DE3306256A1 - Waermekraftmaschine mit konzentrisch rotierenden kolben - Google Patents

Description

Wärmekraftmaschine mit konzentrisch rotierenden Kolben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Umwandlung von Verbrennungs- (Wärmekraft-)Energie in mechanische (Rotations-)Energie, d.h. eine Wärmekraftmaschine.

Man hat immer wieder versucht, die Nachteile der bekannten Hubkolbenwärmekraftmaschinen, z.B. der Otto- und Dieselmotoren, bei denen der auf- und abgehende Kolben durch die Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgewandelt wird, dadurch zu beheben, daß der bzw. die Kolben direkt in einer Drehbewegung angetrieben werden. Die erfolgreichsten Neuerungen wurden bekanntlich von F.Wankel vorgeschlagen, die aber in der Praxis das Problem der dauerhaften, d.h. wirtschaftlichen Abtrennung des Hochdruckbereichs vom Niederdruckbereich nicht zufriedenstellend meisterten. Weitere Nachteile dieses sogenannten Drehkolbenmotores sind darin zu suchen, daß er nicht eine einfache Drehbewegung ausführt. Der „Wankelmotor" konnte die bewährten Hubkolbenmotoren nicht ersetzen. Auch gelang mit dem „Wankelmotor" keine wesentlich günstigere Energieausnutzung, d.h. keine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber dem Hubkolbenmotor.

In vielen Einsatzbereichen haben insbesondere sogenannte Gasturbinen, z.B. in der Luft- und Seefahrt, Hubkolbenantriebe, bei der Luftfahrt bei einem Einsatz ab einer bestimmten Fluggeschwindigkeit, völlig verdrängen können. Die bekannten Nachteile von Turbinen im Einsatz bei dauernd variablen Geschwindigkeiten, wie sie bei Kraftfahrzeugen typisch sind, sind bis heute nicht in eine wirtschaftlich tragbare Form zu bringen gewesen.

Der hier vorgeschlagenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmekraft direkt in mechanische (Rotations-)Energie unter Vermeidung der bekannten Nachteile ähnlicher Ideen umzuwandeln, indem ein oder mehrere Ringsegmentkolben konzentrisch rotierend von der Wärmekraft angetrieben werden, wobei der Hochdruck- und Niederdruckbereich durch eine oder mehrere, mit einer Aussparung entsprechend dem Segmentkolbendurchmesser, versehene rotierende Ventilscheiben getrennt sind, durch die der bzw. die Kolben im Öffnungszustand hindurchtreten können.

Der bzw. die Ringsegmentkolben sind mit konventionellen, in der Hubkolbentechnik bewährten Dichtringen ausgestattet. Damit diese Kolbenringe den Bereich der Ventilscheiben, ohne sich praktisch auszudehnen, passieren können, bildet die Ebene der Ventilscheibe bzw. Ventilscheiben gegenüber dem Radiusvektor des Drehkolben/Zylindersystems einen Winkel, der in jedem Fall größer als Null ist.

Besonders vorteilhaft ist der Neuerungsgedanke, zur besseren Energieausnutzung bei Anwendung von Lu ft/Brennstoff bzw. bei Brennstoffeinspritzung in komprimierte Luft das ringförmige Segmentkolben/Zylindersystem, das der Kompression dient, von dem System zu trennen, das von dem infolge der Verbrennung sich erhitzende und ausdehnende Gas angetrieben wird.

Dabei sollte das ,,Füllsystem" oder ,,Kompressionssystem" kühler gehalten werden als dos „Antriebssystem".

Der Hubinhalt des ,,Füllsystems" bzw. ,,Kompressionssystems" sollte geringer sein als der des Antriebssystems, damit sich das heiße Gas genügend zur besseren Energieausnutzung entspannen kann.

Da nach der vorgeschlagenen Neuerung vorzugsweise nur rotierende Teile, also keine hin- und hergehenden, eingesetzt werden, ist es zweckmäßig, diese miteinander starr so zu koppeln, daß die Drehgeschwindigkeiten in einem festen, unveränderlichen Verhältnis zueinander stehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll das Ventil bzw. sollen die Ventile aus zwei und mehr Scheiben gebildet werden, die vorzugsweise gegenläufig rotieren, um die Schließzeit nach Durchtritt der bzw. des Kolbens zu verkürzen.

Die Ventilscheibe(n) können nach einem Vorschlag dieser Erfindung auch gleichzeitig neben der Funktion der Trennung des bzw. der ringlörmigen Zylinderräume den Luft- bzw. Gas/ Luftgemischstrom unterbrechen und freigeben.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist, daß die Ringsegmentkolben selbst auch teilweise Ventilfunktionen übernehmen.

Die Schmierung des Systems erfolgt zweckmäßig durch Ausnutzung der Fliehkraft bei der Rotation in Verbindung mit einer Absaugvorrichtung, sodaß ein Schmierfilm zwischen den Kolbenringen erzeugt wird und eine Benetzung aller aufeinander gleitenden Teile mit Schmiermittel gewährleistet ist.

Die besonderen Vorteile der vorgeschlagenen Neuerung liegen darin, daß

— nur konzentrisch, konstant rotierende Teile eingesetzt werden,

— keine Nachjustierung von Ventilspiel und Zündzeitpunkt erforderlich sind,

— der Zündzeitpunkt drehzahlunabhängig gehalten werden kann,

— bei einer Variante der Neuerung das nach der Verbrennung erhitzte Gas sich stärker entspannen kann als bei Otto-, Diesel- oder Wankelmotoren und

— das System zum Ansaugen und Komprimieren auf einem niedrigeren Temperaturniveau gehalten werden kann als das System zum Expandieren und ,,Auspuffen".

Einzelheiten der Erfindung werden an hand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein System mit 2 ringförmigen Segmentkolben und 3 Ventilscheiben.

In Fig. 2 haben sich im selben System gemäß Fig. 1 die Kolben weitergedreht, wobei veranschaulicht wird, wie ein Kolben durch eine Ventilscheibe hindurchläuft.

Fig. 3 des selben Systems zeigt die sich gegenüber Darstellung in Fig. 2 noch weiterbewegten Kolben in der Situation, in der alle Ventilscheiben den Durchtritt freigegeben haben.

Mit Fig. 4 wird der gleichzeitig ablaufende Vorgang des Ansaugens, Komprimierens, Expandierens und „Auspuffens" gezeigt.

Fig. 5 zeigt das Prinzip für 2 getrennten ringförmigen Segmentkolben/Zylindersystemen für Ansaugen und Komprimieren in einem System und Expandieren und Abgasausstoßen im anderen.

Fig. 6 und 7 dienen der ausführlicheren Erläuterung des Systems mit 2 getrennten ringförmigen Segmentkolben/Zylindern.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt eines Ringzylinders mit Kolben, wobei ein Kolben durch eine Ventilscheibe hindurchtritt. Auch ist der Antrieb der Ventilscheibe als Prinzip dargestellt.

Mit Fig. 9 wird die Wirkungsweise eines Ventils erklärt, das aus zwei gegensinnig rotierenden Scheiben besteht.

Fig. 10 soll eine mehr praxisorientierte Ausgestaltung der Erfindung gemäß der Prinzipdarstellung in Fig. 5 bis 7 verdeutlichen.

An hand der detaillierten Beschreibung der Figuren wird der erfinderische Gedanke soweit erläutert, daß ein Fachmann, der mit der Konstruktion von Wärmekraftmaschinen vertraut ist, einen in der Praxis einsetzbaren Bau vornehmen kann.

Fig. 1 veranschaulicht, wie in einem Ringzylinder die beiden Kolben 1a und 1b in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung rotieren. Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch das System, um die Anordnung des Ringzylinders mit einer Ventilscheibe zur Unterteilung des Ringzylinders in die entsprechenden Funktionsbereiche zu verdeutlichen.

2a in Fig. 1 ist die Luft- (bzw. Luftgemisch- bei Vergaserbetrieb) Einlaßöffnung. Der von der Öffnung wegrotierende Kolben 1a saugt Luft (bzw. Gemisch) an. Nähert er sich der senkrecht zur Zeichenebene rotierenden Ventilscheibe 3a, öffnet diese, um dem Kolben den Durchtritt zu ermöglichen. Fig. 8 zeigt die Ventilscheibe mit der Aussparung, durch die der Kolben 1 hindurchtreten kann. Die rotierende(n) Ventilscheibe(n) wird (werden) vom in senkrechter Ebene dazu rotierenden Kolbensystem 1 angetrieben, wie Fig. 8 ebenfalls beispielhaft zeigt.

Die Kolben 1o und 1b, die in den beiden mit den Bolzen 8a .... 8b zusammengeschraubten Zylinderhälften 5a und 5b rotieren, sind durch die Scheibe 6 starr miteinander verbunden. Die Achse 10, die die Rotationsenergie der Maschine weitergibt, ist starr an der Scheibe 6 befestigt. Über das Kegelzahnrad 11a wird 11b und damit die Achse 12 angetrieben. Zahnrad 14, das fest auf der Achse 12 sitzt, treibt 13 und damit die Ventilscheibe 3 an. Die Aussparung 9 der Ventilscheibe 3 ist gerade in einer Stellung, die es dem Kolben 1b erlaubt, senkrecht zur Zeichenebene hindurchzutreten. Ist der Kolben durchgetreten, trennt die Ventilscheibe die entsprechenden Bereiche des Ringzylinders wieder.

Eine Anordnung nach Fig. 9 ermöglicht durch 2 gegenläufig rotierende Scheiben (evtl. mit unterschiedlicher Drehgeschwindigkeit, d.h. Winkelgeschwindigkeit) eine Verkürzung der Öffnungs- und Schließzeit der Ventilscheibe.

Die Nuten 7 sollen lediglich andeuten, daß hierein Dichtring eingelassen ist.

Dreht sich die Scheibe 6 in einem Ölbad und befinden sich Kanäle im Kolben (zeichnerisch nicht erläutert), die einen Ölaustritt vorzugsweise zwischen den Kolbenringen 20a und 20b (Fig. 1) bei Drehung durch Fliehkraft ermöglichen, und ist ein entsprechender Kanal im Kolbenringbereich 20b/20c mit einer Öiriickführungs- (Absaug-)Einrichtung verbunden, ist die Schmierung des ringförmigen Segmentkolben/Zylindersystems gewährleistet.

In Fig. 2 wird die Positions des Kolbens 1a gezeigt, als er gerade durch die Ventilscheibe 3a läuft. Noch während Kolben 1a durch das Ventil 3a hindurchgeht, öffnet sich schon die Ventilscheibe 3b, was Fig. 3 verdeutlicht. Da die Kolben 1a und 1b starr miteinander verbunden sind, öffnet sich bei Annäherung von 1b auch das Ventil 3c. In Fig. 3 wird gezeigt, wie alle Ventilscheiben 3a bis 3c geöffnet sind, während die Kolben 1a und 1b hindurchlaufen.

In Fig. 4 sieht man die Situation, daß die Ventile 3a und 3c wieder geschlossen sind. Kolben 1b saugt nun durch die Öffnung 2a Luft (bzw. Gemisch) an, drückt aber die vorher von 1a angesaugte Luft (bzw. das Gemisch) zwischen Ventilscheibe 3a und Koibenvorderseite 1b zusammen (Kompressionsvorgang). Hat der Kolben 1b die für 1a in Fig. 1 gezeigte Stellung erreicht, öffnet sich für ihn das Ventil 3a. Da 3b noch geschlossen ist, kann die Luft (bzw. das Gemisch) in die Brennkammer 4 gedruckt werden. Wenn alle Ventilscheiben öffnen (Fig. 2 und 3), ist der Brennkammerzugang vom Kolben selbst verschlossen. Erst nachdem Ventil 3a geschlossen ist, wird der Brennkammerzu- bzw. -ausgang vom Kolben wieder freigegeben. In diesem Augenblick (oder schon vorher) wird Brennstoff in die Brennkammer 4 gespritzt und (bzw. das Gemisch) gezündet. Dadurch wird der Kolben, der sich links vom Ventil 3a befindet, angetrieben und vor dem Kolben befindliche Rückstände vom vorhergehenden Verbrennungsvorgang durch den Auslaß 2b aus dem Ringzylinder gedrückt. Ventilscheibe 3b ist möglichst lange geöffnet.

Bei jeder halben Umdrehung des ringförmigen Segmentkolbensystems wird von einem Kolben Luft (bzw. Gemisch) angesaugt und die vorher vom anderen Kolben angesauget Luft (bzw. das Gemisch) komprimiert, während der andere Kolben angetrieben wird und gleichzeitig Verbrennungsrückstände ,,auspufft".

Es ist auch Gegenstand der Erfindung, daß die Ventilscheibenebenen mit dem Radiusvektor des Rotationssystems einen Winkel bilden, der in jedem Fall größer als Null ist, (wie in allen Fig. außer 8, 9 und 10 angedeutet) damit die Kolbenringe 2_0,die konventionell nach dem Stand der Technik in Radiusvektorrichtung ausgerichtet sind, bei Durchgang des Kolbens durch den Schlitz für die Ventilscheibe im Ringzylinder sich nicht sprunghaft ausdehnen können.

Die Ventile bestehen vorzugsweise aus 2 Scheiben, die durch Federkraft zur Abdichtung gegen die Zylinderwanddurchtritte drücken. Man kann auch Federringe so in die Zylinderwände einbauen, daß diese zur Abdichtung gegen die Ventilscheiben drücken. Die Ventilscheiben werden mit einem Dichtring, ähnlich einem Kolbenring, versehen, um die Dichtheit zwischen Ventil und der die Kolben tragenden Scheibe 6 zu übernehmen. Ferner sind Dichtringe 7 zwischen Ringzylinderwand und besagter Scheibe 6, die die Kolben 1 trägt, erforderlich. Diese Dichtungsvorschläge sind nicht Gegenstand dieser Erfindung, da sie dem Stand der Technik entsprechen.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung von 2 Ringsystemen, wobei das System mit Kolben la der Ansaugung von Luft (bzw. von brennbarem Gemisch) über den Eintritt 2a und der Komprimierung in die Brennkammer 4a dient. Das System'mit dem Kolben 1b dient einerseits dem Antrieb des Kolbens 1b durch Druckerhöhung infolge Verbrennung in Brennkammer 4b und übernimmt andererseits die Entfernung von Verbrennungsrückständen aus dem Ringzylinder durch den Austritt 2b. In dieser Anordnung wird nur eine Ventilscheibe 3 benötigt.

Nach Fig. 5 beginnt Kolben 1a Luft (oder Gemisch) durch Öffnung 2a anzusaugen und die bei der vorherigen Umdrehung angesaugte Luft (bzw. das Gemisch) zu komprimieren, die aber noch nicht in die Kammer 4 eingeleitet werden kann, da die Ventilscheibe 3 den Zugang über 21a zur Kammer 4 versprerrt. Die Ventilscheibe 3 trennt im oberen Ringzylindersystem den Ansaugbereich vom Kompressionsbereich und teilt den Ringzylinder des unteren Systems so auf, daß, wenn in Kammer 4 der Druck durch Verbrennung erhöht wird, Kolben 1b angetrieben wird. Die Ventilscheibe 3 gibt nämlich jetzt den Weg zwischen Kammer 4 und Austritt 21b frei. Bei seiner Drehung schiebt Kolben 1b Rückstände von der vorherigen Verbrennung vor sich her durch die Austrittsöffnung 2b aus dem Ringzylinder.

Nach Fig. 6 haben die Kolben 1a und 1b eine Umdrehung fast beendet. Die Ventilscheibe schließt den Durchtritt 21b /ur Kammer 4 und öffnet dann den Durchlaß 21a aus dem

oberen Ringzylindersystem zur Füllung der Kammer 4. Die Ventilscheibe 3 öffnet sich dann, wie Fig. 7 zeigt, für den Durchtritt der Kolben. Haben sich die Kolben 1a und 1b weitergedreht und eine wie Fig. 5 zeigende Stellung erreicht, wiederholt sich der vorher beschriebene Vorgang.

Fig. 10 zeigt eine Variante der Anordnung gemäß Fig. 5 bis 7 als Schnitt. Hier sieht man, daß ein System einen größeren Durchmesser als das andere aufweist. Das ist das „Antriebssystem". Der Hubraum des ,,Antriebssystems" wird vorzugsweise größer gehalten als das des „Ansaug- und Kompressionssystems", damit sich das durch Verbrennung erhitzte Gas in wirtschaftlicher Weise entspannen kann.

Claims (10)

Schutzansprüche

1. System zur Umwandlung von Verbrennungs-(Wärmekraft-)Energie in mechanische (Rotations-)Energie, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Ringsegmentkolben konzentrisch rotierend von der Wärmekraft angetrieben werden, wobei der Hochdruck- und Niederdruck bereich durch eine oder mehrere, mit einer Aussparung entsprechend dem Segmentkolbendurchmesser versehene Ventilscheibe bzw. Scheiben getrennt sind, durch die der bzw. die Kolben im Öffnungszustand hindurch treten können.

2. Verfahren zur Umwandlung von Verbrennungs- (Wärmekraft-)Energie in mechnanische (Rotations-)Energie, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Segmentkolben/ Zylindersystem zur Füllung einer Brennkammer mit einem weiteren Segmentkolben/ Zylindersystem zur Umwandlung der Wärmeenergie in Rotationsenergie, d.h. mit einem „Antriebssystem"gekoppelt ist

3. Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeiten aller rotierenden Teile in einem festen, unveränderlichen Verhältnis zueinander stehen.

4. Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 1 definierten Ventile aus zwei oder mehreren, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotierenden Scheiben bestehen.

5. Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheiben nicht nur der Trennung des ringförmigen Zylinderraums sondern auch der Steuerung des Gasstromes dienen.

6. Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

Ventilscheiben mit dem Radiusvektor des ringförmigen Segmentkolben/Zylindersystems einen von Null abweichenden Winkel bilden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Segmentkolben/Zylindersystem zur Füllung der Brennkammer auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird als das System, das der Umsetzung der Wärme- in Rotationsenergie dient.

8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubinhalt des ringförmigen Segmentkolben/Zylindersystems zur Füllung der Brennkammer geringer als das System zur Umsetzung der Wärme- in Rotationsenergie ist.

9. Anordnung und Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Kolben im ringförmigen Segmentkolben/Zylindersystem auch Ventilfunktionen übernehmen.

10. Anordnung und Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmierung des bzw. der Segmentkolben im ringförmigen Zylindersystem durch Fliehkraft und Absaugwirkung infolge der Rotation aufrecht erhalten wird.

Köln, den 3. Februar 1983

(Walter Rath)