DE3905383A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents
VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem
Kompressor zum Verdichten von Luft, einer an die Druckseite
des Kompressors angeschlossenen Brennkammer, in der einge
leiteter bzw. eingespritzter Kraftstoff mit der vom Kompressor
gelieferten verdichteten Luft verbrennt, sowie einem an den
Ausgang der Brennkammer angeschlossenen, mit dem Kompressor
sowie einem Abtrieb des Motors antriebsverbundenen Expansions
triebwerk, in welchem sich die Verbrennungsgase unter Leistung
mechanischer Arbeit entspannen.
Ein derartiger Verbrennungsmotor wurde bisher als
Gasturbine ausgebildet, wobei das als Turbine ausgebildete
Expansionstriebwerk und die rotierenden Laderschaufeln des
Kompressors auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
Der Vorzug einer Gasturbine liegt darin, daß der Kraftstoff
in der Brennkammer praktisch kontinuierlich bei nahezu
gleichbleibendem Druck und gleichbleibender Temperatur und
dementsprechend bei optimalen Bedingungen abgebrannt werden
kann. Dies hat zur Folge, daß auch bei einem Betrieb mit
Dieselöl oder ähnlichen Kraftstoffen im Abgas kaum brennbare
Bestandteile, wie Ruß oder Rest-Kohlenwasserstoffe, enthalten
sind. Nachteilig an einer Gasturbine ist jedoch der relativ
hohe Preis, weil insbesondere die Turbinenschaufeln sowie die
Laderschaufeln mit höchster Präzision hergestellt werden
müssen, um den hohen Drehzahlen sowie den hohen Temperaturen
beim Betrieb einer Gasturbine standhalten zu können.
Aus diesem Grunde werden Gasturbinen außer im Flugzeugbau
im wesentlichen nur in Kraftwerken zur Erzeugung elektrischer
Energie für den Spitzenbedarf eingesetzt.
Als relativ preiswerte Verbrennungsmotoren stehen im wesent
lichen nur Kolbentriebwerke zur Verfügung, beispielsweise
herkömmliche Dieselmotoren. Hier läuft der Verbrennungsprozeß
jedoch intermittierend im Zylinder bei sehr kurzen Verbrennungs
zeiten ab, wobei Verbrennungstemperatur und -druck unter
Umständen stark wechseln.
Dies hat zur Folge, daß unerwünschte Emissionen von Ruß und
Rest-Kohlenwasserstoffen in Kauf genomnen werden müssen.
Aufgrund aktueller Schätzungen kann davon ausgegangen werden,
daß derzeit die Dieselmotoren von Lastkraftwagen etwa 50 bis
60% der Luftverschmutzungen im Verkehrsbereich erzeugen.
Eine Verbesserung der Abgasemissionswerte der Motoren von
Lastkraftwagen würde also zu einer erheblichen Verbesserung
bei der Luftreinhaltung führen.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor
zu schaffen, welcher sich einerseits durch einfache und kost
günstige Konstruktion auszeichnet und andererseits auch bei
wechselnder Belastung eine Verbrennung des Kraftstoffes unter
annähernd optimalen Bedingungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei
einem Verbrennungsmotor der eingangs angegebenen Art Kompressor
und Expansionstriebwerk als Kolben-Zylinder-Aggregat ausge
bildet sind.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, daß der
Arbeitsprozeß einer Gasturbine grundsätzlich auch mit Kolben
aggregaten durchgeführt werden kann, indem die Brennkammer
mittels eines Kolben-Zylinder-Aggregates mit verdichteter
Luft beliefert wird und die in der Brennkammer erzeugten
Heiß- bzw. Verbrennungsgase in einem Kolbentriebwerk unter
Erzeugung mechanischer Arbeit expandieren können.
Kolbenaggregate sind vergleichsweise preiswert und können
mit heutigen Werkstoffen auch sehr hohen Temperaturen stand
halten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungs
gemäße Verbrennungsmotor als Schwingkolbenmotor ausgebildet.
Dabei kann jeder Kolben des Expansionstriebwerkes mit einem
zugeordneten Kolben des Kompressors mittels einer gemeinsamen
Kolbenstange verbunden sein, welche gleichzeitig als Abtriebs
glied des Motors angeordnet sein kann.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei
vorgesehen, daß Kompressor und Expansionstriebwerk schlitz
gesteuert sind, indem am dem jeweiligen Kolben zugeordneten
Zylinder innerhalb einer vom Kolben in allen Hubstellungen
axial überdeckten Radialebene in Umfangsrichtung nebeneinander
ein Einlaß- sowie ein Auslaßschlitz und am Kolbenumfang ein
zum jeweiligen Kolbenarbeitsraun offener und am anderen Ende
geschlossener Axialschlitz angeordnet sind, welcher durch
Drehung des Kolbens um die Kolbenstangenachse zur Überlappung
mit den Eingangs- bzw. Ausgangsschlitzen bringbar ist, derart,
daß der Axialschlitz während des Einlaßhubes den Einlaßschlitz
und während des Ausstoßhubes den Auslaßschlitz überschneidet.
Hier nutzt die Erfindung die Erkenntnis, daß die Kolben
eines Schwingkolbenmotors ohne weiteres drehbar angeordnet
werden können, derart, daß bei entsprechenden Drehstellungen
des Kolbens ein durch den Axialschlitz des Kolbens und den
Einlaßschlitz des Zylinders gebildeter Einlaßweg bzw. ein
durch den Axialschlitz des Kolbens und den Auslaßschlitz
des jeweiligen Zylinders gebildeter Auslaßweg hergestellt
und der jeweilige Kolbenarbeitsraum abgeschlossen werden
können, indem der Kolben in eine Lage gedreht wird,
in der sich der Axialschlitz des Kolbens längs eines völlig
geschlossenen Wandteiles des jeweiligen Zylinders erstreckt.
Zweckmäßigerweise sind für das Expansionstriebwerk und den
Kompressor jeweils doppeltwirkende Kolben angeordnet, wobei
jeweils der dem einen Kolbenarbeitsraum zugeordnete Axial
schlitz um 180° gegenüber dem dem anderen Kolbenarbeitsraum
zugeordneten Axialschlitz versetzt ist.
Die Kolben können von einem zugeordneten Drehantrieb mit
gleichbleibendem Drehsinn verstellt werden, wobei die Kolben
zwischen den beiden Totpunkten ihrer Hubbewegung jeweils um
180° drehen.
Als Drehantrieb ist ein elektrischer Schrittmotor besonders
geeignet, welcher einen auf der Kolbenstange drehfest ange
ordneten Rotor sowie mehrere axial nebeneinander angeordnete
Statorelemente besitzt, die relativ zueinander in Umfangs
richtung versetzte Magnetfelder zu erzeugen gestatten und
dementsprechend den Rotor und damit die Kolbenstange und die
daran angeordneten Kolben schrittweise drehen, wenn der Rotor
zusamnen mit dem Kolben eine axiale Hubbewegung ausführt.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor eignet sich besonders
gut zur Erzeugung elektrischer Energie, wenn ein Schwinganker-
Generator verwendet wird, wobei sich ein außerordentlich
einfacher Aufbau erzielen läßt, wenn der Schwinganker auf
der Kolbenstange angeordnete scheibenförmige, insbesondere
kreisscheibenförmige, Pole besitzt, die mit seitlich neben
der Kolbenstange angeordneten Statorelementen zusammenwirken.
Die bevorzugt vorgesehene Ausbildung des Verbrennungsmotors
als Schwingkolbenmotor trägt ebenso wie die oben beschrie
bene Ausbildung des Drehantriebes und des Elektrogenerators
dazu bei, daß die Kolben bei ihren Hubbewegungen keinen bzw.
allenfalls nur äußerst geringen Querkräften ausgesetzt sind.
Aus diesem Grunde eignet sich der erfindungsgemäße Motor
besonders gut für einen Aufbau aus keramischem Material.
Damit wird der Vorteil erzielt, daß sehr hohe Brenntemperaturen
zugelassen und dementsprechend besonders gute Wirkungsgrade
erreicht werden können; gleichzeitig kann auf eine Schmierung
verzichtet werden.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung
auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung vorteil
hafter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung verwiesen.
Dabei zeigt
Fig. 1 einen schematisierten Axialschnitt des erfindungs
gemäßen Verbrennungsmotors mit Elektrogenerator,
Drehantrieb und Hubbegrenzung,
Fig. 2 die Arbeitsweise des Expansionstriebwerkes,
Fig. 3 die Arbeitsweise des Kompressors,
Fig. 4 eine Ansicht des Elektrogenerators in Richtung der
Kolbenachse und
Fig. 5 einen Radialschnitt des Expansionstriebwerkes mit
Füllgradsteuerung.
Gemäß Fig. 1 besitzt der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor
zwei doppeltwirkende Kolben-Zylinder-Aggregate 1 und 2,
deren Kolben 3 und 4 auf einer gemeinsamen Kolbenstange 5
angeordnet sind. Das Kolben-Zylinder-Aggregat 1 arbeitet als
Kompressor, welcher verdichtete Luft einer separaten Brenn
kamner 6 zuführt, in der über eine Einspritzleitung 7 zuge
führter Kraftstoff, beispielsweise Dieselöl, kontinuierlich
verbrannt wird. Das Kolben-Zylinder-Aggregat 2 arbeitet als
Expansionstriebwerk, welches von dem aus der Brennkammer 6
austretenden Heiß- bzw. Verbrennungsgasen durchsetzt wird,
wobei sich die Heiß- bzw. Verbrennungsgase unter Leistung
mechanischer Arbeit entspannen. Dabei wird die Hubarbeit des
Kolbens 4 über die Kolbenstange 5 auf den Kolben 3 sowie den
des weiteren auf der Kolbenstange 5 angeordneten Schwinganker
8 eines Elektrogenerators 9 übertragen.
Eine Besonderheit der Kolben-Zylinder-Aggregate 1 und 2 liegt
darin, daß dieselben schlitzgesteuert sind, wobei die Schlitz
steuerung durch eine um die Achse der Kolbenstange 5 drehbare
Anordnung der Kolben 3 und 4 ermöglicht wird und die Kolben 3
und 4 mittels eines elektrischen Schrittmotors 10, dessen Rotor
drehfest auf der Kolbenstange 5 angeordnet ist, kontinuierlich
gedreht werden, und zwar derart, daß die Kolben 3 und 4 zwischen
den Totpunkten ihrer Hubbewegung jeweils eine Drehung von 180°
ausführen.
Zunächst wird die Wirkungsweise des Kolben-Zylinder-Aggregates
2, welches als Expansionstriebwerk arbeitet, anhand der Fig.
1 und 2 erläutert. Dabei zeigt die Fig. 2 einen Radialschnitt
des Kolben-Zylinder-Aggregates 2 entsprechend der Schnittebene
II-II in Fig. 1, wobei jeweils verschiedene Drehstellungen des
Kolbens 4 dargestellt und die jeweils zugeordneten Hublagen
desselben angegeben sind.
Der Zylinder des Kolben-Zylinder-Aggregates 2 besitzt
innerhalb eines vom Kolben 4 axial ständig überlappten
Bereiches einen in Umfangsrichtung erstreckten Einlaßschlitz
11, welcher mit dem Ausgang der Brennkammer 6 verbunden ist,
sowie einen in gleicher Ebene wie der Einlaßschlitz 11
angeordneten Auslaßschlitz 12. Am Kolben 4 sind einander
diametral gegenüber zwei Axialschlitze 13′ und 13′′ am Kolben
umfang angeordnet, wobei der Axialschlitz 13′ zu der in
Fig. 1 linken Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylinder-
Aggregates 2 offen und zur anderen Kolbenarbeitskamner
abgeschlossen ist, während sich der Axialschlitz 13′′ zur
in Fig. 1 rechten Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylinder-
Aggregates 2 hin öffnet und zur linken Kolbenarbeitskammer
abgeschlossen ist. Die Axialschlitze 13′ und 13′′ besitzen
eine hinreichende Länge, derart, daß sie bei entsprechender
Drehstellung des Kolbens 4 die zylinderseitigen Einlaß- bzw.
Auslaßschlitze überschneiden.
In Fig. 2a ist nun die Drehstellung des Kolbens 4 dargestellt,
welche in der in Fig. 1 linken Totpunktlage des Kolbens 4
eingenommen wird.
Der Axialschlitz 13′ überschneidet den Einlaßschlitz 11, so
daß Verbrennungsgase aus der Brennkammer 6 in die in Fig. 1
linke Kolbenarbeitskamner eintreten können.
Gleichzeitig überschneidet der Axialschlitz 13′′ den Auslaß
schlitz 12, so daß die in der in Fig. 1 rechten Kolbenarbeits
kammer aufgenommenen Gase beim nachfolgenden Kolbenhub nach
außen ausgestoßen werden können.
Unter dem Druck der Verbrennungsgase in der in Fig. 1 linken
Kolbenarbeitskammer wird der Kolben 4 in Fig. 1 nach rechts
verschoben, wobei der Kolben 4 gleichzeitig in Fig. 2 im
Uhrzeigersinne gedreht wird.
Aufgrund der Drehung des Kolbens 4 wird die in Fig. 1 linke
Kolbenarbeitskammer gegenüber der Brennkammer 6 sowie nach
außen abgeschlossen, denn der Axialschlitz 13′ verläßt
während des Kolbenhubes den Bereich des Einlaßschlitzes 11,
welcher in Umfangsrichtung des Zylinders relativ kurz
bemessen ist. Die zuvor unter hohem Druck in die in Fig. 1
linke Kolbenarbeitskammer eingedrungenen Verbrennungsgase
aus der Brennkammer 6 expandieren sich nach Abschluß der
genannten Kolbenarbeitskammer von der Brennkammer 6, wobei
der Kolben 4 in Fig. 1 nach rechts verschoben und in die Lage
gemäß Fig. 2b gedreht wird.
Die in Fig. 1 rechte Kolbenarbeitskammer bleibt über dem
Axialschlitz 13′′ weiterhin mit dem Auslaßschlitz 12 verbunden,
so daß das in dieser Kolbenarbeitskammer enthaltene Verbrennungs
gas weiterhin ausgestoßen wird.
Wenn nun der Kolben 4 seinen in Fig. 1 rechten Totpunkt
erreicht, hat der Kolben 4 insgesamt eine Drehung um 180°
ausgeführt und die in Fig. 2c dargestellte Lage erreicht,
bei der der Axialschlitz 13′ den Auslaßschlitz 12 und der
Axialschlitz 13′′ den Einlaßschlitz 11 überschneidet.
Dementsprechend dringen nunmehr die Heiß- bzw. Verbrennungs
gase aus der Brennkammer 6 in die in Fig. 1 rechte Kolben
arbeitskammer ein, während die in der anderen Kolbenarbeits
kammer expandierten Verbrennungsgase nunmehr beim nachfolgenden
Rückhub des Kolbens 4 ausgestoßen werden.
Fig. 2d zeigt nun die Drehstellung des Kolbens 4 in dessen
Mittellage zwischen seinen beiden Totpunkten im Verlauf des
Rückhubes, d.h. der in Fig. 1 nach links gerichteten Hubbewe
gung. Die in Fig. 1 rechte Kolbenarbeitskammer ist gegenüber
der Brennkammer 6 sowie nach außen abgeschlossen; die in dieser
Kolbenarbeitskammer eingeschlossenen Verbrennungsgase drücken
den Kolben 4 in Fig. 1 weiter nach links, wobei sich die
Verbrennungsgase zunehmend expandieren. Die in Fig. 1 linke
Kolbenarbeitskammer ist über den Axialschlitz 13′ noch
weiterhin mit dem Auslaßschlitz 12 verbunden, so daß die
in Fig. 1 linke Kolbenarbeitskammer praktisch drucklos ist.
Die in Fig. 2e dargestellte Drehlage entspricht der Drehlage
des Kolbens 4 in Fig. 2a, d.h. der Kolben 4 hat wiederum in
Fig. 1 seinen linken Totpunkt erreicht.
Der Einlaßschlitz 11 des Kolben-Zylinder-Aggregates 2 ist in
Umfangsrichtung des Zylinders relativ kurz bemessen, um die
jeweils zuvor über den Einlaßschlitz 11 mit der Brennkammer 6
verbundene Kolbenarbeitskammer für eine gewisse Zeit herme
tisch abschließen zu können, so daß die Expansionsfähigkeit
des die Brennkammer 6 unter hohem Druck verlassenen Ver
brennungsgases zur Leistung mechanischer Kolbenarbeit ausge
nutzt werden kann.
Nunmehr wird anhand der Fig. 1 und 3 die Wirkungsweise
des als Kompressor arbeitenden Kolben-Zylinder-Aggregates 1
erläutert.
Hier sind in ähnlicher Weise innerhalb eines vom Kolben 3
ständig axial überlappten Bereiches des Zylinders in Umfangs
richtung nebeneinander der Einlaßschlitz 14 und der Auslaß
schlitz 15 angeordnet. Am Kolben 3 befinden sich die Axial
schlitze 16′ und 16′′, wobei der Axialschlitz 16′ in die in
Fig. 1 linke Kolbenarbeitskammer des Kolbens 3 mündet,
während der Axialschlitz 16′′ nur zur in Fig. 1 rechten
Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 hin
geöffnet ist.
In der in Fig. 3a dargestellten Drehlage des Kolbens 3 nimmt
derselbe seine in Fig. 1 linke Totpunktlage ein, bei der der
Axialschlitz 16′ noch den Auslaßschlitz 15 und der Axial
schlitz 16′′ noch den Einlaßschlitz 14 überschneidet.
Nunmehr verschiebt sich der Kolben 3 in Fig. 1 aus seiner
linken Totpunktlage nach rechts, wobei der Kolben 3 in der
Ansicht der Fig. 3 gleichzeitig im Uhrzeigersinne gedreht
wird. Damit werden beide Kolbenarbeitskammern des Kolben-
Zylinder-Aggregates 1 hermetisch abgeschlossen.
Aufgrund der Verschiebung des Kolbens 3 in Fig. 1 nach rechts
wird die zuvor über den Einlaßschlitz 14 in die rechte Kolben
arbeitskammer eingetretene Luft komprimiert, während sich die
in der in Fig. 1 linken Kolbenarbeitskammer eingeschlossene
Luft zunehmend entspannt.
In der in Fig. 3b dargestellten Mittellage des Kolbens 3
zwischen seinen Totpunktlagen hat sich der Kolben 3 so weit
gedreht, daß der Axialschlitz 16′ den Einlaßschlitz 14 über
schneidet. Somit wird bei der weiteren Hubbewegung des Kolbens
3 in Fig. 1 nach rechts Luft durch den Einlaßschlitz 14 in die
sich ständig vergrößernde Kolbenarbeitskammer auf der in Fig. 1
linken Seite des Kolbens 3 eingesogen.
Bei weiterer Verschiebung des Kolbens 3 nach rechts dreht sich
derselbe so weit, daß der Axialschlitz 16′′ den mit der Brenn
kammer 6 verbundenen Auslaßschlitz 15 überschneidet und aus der
in der in Fig. 1 rechten Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylin
der-Aggregates 1 aufgrund der Hubbewegung komprimierte Luft
bei der weiteren Hubbewegung des Kolbens in die Brennkamner 6
eingeschoben wird. Dieser Vorgang ist abgeschlossen, wenn der
Kolben 3 seine in Fig. 1 rechte Totpunktlage erreicht und sich
in die in Fig. 3c dargestellte Stellung weitergedreht hat.
Beim nachfolgenden Rückhub des Kolbens 3, d.h. bei der Bewe
gung dieses Kolbens in Fig. 1 nach links, dreht sich der
Kolben 3 in die in Fig. 3d dargestellte Lage weiter, wobei die
in der linken Kolbenarbeitskamner des Kolben-Zylinder-
Aggregates zuvor eingesogene Luft zunehmend komprimiert
wird und sich die in der rechten Kolbenarbeitskammer
befindliche Restluft auf den Umgebungsdruck entspannt.
Beim weiteren Rückhub des Kolbens 3 überschneidet dann
aufgrund der ständigen Drehung des Kolbens 3 der Axial
schlitz 16′ den Auslaßschlitz 15, so daß die zuvor in der
linken Kolbenarbeitskammer komprimierte Luft in die Brenn
kammer 6 ausgeschoben wird. Der Axialschlitz 16′′ überschneidet
den Einlaßschlitz 14, so daß sich die sich beim Rückhub des
Kolbens 3 vergrößernde rechte Kolbenarbeitskammer mit frischer
Luft füllt.
Schließlich erreicht der Kolben 3 die in Fig. 3e dargestellte
Lage, welche mit der in Fig. 3a dargestellten Lage identisch
ist, d.h. der oben beschriebene Ablauf wiederholt sich usw.
Das als Kompressor arbeitende Kolben-Zylinder-Aggregat 1
verdichtet die Luft mit einem Verdichtungsfaktor von 1:15
bis 1:30.
In der Brennkammer 6, welche mit einer hochtemperatur
beständigen Auskleidung versehen ist, erfolgt dann die
Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes, welcher sich in
der Regel aufgrund des hohen Brennkammerdruckes und der hohen
Brennkammertemperatur selbsttätig entzündet.
Das Volumen der Brennkamner 6 ist so bemessen, daß die
Verweilzeit der für die Verbrennung zugeführten verdichteten
Luft bei ca. 0,1 sek. liegt und dementsprechend eine vollstän
dige Verbrennung des Kraftstoffes weitestgehend ohne Ruß- und
Kohlenwasserstoffrückstände gewährleistet ist.
Um auch ein Minimum an Stickoxiden zu gewährleisten, wird die
Menge des eingespritzten Kraftstoffes so gesteuert, daß eine
weitestgehend stöchiometrische Verbrennung erfolgt, d.h. eine
Verbrennung ohne Sauerstoffüberschuß, aber auch ohne Sauer
stoffunterschuß.
Die thermische Energie der sehr heißen, verdichteten Ver
brennungsgase werden dann im Kolben-Zylinder-Aggregat 2 in
mechanische Arbeit ungewandelt. Die dabei gewonnene mechanische
Arbeit wird nicht nur zum Antrieb des als Kompressor arbeiten
den Kolben-Zylinder-Aggregates 1, sondern auch zum Antrieb des
Elektrogenerators 9 ausgenutzt.
Der Aufbau des Elektrogenerators 9 wird nachfolgend anhand der
Fig. 1 und 4 erläutert, welche ein Schnittbild entsprechend
der Schnittebene IV-IV in Fig. 1 zeigt.
Der Generator 9 besitzt einen auf der Kolbenstange 5 fest
angeordneten Schwinganker 8, welcher als Permanentmagnet mit
kreisscheibenförmigen Polen 17′ und 17′′ ausgebildet ist. Der
Schwinganker 8 wirkt mit einem Stator 18 zusammen, welcher
einen doppelt U-förmigen Weicheisenkern 19 aus Blechlamellen
besitzt. Der Weicheisenkern 19 trägt zwei Feldspulen 20, an
denen eine elektrische Wechselspannung abgreifbar ist, wenn
sich der Schwinganker 8 innerhalb des Weicheisenkernes hin
und herbewegt.
Zweckmäßigerweise besitzen die Pole 17′ und 17′′ des Schwing
ankers 8 und die U-Schenkel des Weicheisenkernes 19 etwa
gleiche Abstände voneinander. Dabei sind der Schwinganker 8
und der Weicheisenkern 19 bevorzugt so bemessen, daß die
U-Schenkel des Weicheisenkernes 19, welche kreisförmige Öff
nungen für den Durchtritt der Pole 17′ bzw. 17′′ des Schwing
ankers 8 aufweisen, in den rechten und linken Totpunktlagen
der Kolben 3 und 4 (vgl. Fig. 1) bzw. des Schwingankers 8
eine Lage zwischen dessen Polen 17 und 17′′ einnehmen.
Wenn der Schwinganker 8 von der einen Totpunktlage zur
anderen Totpunktlage bewegt wird, wird dann in die Feld
spulen 20 eine elektrische Spannung mit annähernd sinus
förmigem Verlauf induziert. Die Frequenz der elektrischen
Wechselspannung ist dabei doppelt so groß wie die Hubfrequenz
der Kolben 3 und 4 bzw. des Schwingankers 8.
Der die Drehung der Kolben 3 und 4 um die Achse der Kolben
stange 5 bewirkende Schrittmotor 10 besitzt einen auf der
Kolbenstange 5 fest angeordneten Rotor, welcher bei Hubbewe
gungen der Kolben 3 und 4 bzw. der Kolbenstange 5 mit mehreren
axial hintereinander angeordneten Statoren 21 und 22 zusammen
wirkt. Dabei können die Pole des Rotors sowie der Statoren 21
durch Permanentmagneten gebildet sein, während die Pole der
Statoren 22 durch die Pole von Elektromagneten gebildet
werden, welche jeweils so angesteuert werden, daß sich der
Rotor des Schrittmotors 10 bei einer Bewegung zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Statoren 21 mit richtigem Richtungssinn
weiterdreht. Die Statoren 21 "fixieren" also jeweils die den
Totpunkten der Hubbewegung der Kolben 3 und 4 sowie des Rotors
des Schrittmotors 10 sowie die der Mittellage zwischen den
Totpunkten zugeordneten Drehlagen des Schrittmotors und damit
der Kolben 3 und 4, während die Statoren 22 jeweils die rich
tige Weiterdrehung bewirken.
Um die Hubbewegungen der Kolben 3 und 4 sowie der damit über
die Kolbenstange 5 gekoppelten Aggregate zu begrenzen, ist das
Kolben-Zylinder-Aggregat 24 (vgl. Fig. 1) vorgesehen. Dabei
wirkt ein auf der Kolbenstange 5 angeordneter doppeltwirkender
Kolben 25 mit zwei Kolbenarbeitsräumen zusammen, die in der
Fig. 1 dargestellten Mittelstellung des Kolbens 25 über axiale
Schlitze 26 in der Zylinderwandung mit der Atmosphäre verbunden
sind. Bei hinreichendem Hub des Kolbens 25 nach rechts oder
links wird jeweils der rechte bzw. linke Kolbenarbeitsraum
abgeschlossen, so daß die darin eingeschlossene Luft bei
weiterer Hubbewegung zunehmend komprimiert wird und damit
der Hubbewegung einen stark ansteigenden Widerstand entge
gensetzt. Somit wird die Hubbewegung federnd aufgefangen
und in ihrer Richtung schließlich umgekehrt.
Grundsätzlich sind jedoch auch andere Anordnungen zur Hub
begrenzung denkbar. Beispielsweise können auch mechanische
Federaggregate vorgesehen sein, die die Kolbenstange 5 in
eine Mittellage zu drängen suchen.
Gemäß Fig. 5 kann der Füllungsgrad der mit den Verbrennungs
gasen aus der Brennkammer 6 belieferten Kolbenarbeitskammern
des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 gegebenenfalls
mittels einer Schieberanordnung gesteuert werden.
Gemäß Fig. 5 ist in einer im Querschnitt bogenförmigen Kammer
27 innerhalb des Gehäuses des Kolben-Zylinder-Aggregates 1
ein bogenförmiger Schieber 28 kolbenartig verschiebbar ange
ordnet. Dabei trennt der Schieber 28 einen mit dem Einlaß
schlitz 11 verbundenen Teil der Kammer 27 von einem mit einem
Kolben-Zylinder-Aggregat 29 verbundenen Teil der Kammer 27 ab.
In dem Kolben-Zylinder-Aggregat 29 sowie in dem damit verbun
denen Teil der Kammer 27 ist ein Druckfluid aufgenommen,
derart, daß sich bei Verschiebung des Kolbens des Kolben-
Zylinder-Aggregates 29 in Fig. 5 nach rechts der kolbenartige
Schieber 28 innerhalb der Kammer 27 entgegen dem Uhrzeiger
sinne in Richtung des Einlaßschlitzes 11 vorschieben läßt.
Wird der Kolben des Kolben-Zylinder-Aggregates 29 in Fig. 5
nach links verschoben, so drückt der Druck der von der Brenn
kammer 6 komnenden Verbrennungsgase den Schieber 28 im Uhr
zeigersinne in Richtung des Kolben-Zylinder-Aggregates 29.
Dabei werden ein mehr oder weniger breiter Abschnitt des Ein
laßschlitzes 11 bzw. mehr oder viele Einlaßöffnungen 30
freigegeben, so daß jeweils eine der Kolbenarbeitskammern
des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 über einen der Axialschlitze
13′ bzw. 13′′ entsprechend länger oder weniger lang mit der
Brennkammer 6 verbunden ist.
Zum Starten des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors kann der
Elektrogenerator 9 in grundsätzlich bekannter Weise als
Schwingankermotor betrieben werden.
Claims (16)
1. Verbrennungsmotor mit einem Kompressor zum Verdichten
von Luft, einer an die Druckseite des Kompressors
angeschlossenen Brennkammer, in der eingeleiteter bzw.
eingespritzter Kraftstoff mit der vom Kompressor gelie
ferten verdichteten Luft verbrennt, sowie einem an den
Ausgang der Brennkammer angeschlossenen, mit dem Kompres
sor sowie einem Abtrieb des Motors antriebsverbundenen
Expansionstriebwerk, in welchem sich die Verbrennungsgase
unter Leistung mechanischer Arbeit entspannen,
dadurch gekennzeichnet,
daß Kompressor und Expansionstriebwerk als Kolben-Zylin
der-Aggregate (1, 2) ausgebildet sind.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Kolben (4) des Expansionstriebwerkes (2) mit
einem zugeordneten Kolben (3) des Kompressors (1) mittels
einer gemeinsamen Kolbenstange (5) verbunden ist.
3. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (5) als
Abtriebsglied des Motors angeordnet ist.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Motor als Schwingkolben
motor ausgebildet ist.
5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zunindest das Expansions
triebwerk (2) aus keramischem Material hergestellt ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß auf bzw. an der Kolbenstange
(5) ein Schwinganker (8) eines Elektrogenerators (9)
angeordnet ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß Kompressor (1) und Expansions
triebwerk (2) schlitzgesteuert sind, indem am dem jewei
ligen Kolben (3, 4) zugeordneten Zylinder innerhalb einer
vom Kolben in allen Hubstellungen axial überdeckten
Radialebene in Umfangsrichtung nebeneinander ein Einlaß
sowie ein Auslaßschlitz (11, 12; 14, 15) und am Kolbenumfang
ein zum jeweiligen Kolbenarbeitsraum offener und am
anderen Ende geschlossener Axialschlitz (13′, 13′′; 16′, 16′′)
angeordnet sind, welcher durch Drehung des Kolbens (3, 4)
um die Kolbenstangenachse zur Überlappung mit den Einlaß
bzw. Auslaßschlitzen bringbar ist, derart, daß der Axial
schlitz während des Einlaßhubes den Einlaßschlitz und
während des Auslaßhubes den Auslaßschlitz überschneidet.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß für Expansionstriebwerk (2)
und Kompressor (1) jeweils doppeltwirkende Kolben (3, 4)
angeordnet sind, wobei jeweils der dem einen Kolbenarbeits
raum zugeordnete Axialschlitz (13′, 16′) um 180° gegenüber
dem dem anderen Kolbenarbeitsraum zugeordneten Axial
schlitz (13′′, 16′′) versetzt ist.
9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (10) den bzw.
die Kolben (3, 4) mit gleichbleibendem Drehsinn verstellt,
wobei der bzw. die Kolben (3, 4) zwischen den beiden Tot
punkten ihrer Hubbewegung jeweils un einen Winkel von
180° gedreht werden.
10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß als Drehantrieb ein elektri
scher Schrittmotor (10) vorgesehen ist, welcher einen auf
der Kolbenstange (5) fest angeordneten Rotor sowie mehrere
axial nebeneinander angeordnete Statorelemente (21, 22)
besitzt, die relativ zueinander in Umfangsrichtung
versetzte Magnetfelder zu erzeugen gestatten.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß beidseitig eines umpolbaren Statorelementes (22)
Statorelemente (21) mit statischer Feldorientierung
angeordnet sind.
12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrogenerator (9)
als Einphasen-Synchron-Generator ausgebildet ist.
13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinganker (8) des
Elektrogenerators (9) auf der Kolbenstange (5) fest
angeordnete scheibenförmige Pole (17′, 17′′) besitzt,
deren axialer Abstand etwa dem axialen Abstand der
Pole bzw. Polschuhe eines seitlich der Kolbenstange (5)
angeordneten Stators (19, 20) mit einer zwischen den Polen
bzw. Polschuhen angeordneten Lastwicklung (Feldspule 20)
entspricht.
14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (19) des Elektro
generators (9) einen doppelt U-förmigen Weicheisenkern (19)
mit in den U-Schenkeln angeordneten Öffnungen für den
Durchtritt der Pole (17′, 17′′) des Schwingankers (8)
besitzt.
15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrogenerator (9)
mittels einer Spannungsquelle bzw. Batterie als Elektro
motor zum Starten des Verbrennungsmotors einschaltbar ist.
16. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Hubbegrenzung an jeder
Kolbenstange (5) ein doppeltwirkendes Kolben-Zylinder-
Aggregat (24) zur adiabatischen Gasverdichtung angeord
net ist, dessen beide Kolbenarbeitsräume in einer
Mittelstellung des Kolbens (25) mit der Atmosphäre bzw.
einer Gasquelle kommunizieren.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893905383 DE3905383A1 (de) | 1989-02-22 | 1989-02-22 | Verbrennungsmotor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893905383 DE3905383A1 (de) | 1989-02-22 | 1989-02-22 | Verbrennungsmotor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3905383A1 true DE3905383A1 (de) | 1990-06-13 |
Family
ID=6374642
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893905383 Ceased DE3905383A1 (de) | 1989-02-22 | 1989-02-22 | Verbrennungsmotor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3905383A1 (de) |
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