinten auf den inneren Kolben wirkt. Da sich jedoch der innere Rotor der oberen Arbeitstrommel mit voller Geschwindigkeit bewegt, wird keine zusätzliche Kraft vom oberen inneren Rotor auf die Abtriebswelle übertragen. Die Summe der Kräfte, welche die Abtriebswelle vom Druck in der Kammer I gemäß Fig. 8e der unteren Arbeitstrommel erhält, ist demnach

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ebenfalls +F, und die Kammern sowohl der oberen wie auch der unteren Arbeitstrommel wirken zusammen mit einer Kraft von insgesamt +2F auf die Abtriebswelle, Man beachte, daß Fig. 8c mit Fig. 8d übereinstimmt, wodurch angezeigt wird, daß der obere innere Rotor während des nächsten Hubs die umgekehrte Bewegung erfährt, die der untere innere Rotor während des vorangegangenen Hubs ausgeführt hat, wie dies in Fig. 8d, e und f gezeigt worden ist. Gleichzeitig führt der innere Rotor der unteren Arbeitstrommel diejenige Vorwärtsbewegung aus, die der obere innere Rotor während des vorangegangenen Hubs ausgeführt hat, wie in den einzelnen Ansichten der Fig. 8 gezeigt.

Ebenso wie bei dem vereinfachten Ausführungsbeispiel des neuen ballistischen Motors gemäß Fig. 2 hängt auch bei der Drei-Rotor-Brennkraftmaschine nach Fig. 5 das Verdichtungsverhältnis von der zeitlichen Steuerung des Lösens der die inneren Rotoren haltenden Klinken ab. Die Einstellung dieses Zeitpunkts kann z.B. in Funktion der Stellung des Gaspedals eines mit dieser Brennkraftmaschine ausgerüsteten Fahrzeugs gesteuert werden. Selbst ohne besondere Steuerung sorgt der Motor für eine gewisse automatische Regelung des Verdichtungsverhältnisses, da bei kleineren Mengen Treibstoff im Gemisch der in den Kammern erreichte Maximaldruck kleiner ist und deshalb auch nur kleinere Drehwinkel erreicht werden, bevor die Richtung der Bewegung des ballistischen Kolbens umgekehrt wird.

Es sollte bemerkt werden, daß sich die Dnei-Rotor-Brennkraftmaschine von Natur aus für die erfindungsgemäße

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Gestaltung mit ballistisch beschleunigten Kolben besonders eignet. Da die eine Kammer in unendlicher Wiederholung der anderen Kammer folgt, wird der die beiden benachbarten Kammern trennende innere Kolben zum ballistischen Kolben, indem er sich von derjenigen Kammer, in welcher ein Arbeits- bzw. Explosionshub stattfindet, zu derjenigen Kammer bewegt, in welcher ein Verdichtungshub stattfindet. Die letztere Kammer wirkt dann als Energiespeicherkammer für die benachbarte vorhergehende Kammer, so daß eine besondere Energiespeicherkammer nicht benötigt wird. In jeder Kammer findet demnach ein vollständiger Zyklus des 4-Takt-Otto-Motors statt, und während des Verdichtungshubs wirkt jede Kammer auch als Energiespeicherkammer für diejenige Kammer, in welcher der Explosionshub stattfindet.

Die äußere Energiespeicherkammer 260 ist ein zusätzliches Merkmal, welches in Fig. 2 keine Entsprechung hat und erlaubt, daß die Expansion der Brennkammer während des Explosionshubs gleichzeitig sowohl durch die Bewegung des inneren wie auch des äußeren Kolbens stattfindet, um auf diese Weise den thermischen Wirkungsgrad des Motors weiter zu vergrößern.

Während ein Kolbenmotor im Hinblick auf Volumen,Gewicht und mechanischen Wirkungsgrad dem Drei-Rotor-Motor unterlegen ist, läßt sich doch auch bei ihm durch die Erfindung der thermische Wirkungsgrad verbessern.

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Claims (1)

1. 2 B:.: 6

   Patentansprüche

   1. Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Verbessern der Umwandlung von in einem primären Zylinder-' Kolben-Aggregat erzeugter Wärme- und Druckenergie in an einem Abtriebsorgan ab-zunehmende mechanische Energie, dadurch gekennzeichn e t, daß der Primärkolben (14; Io4, Io6j 222, 223) ohne mechanische Verbindung mit dem Abtriebsorgan (12; 154; 22o) im Primärzylinder (1, 2, 3; loo, Io2; 216, 217) fliegend geführt ist und seine Bewegungsenergie auf einen Energiezwischenspeicher (3, 14, 22; 138, 144, 148; 21o, 246, 254) überträgt, welcher mit dem Abtriebsorgan (12§ 154; 22o) verbunden ist,

   2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiezwischenspeicher ein in einem sekundären Zylinder (3; 138) eingeschlossenes Gasvolumen ist, welches einerseits durch den Primärkolben (14) selbst oder einen mit diesem verbundenen Hilfskolben (148) und andererseits durch einen mit dem Abtriebsorgan (12; 154) verbundenen sekundären Kolben (22; 144) begrenzt ist.

   3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärkolben (14) nach Übertragung seiner Bewegungsenergie auf den Energiezwischenspeicher durch eine Arretiereinrichtung (18, 2o) während einer bestimmten Zeitdauer mit Bezug auf den Primärzylinder (1, 2) festlegbar ist.

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   23^0918

   - JHT-

   4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Hub des primären Zylinder-Kolben-Aggregats (1, 2, 14) ein Krafthub ist.

   5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d adurch gekennzeichnet, daß das primäre Zylinder-Kolben-Aggregat (1, 2, 14 { I00-I06) aus mehreren phasenverschoben laufenden Zylinder-Kolben-Einheiten besteht, die mit einem gemeinsamen oder mehreren Energiezwischenspeichern (3, 14, 22j 138, 144, 148) zusammenwirken.

   6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der oder die Primärkolben (14) als auch der oder die Sekundärkolben (22) Axialkolben sind, wobei das Abtriebsorgan (12) eine Kurbelwelle ist.

   7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Primärzylinder durch eine mit dem Primärkolben (14) verbundene Trennwand (16) in zwei Teilzylinderräume (1, 2) unterteilt ist, in denen phasenverschoben Verbrennungsvorgänge nach dem Prinzip eines 4-Takt-0tto- Motors stattfinden.

   8« Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch

   gekennzeichnet daß die Arretiereinrichtung aus einer an der Trennwand (16) außerhalb des Primärzylinders (I₈ 2) ausgebildeten, sich axial erstreckenden Zahnleiste (2o) und einer in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Kurbelwelle (12) und/oder dem Abstand zwischen dem Primär'kolben (1Ό und dem

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   Sekundärkolben (22) gesteuert*Klinke (18) besteht»

   9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Klinke (18 7 zusätzlich in Abhängigkeit von der Drosselklappenstellung eines Hauptsteuerventils steuerbar ist.

   10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
   ein oder mehrere Primärkolben (lot, Io6) in Form von Axialkolben über eine Kurbelwelle (llo) mit einem
   Energiespeicher in Form eines durch zwei relativ zueinander bewegliche, koaxiale Drehkolben (144, 148) begrenzten GasVolumens zusammenwirkt, wobei der
   eine Drehkolben (148) mit der Kurbelwelle (llo) und der andere Drehkolben (144) mit dem Abtriebsorgan
   (154) verbunden ist.

   11. Brennkraftmaschine nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Primärkolben (Io4, Io6) verbundene Drehkolben (148) durch mit einer Nabe (146) verbundene, radial nach außen
   abstehende Flügel (148) gebildet ist, welche an der Innenwand einer zur Nabe (146) koaxialen Trommel (138) dichtend gleiten, und der andere Drehkolben aus mit der Trommel (138) verbundenen, radial nach innen weisenden Flügeln (144) besteht, welche an der Nabe (146) dichtend gleiten,

   12. Brennkraftmaschine nach Anspruch Io,oder 11, da durch gekennzeichnet, daß zwischen dem mit dem Primärkolben (Io4, Io6) verbundenen Dreh-

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   - wr- 283691

   kolben (148) und einem feststehenden Gehäuseteil (12o) ein in Rückwärts-Drehrichtung des mit dem Abtriebsorgan (154) verbundenen Drehkolbens (141) sperrender Freilauf (114) angeordnet ist.

   13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche Io bis 12, dadurc h gekennzeichnet, daß der mit dem Primärkolben (Io4, Io6) verbundene Drehkolben (148) nach der Kompression des Gasvolumens des Energiezwischenspeiohers (138, 144, 148) durch ein Klinkengesperre (122, 124) vorübergehend festhaltbar ist, wobei die Klinke (124) durch eine Steuereinrichtung (14o) zu einem Zeitpunkt lösbar ist, bei welchem sich eine für bestimmte Betriebsbedingungen optimale Kompression im Primärzylinder (loo, Io2) ergibt.

   14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (138) über ein Zahnradgetriebe (15o_s 152) mit einer Abtriebswelle (154) verbunden ist.

   15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre Zylinder-Kolben-Aggregat aus wenigstens einer mit einer Abtriebswelle (22o) verbundenen, diese koaxial umgebenden, eine Brennkammer begrenzenden Trommel (216, 217), einem als Innenrotor dienenden; ersten Drehkolben (222, 223) in Form einer um die Abtriebswelle (22o) drehbaren Nabe mit wenigstens einem radial nach außen abstehenden, an der Innenwand der Trommel (216,217) dichtend gleitenden Flügel

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   (224, 225), einem zweiten Drehkolben in Form wenigstens eines mit der Trommel (216, 217) verbundenen, radial nach innen weisenden, an der Nabe dichtend gleitenden Flügels sowie einem zwischen den Innenrotor (222, 223) und die Trommel (216, 217) eingeschalteten Differentialgetriebe (214) besteht, über welches ein Drehmoment auf die Abtriebswelle (22o) übertragbar ist, wenn sich der Innenrotor (222, 223) injblge eines VerbrennungsVorganges in der Brennkammer mit Bezug auf die Trommel (216, 217) bewegt.

   16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiezwischenspeicher aus einem Gasvolumen besteht, welches einerseits durch eine feststehende Trommel (21o, 211) mit wenigstens einem radial nach innen weisenden, an einer durch den Innenrotor (222, 223) drehbaren Nabe dichtend gleitenden Flügel (254) und andererseits durch einen Drehkolben in Form wenigstens eines an der Nabe ansetzenden, radial nach außen weisenden, dichtend an der Innenwand der Trommel (21o) gleitenden Flügels (246) begrenzt ist.

   17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadu rch gekennzeichnet, daß ein Freilauf (25o) zwischen dem Innenrotor (222, 223) und dem Drehkolben (246) des Energiezwischenspeichers angeordnet ist, welcher diese beiden Teile drehfest verbunden hält, wenn der Innenrotor (222, 223) mit dem Druck der Brenngase in der Brennkammer beaufschlagt wird und wenn das Gasvolumen im EnergieZwischenspeicher (21o, 246, 254) expandiert»

   §09813/0730

   836918

   18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadu rch gekennzeichnet, daß zwischen der feststehenden Trommel (21o, 211) und dem Innenrotor (222, 223) ein Klinkengesperre (272, 275) angeordnet ist, um den Drehkolben (216) des Energiezwischenspeichers vorübergehend an der Drehung in Vorwärtsrichtung zu hindern.

   19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnete daß die Abtriebswelle (22o) mit zwei mit axialem Zwischenabstand angeordneten, je eine Brennkammer begrenzenden Trommeln (216, 217) verbunden ist, die jeweils mit einem Innenrotor (222, 223) zusammenwirken,und zwischen beiden Innenrotoren und der Abtriebswelle ein gemeinsames Differentialgetriebe (214) eingeschaltet ist„

   20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadu rch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Differentialgetriebe (214) zwei zwischen den beiden Trommeln (216, 217) mit axialem Zwischenabstand angeordnete, mit der Abtriebswelle (22o) verbundene Lagerplatten (226, 227) aufweist, jeweils wenigstens auf einer sich zwischen einer der Lagerplatten und der auf der axial gegenüberliegenden Seite angeordneten Trommel (216, 217) erstreckenden Achse ein Planetenrad (232, 233) gelagert ist, und die den beiden Trommeln (216, 217) zugeordneten Planetenräder (232, 233) jeweils im Bereich zwischen den beiden Lagerplatten (226, 227) miteinander und axial ausserhalb derselben mit Ritzeln

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   - w- 28 3631

   (23ο, 231) in Eingriff stehen, welche mit den den Trommeln (216, 217) zugeordneten Innenrotoren (222, 223) verbunden sind.

   21t Brennkraftmaschine nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß axial außerhalb der beiden umlaufenden Trommeln (216, 217) jeweils mit deren Innenrotoren (222, 223) zusammenwirkende Energiezwischenspeicher in Form von innerhalb einer feststehenden Trommel (21o, 211) mit radial einwärts weisenden Flügeln (2540 zwischen diesen und sich radial nach außen erstreckenden, mit den Innenrotoren (222, 223) verbundenen Drehkolbenflügeln (246) eingeschlossenen Gasvolumina angeordnet sind,

   22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 21,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Innenrotoren (222, 223) und den zugeordneten Drehkolben (246) der Energiezwischenspeicher jeweils ein Freilauf (25o) angeordnet ist, der sie drehfest verbunden hält, wenn der Innenrotor (222, 223) mit dem Druck der Brenngase in der Brennkammer beaufschlagt wird und wenn das Gasvolumen im Energiezwischenspeicher expandiert,

   23, Brennkraftmaschine nach Anspruch 22,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den feststehenden Trommeln (21o, 211) und den zugeordneten Innenrotoren (222, 223) jeweils ein Klinkengesperre (272, 2 75) angeordnet ist, um den Drehkolben (246) der Energiezwischenspeicher vorübergehend an der Drehung in Vorwärtsrichtung zu hindern.

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