DE3815122A1

DE3815122A1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: DE3815122A1
Application number: DE19883815122
Authority: DE
Inventors: Karl Cebulj
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-04
Filing date: 1988-05-04
Publication date: 1989-11-16

Abstract

In order to improve the torque and efficiency of an internal combustion engine with pistons rotating in an annular chamber and fixed on a central disc, it is proposed that the pistons be designed exclusively as working and exhaust pistons and that the annular chamber have fresh gas ports, which are connected to separate compressors. This design with preferably a few working pistons results in a high torque and a low engine speed level. Advantageous valve and shut-off valve actuations are also proposed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruches 1.The invention relates to an internal combustion engine according to the General features of claim 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-AS 11 55 286 bekannt. Hierbei sind zwei im Ringraum umlaufende Arbeitskolben vorgesehen, die an einer umlaufenden Scheibe diametral gegenüberliegend befestigt sind. Gemäß dem Viertaktarbeitsverfahren dient ein Kolben während eines Umlaufes zunächst dem Ansaugen mit seiner Rückseite (bezogen auf die Umlaufrichtung), während seine Vorderseite das vom anderen Kolben angesaugte Frischgas gegen einen Trennschieber verdichtet. Nach Durchtritt dieses Arbeitskolbens durch eine Ausnehmung des Trennschiebers wird der Verbrennungsdruck wiederum auf die Rückseite, während auf der Vorderseite des Arbeitskolbens das Abgas ausgeschoben wird.Such an internal combustion engine is from DE-AS 11 55 286 known. Here are two working pistons revolving in the annulus provided that diametrically on a rotating disc are attached opposite. According to the Four-stroke working method is used by a piston during one revolution first the suction with its back (based on the Direction of rotation), while its front side that of the other Piston sucked fresh gas against a slide valve condensed. After this piston has passed through a The combustion pressure becomes the recess of the gate valve turn to the back while on the front of the Working piston the exhaust gas is pushed out.

Damit wird von dieser Brennkraftmaschine durch die beiden Arbeitskolben gemäß dem Viertaktverfahren insgesamt pro Umdrehung ein Arbeitstakt auf die Zentralwelle geleistet. Dies stellt zwar gegenüber der üblichen Viertakthubkolbenmaschine eine theoretische Leistungsverdoppelung dar, jedoch sind zur Erzielung bestimmter Motorleistungen weiterhin relativ hohe Drehzahlen nötig, da gegenüber der Hubkolbenmaschine mit gebräuchlichen 6000 Umdrehungen pro Minute immerhin noch 3000 Umdrehungen pro Minute nötig sind, um bei ansonsten gleichen Kennwerten wie Drehmoment, Verbrennungsgüte usw. die gleiche Leistung zu erzielen.So this engine is powered by the two Total working piston per Revolution performed one work cycle on the central shaft. This compared to the usual four-stroke piston engine represents a theoretical doubling of performance, but Achievement of certain engine outputs continues to be relatively high Speeds necessary because compared to the reciprocating machine usual 6000 revolutions per minute still 3000 Revolutions per minute are needed to be otherwise the same Characteristic values such as torque, quality of combustion etc. are the same To achieve performance.

Bei diesem relativ hohen Drehzahlniveau der genannten Brennkraftmaschine ist von Nachteil, daß die Überschiebeverluste, d. h. Strömungsverluste an den langen und relativen engen Überschiebekanälen von Verdichtungs- zum Verbrennungsraum relativ hoch sind.At this relatively high speed level the above Internal combustion engine is disadvantageous that the Slip losses, d. H. Flow losses at the long and Relatively narrow slide channels from compression to Combustion chamber are relatively high.

Dieser Überschiebekanal umgibt den Ringraum nahezu vollständig und wird bei größeren Arbeitskolben, wie es im Sinne eines höheren Drehmomentes wünschenswert wäre, entsprechend einer Hubraumvergrößerung bei einer Hubkolbenmaschine, ebenso länger, so daß sich die Strömungsverluste erhöhen würden.This slip channel surrounds the annulus almost completely and is used with larger working pistons, as in the sense of a higher torque would be desirable, according to a Displacement increase in a reciprocating machine, just as long, so that the flow losses would increase.

Einer Querschnittsvergrößerung dieses Überschiebekanals steht die Steuerung durch Ringschieber (Drehschieber) entgegen, die durch die Notwendigkeit eines schnellen Öffnens bzw. Schließens des Überströmkanals eine flachen, enge Querschnittsform bedingt. Durch diese letztgenannten Erfordernisse der bekannten Konstruktion ergeben sich erhöhte Arbeitsverluste, die sich insbesondere bei dem oben angesprochenen relativ hohen Drehzahlniveau neben erhöhten Reibungsverlusten nachteilig auf den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine auswirken.A cross-sectional enlargement of this slide channel is available the control by ring slide (rotary slide valve), the due to the need for quick opening or closing of the overflow channel requires a flat, narrow cross-sectional shape. Through these latter requirements of the known Construction results in increased work losses that result especially with the relatively high one mentioned above Speed level in addition to increased friction losses disadvantageously affect the overall efficiency of the internal combustion engine.

Zudem ist nachteilig, daß am Gehäuse der Brennkraftmaschine Wärmeverzug auftreten kann, da eine Hälfte des Gehäuses ständig mit Heißgas, die andere ständig mit relativ kaltem Frischgas beaufschlagt ist dies bedingt zur Verhinderung eines Wärmeverzuges eine sehr aufwendige Kühlung, die wiederum den Wirkungsgrad absenkt. Außerdem ist die Steuerung der Trennschieber über Kegelrädern und Kettengetriebe sehr aufwendig.It is also disadvantageous that the housing of the internal combustion engine Heat distortion can occur because half of the case is constantly on with hot gas, the other constantly with relatively cold fresh gas this is conditional to prevent a Heat distortion is a very complex cooling, which in turn Reduced efficiency. In addition, the control of the Sliding gate over bevel gears and chain gear very complex.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Brennkraftmaschine zu schaffen, die bei relativ geringem Drehzahlniveau ein verbessertes Drehmoment- und Wirkungsgradverhalten erreicht.Accordingly, the invention is based on the object to create such an internal combustion engine, which at relatively low speed level an improved torque and Efficiency behavior achieved.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.This problem is solved by the characteristic features of the Claim 1.

Durch die Trennung von Verdichtungs- und Arbeitsaggregat ergeben sich gesonderte, jeweils auf ihre Aufgabe spezialisierte und gezielt auslegbare Vorrichtungen. So ist die gesamte Brennkraftmaschine bzw. dessen Ringraum auf etwa gleichbleibenden Temperaturniveau, so daß Wärmeverzugserscheinungen sicher ausgeschlossen sind und bei geeigneter Materialwahl z.B. Keramikteile, auf Kühlung weitgehend verzichtet werden kann. Durch die Ausbildung der Kolben ausschließlich als Arbeitskolben kann eine Vielzahl von Arbeitskolben in dem Ringraum angeordnet werden, vorwiegend zwei bis sechs Stück, so daß sich neben einem gleichförmigen Rundlauf ein sehr hohes Drehmoment auf die Scheibenwelle ergibt, dies wird dadurch erreicht, daß z.B. bereits bei zwei Arbeitskolben bei einer Umdrehung auf die Abtriebswelle vier Arbeitstakte abgegeben werden, während bei einer Hubkolbenmaschine für diese vier Arbeitshübe acht Umdrehungen nötig wären, bzw. die entsprechende Zylinderzahl. Damit kann das Drehzahlniveau sehr niedrig gehalten werden, z.B. ergibt sich bereits bei zwei Arbeitskolben eine Halbierung gegenüber dem genannten Stand der Technik und eine Viertelung gegenüber üblichen Hubkolbenmaschinen. Bei vier Arbeitskolben kann damit ein Drehzahlniveau von unter 1000 Umdrehungen bei ähnlicher Leistungsabgabe über einem Hubkolbenmotor mit ca. 6000 Umdrehungen und gleicher Kolbenfläche erreicht werden. Neben der reduzierten Lärmbelastung ergibt sich damit ein verringerter Reibungsverlust bzw. erhöhter Wirkungsgrad.Resulting from the separation of the compression and working aggregates separate, each specialized in their task and selectively designed devices. So is the whole Internal combustion engine or its annulus to about constant temperature level, so that Heat distortion phenomena are safely excluded and at suitable choice of materials e.g. Ceramic parts, on cooling can largely be dispensed with. By training the Pistons solely as working pistons can be a variety of Working pistons are arranged in the annulus, mainly two to six pieces, so that in addition to a uniform concentricity a very high torque on the disc shaft results in this is achieved by e.g. already with two working pistons with one revolution on the output shaft four work cycles are delivered while at a reciprocating machine for this four working strokes eight revolutions would be necessary, or that corresponding number of cylinders. So the speed level can be very kept low, e.g. already results in two Working piston halved compared to the state of the Technology and a quarter compared to usual Reciprocating machines. With four working pistons, one can Speed level of less than 1000 revs at a similar one Power output via a reciprocating engine with approx. 6000 Revolutions and the same piston area can be achieved. In addition to the reduced noise pollution results in a reduced Loss of friction or increased efficiency.

Durch den gesonderten Luftverdichter ist eine spezielle Auslegung auf die Verdichtungsaufgabe möglich. Beispielsweise kann entsprechend dem geforderten Verdichtungsgrad von z.B. 10 Bar die Fremdzündung oder 25 Bar bei Selbstzündung (Diesel) eine mehrstufige Verdichtung mit jeweils für die gewünschte Drucksteigerung geeigneten Verdichtern und gegebenenfalls jeweils dazwischen geschalteter Ladeluftkühlung durchgeführt werden, wobei sich eine sehr hohe Füllung des Ringraumes ergibt. Durch diese Anordnung ist eine Füllung des Brennraumes über strömungsgünstig gestaltete Frischgaskanäle möglich, so daß die Luftfüllung sehr schnell eingebracht werden kann (Rascher Ladungswechsel). Insgesamt ergibt sich bezüglich der Anzahl der bewegten Teile, Leistungsdichte und Rundlauf ein Verhalten ähnlich einer Gasturbine, jedoch mit dem zusätzlichen Vorteil einer unter Abdichtung des Brennraumes verlaufenden und damit wirkungsgradgünstigeren Verbrennung bei niedrigem Drehzahlniveau.Due to the separate air compressor is a special one Can be designed for the compaction task. For example can be according to the required degree of compaction e.g. 10th Bar spark ignition or 25 bar self-ignition (diesel) one multi-stage compression, each with the desired Pressure increase suitable compressors and if necessary Intermediate charge air cooling performed be, which results in a very high filling of the annular space. This arrangement means that the combustion chamber is filled aerodynamically designed fresh gas channels possible, so that the Air filling can be introduced very quickly (faster Charge change). Overall, the number of moving parts, power density and concentricity a behavior similar to a gas turbine, but with the additional advantage one that seals the combustion chamber and thus more efficient combustion at low Speed level.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Insbesondere wird auf die sehr einfache Steuerung der Trennschieber durch ohnehin vorhandene Teile wie die Zentralscheibe mit daran umlaufenden Nocken oder direkt über den Arbeitskolben mittels keilförmiger Anlaufflächen verwiesen, da hierzu keine wesentlich gesonderten Bauteile benötigt werden und diese Art der Trennschiebersteuerung durch die umlaufende Scheibe bzw. deren Kolben sehr kompakt ausgeführt ist.Advantageous refinements are the subject of the dependent claims. In particular, the very simple control of the Slider by existing parts like that Central disc with all-round cams or directly over the Working piston referenced by means of wedge-shaped contact surfaces, because no significantly separate components are required for this and this type of gate valve control by the rotating Disc or its piston is very compact.

Anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beschrieben und erläutert. Es zeigen:Using exemplary embodiments in the drawing Invention described and explained below. Show it:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Mittelebene der Brennkraftmaschine mit drei Arbeitskolben, Fig. 1 shows a cross section through the center plane of the internal combustion engine with three working piston,

Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß Linie I-I in Fig. 1, Fig. 2 is a longitudinal section along line II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie II-II, in Fig. 1, Fig. 3 is a section according to line II-II in Fig. 1,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform gemäß Fig. 3. Fig. 4 shows a further embodiment according to FIG. 3.

Fig. 1 zeigt die Brennkraftmaschine, die im wesentlichen aus einem handelsüblichen Verdichter 16 und dem Arbeitsaggregat besteht. Dieses Arbeitsaggregat ist aufgebaut aus einer Scheibe 1, die an einer Scheibenwelle 2 umläuft und Drehmoment abgibt. Außen am Umfang der Scheibe 1 sind Kolben 3 angebracht, bei diesem Ausführungsbeispiel drei Stück. Diese Kolben 3 laufen in einem Ringraum 6 um, der durch zwei Gehäuseschalen 6 a, 6 b gebildet wird (vgl. Fig. 2). Der Ringraum 6 ist gegenüber der Scheibe 1 mittels Labyrinthdichtungen 1 a abgedichtet. Die auf die Umlaufrichtung der Scheibe 1 und der Kolben 3 bezogene Vorderseite 3 a der Kolben dient zum Ausstoßen der Abgase durch den jeweiligen Auslaßschlitz 5. Die gegenüberliegende Rückseite 3 b des Kolbens ist durch einen Kompressionsring 3 c abgetrennt und arbeitet zur Verbrennung mit einem Trennelement 7 zusammen, das hier jeweils als Schieberhälfte ausgebildet ist. Ebenso könnte eine Walze oder ähnliches als Trennelement 7 zwischen den jeweiligen Brenn- und Ausstoßräumen dienen. In der oben gezeigten Stellung des Kolbens 3 wird über einen Frischgaseinlaßkanal Frischgas (Gemisch oder Luft) eingepreßt. Daraufhin wird, wie in der um einige Winkelgrade weiterverdrehte Stellung rechts unten gezeigt, durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 8 und eine Zündvorrichtung 9 etwa zeitgleich oder kurz aufeinanderfolgend die Verbrennung ausgelöst. Daraufhin ergibt sich wie in der Stellung links unten dargestellt ein sehr hoher Verbrennungsdruck, der den Arbeitskolben 3 in Umlaufrichtung weitertreibt. Auf den Seitenflächen der Scheibe 1 sind hier dem jeweiligen Kolben zugeordnete Nocken 10 vorgesehen, die über Hebel 11 den Trennschieber bzw. die Trennschieberhälften betätigen. Hierzu sind die Nocken 10, die vorteilhafterweise als Rollen ausgebildet sind, gegenüber dem Kolben etwas voreilend angeordnet. Fig. 1 shows the internal combustion engine, which consists essentially of a commercially available compressor 16 and the working unit. This working unit is constructed from a disk 1 , which rotates on a disk shaft 2 and outputs torque. Pistons 3 are attached to the outside of the circumference of the disk 1 , three pieces in this embodiment. These pistons 3 circulate in an annular space 6 , which is formed by two housing shells 6 a , 6 b (see FIG. 2). The annular space 6 is sealed off from the disk 1 by means of labyrinth seals 1 a . The front 3 a of the pistons related to the direction of rotation of the disk 1 and the pistons 3 serves to expel the exhaust gases through the respective outlet slot 5 . The opposite rear 3 b of the piston is separated by a compression ring 3 c and works for combustion with a separating element 7 , which is designed here as a slider half. A roller or the like could also serve as a separating element 7 between the respective combustion and exhaust chambers. In the position of the piston 3 shown above, fresh gas (mixture or air) is injected via a fresh gas inlet channel. Thereupon, as shown in the position rotated further by a few angular degrees at the bottom right, the combustion is triggered by a fuel injection device 8 and an ignition device 9 approximately simultaneously or in quick succession. This results in a very high combustion pressure, as shown in the position at the bottom left, which drives the working piston 3 in the direction of rotation. On the side faces of the disk 1 , cams 10 are assigned to the respective pistons and operate the separating slide or the separating slide halves via lever 11 . For this purpose, the cams 10 , which are advantageously designed as rollers, are arranged somewhat ahead of the piston.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine, wobei auf der Scheibenwelle 2 hier oberhalb ein Verdichter 16 angeordnet ist, dessen Verdichtungsgrad von der Scheibenwelle 2 mit angetrieben wird. Über einen gegebenenfalls vorgesehenen Ladeluftkühler 17 wird die stark vorverdichtete Frischluft über die Frischgaskanäle 4 in den Ringraum eingepreßt. Hierbei kann als Steuerung ein aus dem Hubkolbenmotorenbau bekanntes Einlaßventil dienen. Auf der Scheibenwelle ist innerhalb den beiden Gehäuseschalen 6 a, 6 b, die Scheibe 1 mit Labyrinthdichtungen 1 a umlaufend angeordnet. Die Trennelemente 7 werden hier durch zwei Schieberhälften gebildet, die durch den kipphebelartigen Hebel 11 und den jeweiligen Nocken 10 zum Durchtritt der umlaufenden Kolben 3 geöffnet bzw. nach dem Durchtritt wieder geschlossen werden. Dabei werden sie gegebenenfalls durch Rückstellfedern 14, die am Hebel 11 oder am Trennschieber 7 selbst angreifen unterstützt. Des weiteren ist auf der oberen Gehäusehälfte 6 b die Zündvorrichtung 9 und die Brennstoffeinspritzung 8 angeordnet. Fig. 2 shows a longitudinal section through the internal combustion engine, being arranged on the disc shaft 2 herein above, a compressor 16, whose degree of compression is driven by the pulley shaft 2. Via an optionally provided charge air cooler 17 , the strongly pre-compressed fresh air is pressed into the annular space via the fresh gas channels 4 . An inlet valve known from the construction of reciprocating engines can serve as the control. The disk 1 with labyrinth seals 1 a is arranged all around the disk shaft within the two housing shells 6 a , 6 b . The separating elements 7 are formed here by two slide halves which are opened by the rocker arm-like lever 11 and the respective cam 10 for the passage of the rotating pistons 3 or closed again after the passage. They are supported, if necessary, by return springs 14 which engage the lever 11 or the isolating slide 7 itself. Furthermore, the ignition device 9 and the fuel injection 8 are arranged on the upper housing half 6 b .

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf die Trennelemente 7 gemäß der Schnittlinie II-II. Dabei ist der Kolben 3 im Ringraum 6 kurz vor dem Durchtritt durch die Trennschieber dargestellt, während der gleiche Kolben nach dem Durchtritt, also nach dem Passieren der Trennelemente 7 gestrichelt dargestellt ist. Nachdem der Kolben 3 die Abgase durch die Auslaßöffnungen 5 ausgestoßen hat, werden die Trennelemente durch die in Fig. 2 dargestellte Nocken- und Hebelsteuerung schlagartig geöffnet, woraufhin der Kolben passieren kann. Dabei kann durch die Öffnungsbewegung der Trennelemente zeitlich verzögert mit der hier links dargestellten Kipphebelanordnung das etwas versenkt angeordnete Einlaßventil für die Frischgaseinlaßöffnung ebenfalls gleichzeitig mitgeöffnet werden, so daß der Preßlufteintritt unmittelbar nach Passage des Kolbens erfolgen kann. Fig. 3 shows the top view of the separating elements 7 according to the section line II-II. The piston 3 in the annular space 6 is shown shortly before it passes through the separating slide, while the same piston is shown in dashed lines after the passage, that is to say after it has passed the separating elements 7 . After the piston 3 has exhausted the exhaust gases through the outlet openings 5 , the separating elements are suddenly opened by the cam and lever control shown in FIG. 2, whereupon the piston can pass. It can be delayed by the opening movement of the separating elements with the rocker arm arrangement shown here on the left, the somewhat recessed inlet valve for the fresh gas inlet opening, so that the compressed air can enter immediately after passage of the piston.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Trennelemente 7, die hierbei aus Schwenkklappen bestehen. Diese werden durch den Arbeitskolben 3 direkt geöffnet, wobei die Betätigungssegmente und der Kolben 3 keilförmige Anlaufflächen 12 aufweisen. Durch ein Gaspolster 13, das durch Abgasreste gebildet wird, ergibt sich eine Abdämpfung der Anlaufflächen 12, wobei die Trennelemente schlagartig geöffnet und durch Rückstellfedern oder Rückstellmagnete nach Passage des Kolbens schlagartig geschlossen werden. Die Betätigungssegmente 15 können hierbei ebenfalls das oder die Preßlufteinlaßventile und/oder weitere Trennschieber 7 betätigen. Fig. 4 shows a modified embodiment of the separating elements 7 , which consist of swivel flaps. These are opened directly by the working piston 3 , the actuating segments and the piston 3 having wedge-shaped contact surfaces 12 . A gas cushion 13 , which is formed by exhaust gas residues, results in a damping of the contact surfaces 12 , the separating elements being opened abruptly and being closed suddenly by return springs or return magnets after passage of the piston. The actuation segments 15 can also actuate the compressed air inlet valve or valves and / or further slide valves 7 .

Claims

1. Internal combustion engine with pistons attached to a disc, which circulate sealingly in an annular annular space provided with fresh gas supply and exhaust gas outlet openings, for its temporary subdivision into at least one working space separating elements such as slides or the like are provided, which in order to enable the pistons to pass through Carry out a movement essentially perpendicular to the direction of rotation of the pistons, characterized in that the pistons ( 3 ) are designed exclusively as working and exhaust pistons and the annular space ( 6 ) has fresh gas inlet channels ( 4 ) which are arranged with a compressor arranged outside the annular space ( 6 ) ( 16 ) are connected.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the fresh gas inlet channels ( 4 ), seen in the circumferential direction, immediately adjoins at least one fuel injection device ( 8 ).

3. Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that at least one ignition device ( 9 ) immediately adjoins the fuel injection device ( 8 ), seen in the circumferential direction.

4. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that at least two, at least almost simultaneously acting on the disc working piston ( 3 ) are provided.

5. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the separating elements ( 7 ) by levers ( 11 ) and cams ( 10 ) on the disc ( 1 ) are controlled.

6. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the separating elements ( 7 ) are positively controlled by the working piston ( 3 ) itself, the separating elements ( 7 ) and working piston ( 3 ) having wedge-shaped contact surfaces ( 12 ) and the separating elements ( 7 ) Return springs are reset.

7. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that for fresh gas compression at least one of the disc shaft ( 2 ) driven compressor ( 16 ) is provided.

8. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that for fresh gas compression at least one stage Turbocharger is provided.

9. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that for torque or power control Fresh gas pressure is adjustable.