DE4031272A1 - Brennkraftmaschine mit ringfoermigem zylinder - Google Patents

Description

Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches sind bekannt. Vielfältige Versuche sind unternommen worden, die kreisförmige Bewegung von Kolben in einem ringförmigen Zylinder zu nutzen. - Ein konstanter Hebelarm bei der Einleitung der bei der Verbrennung des Brennstoffes am Kolben entstehenden Kräfte in die Antriebswelle und die gleichbleibende Drehrichtung der Kolben läßt beste Resultate in bezug auf Massenausgleich, Drehmoment, Drehzahlfestigkeit und, nicht zuletzt, auf Wirkungsgrad und Abgasverhalten bei der erfindungsgemäßen Konstruktion erwarten, bei der die Drehung der Kolben (z. B. 2, 33) von einem Getriebe (8) mit elliptischen Zahnrädern (9, 10) koordiniert wird. Das sich periodisch ändernde Übersetzungsverhältnis sorgt bei entsprechender Auslegung für die, z. B. vom bewährten Viertaktverfahren des Hubkolbenmotores bekannte Vergrößerung und nachfolgende Verringerung des Volumens des Arbeitsraumes im Zylinder (1). Durch ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe, in Fig. 9 als Stirnradgetriebe mit den Stirnrädern (41, 42, 41′, 42′), - ein Paar für jede Verbindungsscheibe (3, 6) -, dargestellt, wird die Zahl der Arbeitssspiele pro Umlauf der Kolben (2, 5, 32, 33) im Zylinder (1) festgelegt. Die Verbindungsscheiben (3, 6) sind durch Schlitze im Zylinder (1) geführt (Fig. 9) und jeweils mit einer zentral angeordneten, der Drehachse (a) des Torus- (Ringkörper-)förmigen Zylinders (1) entsprechenden Wellen (4, 7) verbunden. Andererseits sind an diesen Verbindungsscheiben (3, 6) die Kolben (2, 5, 32, 33) befestigt.

Die Abbildungen Fig. 1-Fig. 8 zeigen den kompletten Arbeitszyklus einer Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion mit 4 Kolben (2, 5, 32, 33). Ein Untersetzungsgetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von 2 : 1, das dem Getriebe (8) mit den elliptischen Zahnrädern (9, 10) jeweils als Stirnradgetriebe (41, 42, 41′, 42′) vorgeschaltet ist (Fig. 9), sorgt zweimal pro Kolbenumdrehung im Zylinder (1) für eine Vergrößerung des Arbeitsraumes auf ein Maximum, und für die ebenfalls zweimalige Verringerung des Arbeitsraum-Volumens auf ein Minimum während dieser Zeit.

Fig. 1 zeigt die Kolben (2, 5) in der Position (Minimal volumen), die den Beginn des sogn. Arbeitstaktes darstellt, der Moment also, in dem die in diesen Arbeitsraum (Brennraum) (35) von der Einspritzvorrichtung (13) eingespritzte Brennstoffmenge von der Zündvorrichtung gezündet wird. Bei einer Anlaß-Drehrichtung im Uhrzeigersinn und einem, an einem, an die Antriebswelle (7) angebauten Schwungrad mit natürlich gleicher Drehrichtung, wird sich bei entsprechend ausgelegtem Getriebe (8) der Kolben (2) durch den Druck der Verbrennungsgase mit sich stark erhöhender Geschwindigkeit vom Kolben (5) entfernen, bis am in Fig. 2 dargestellten Punkt die maximale Geschwindigkeit und die maximale Entfernung des Kolbens (2) vom Kolben (5) erreicht ist. In diesem Moment (Fig. 2) wird der Auslaß (12) für den dann erfolgenden Beginn des Ladungswechsels freigegeben. Dies kann, bekanntermaßen, durch den Kolben (2) erfolgen, z. B. über schlitzförmige Öffnungen in der Wand des Zylinders (1), oder auch, im Interesse einer exakteren, regelfähigen Steuerung des Ladungswechsels mit Ventilen. In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion erfolgt der Ladungswechsel über ein einziges Ventil, dessen Konstruktion in meiner Anmeldung DE 38 02 836 für einen Hubkolbenmotor dargestellt ist, und das hauptsächlich den Vorteil einer geringen Anzahl beweglicher Teile, eines großen Ventilquerschnittes und der Ersparnis von Fertigungs- und Wartungskosten bietet. - Es beginnt also der Ladungswechsel (Fig. 2), das Abgas wird aus dem Arbeitsraum (35) bis zum Erreichen des in Fig. 5 dargestellten Punktes durch Annäherung des Kolbens (5) an den Kolben (2) ausgeschoben. Es beginnt gleichzeitig, wie in Fig. 3 dargestellt, ein neuer Arbeitstakt, in diesem Fall für den Arbeitsraum (36) zwischen den Kolben (5, 32).

Der Arbeitsraum (35) zwischen den Kolben (2, 5) wird nun durch das Sich-Entfernen des Kolbens (2) vom Kolben (5) mit Frischluft gefüllt (Ansaugtakt) (Beginn in Fig. 5). Dies erfolgt wiederum über Schlitze oder Ventil(e), bis etwa der Punkt der maximalen Ausdehnung des Raumes zwischen den beiden Kolben (2, 5) und somit das Ende des Ansaugtaktes, wie in Fig. 7 gezeigt, erreicht ist. Es beginnt mit dem Arbeitstakt des Arbeitsraumes (38) zwischen den Kolben (2, 33) auch der Kompressionstakt für den Arbeitsraum (35) (Fig. 7). Am Ende dieses Kompressionstaktes ist die Ausgangsposition - Fig. 1 - s. o., wieder erreicht. Ein neues Arbeitsspiel kann beginnen. Anhand der Schaubilder Fig.1- Fig. 8 lassen sich die Arbeitsspiele für die anderen Arbeitsräume (36, 37, 38), die bisher nur kurz erwähnt wurden, nachvollziehen.

Die in der Konstruktions-Praxis bekannten Hilfsmittel und Maßnahmen zur Optimierung des Ladungswechsels brauchen hier nicht näher erläutert zu werden, - mit Ausnahme vielleicht der Nutzung der in einer anderen Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion beschriebenen Verdrängerräume auf den vom Arbeitsraum zwischen den Kolben abgewandten Seiten als Verdichterraum (19) bzw. 5 Nachexpansionsraum (20) zur Verdichtung der "angesaugten" Frischluft bzw. zur Nachexpansion der Verbrennungsgase, besonders bei mehrzylindriger Bauweise. Der Verdichter- bzw. Nachexpansionsraum ist in diesem Fall über ein Ventil (z. B. 39) und einen Überströmkanal (z. B. 40) mit der entsprechenden Zone des Zylinders (1) in der betreffenden Arbeitsphase verbunden.

Es sind natürlich noch viele Ausführungen der erfindungsgemäßen Konstruktion, außer den in Fig. 1-9 dargestellten, entsprechend den Ansprüchen denkbar. So können die Vorrichtungen für Ladungswechsel (≦λτ11, 12) und die Einspritz- und die Zündvorrichtung (13, 14) in die Kolben (z. B. 2) integriert sein, wobei die Leitungen (21, 22) durch die entsprechenden Verbindungsscheiben (6) und die Wellen (7) geführt sind. Bei einer ausreichenden Dimensionierung des Zylinders (1) wäre so, zusammen mit einer durch ein Stirnrad (41-42′)-Getriebe bewirkten Untersetzung des Getriebes (8) mit den elliptischen Zahnrädern (9, 10) eine hohe Zahl von Arbeitsspielen pro Umdrehung der Kolben im Zylinder und damit ein extrem geringer Ungleichförmigkeitsgrad möglich. Ein turbinenartiges Laufverhalten trotz einer relativ niedrigen Betriebsdrehzahl, die im Hubkolbenmotor-Bereich liegen kann, ist zu erwarten. Auch bei der in Fig. 1-9 gezeigten Konstruktion ist schon ein niedriger Ungleichförmigkeitsgrad mit einer ganz geringen Schwungrad-Masse, und somit ein exzellenter "Rundlauf" schon bei relativ niedriger (Leerauf-)Drehzahl, bedingt durch die 4 Arbeitstakte pro Umdrehung der Antriebswelle (7), die konstante Drehrichtung der Kolben (z. B. 2) im Zylinder (1), und die vorwiegender Schwellast ausgesetzten Bauteile, die deswegen auch relativ schwach und billig ausgelegt sein dürfen. Die Verbindungsscheiben (3, 6) dienen auch als Schwungmasse. Die geringe Anzahl beweglicher Teile, die zum überwiegenden Teil auch noch einfach und extrem preiswert zu fertigen sind, macht die erfindungsgemäße Konstruktion auch für die Serienfertigung mit einem weitgefächerten Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten interessant. So könnten z. B. die Verbindungsscheiben (3, 6), u. a., als Laufräder (23, 24) mit Leiträdern (25, 26) der Verdichterstufe (27) einer Turbine, eines Strahltriebwerkes (S) ausgelegt sein, oder direkt, als Propeller oder Rotor das durchströmende Fluid zu Antriebszwecken beschleunigen, wie es z. B. bei dem in Fig. 10 dargestellten Fluggerät erfolgt. - Das zu erwartende geringe Leistungsgewicht und der relativ einfache Aufbau der Brennkraftmaschine sowie die daraus folgenden geringen Herstellungs- und Wartungskosten, gepaart mit einer hohen Zuverlässigkeit und geringem spezifischem Verbrauch machen die erfindungsgemäße Konstruktion gerade für diesen Bereich interessant, wo das Leistungsgewicht der einfache Aufbau und die Zuverlässigkeit einer Turbine mit dem Abgasverhalten, der Geräuschemission und dem spezifischen Verbrauch einer Brennkraftmaschine mit genau definiertem Arbeitsraum, eines Hubkolbenmotors, in Einklang gebracht werden soll.

Die erfindungsgemäße Konstruktion kann auch, z. B. direkt, d. h. ohne Zusatzaggregat, als Generator eingesetzt werden. Hierzu ist in einer Ausführung der Zylinder (1) mit Generatorwicklungen (31) versehen und die Kolben (z. B. 2) sind zur Erhöhung ihrer Induktionswirkung zweiteilig gefertigt, mit einem Läufer (29), der um einen Ständer (30) drehbar gelagert ist. Der Läufer (29) ist entsprechend mit Lauf- und Leitgitter versehen, und wird, bei der Ausführung mit den durch die Kolben (z. B. 2) geführten Leitungen (z. B. 21, 22) für den Ladungswechsel, vom Abgasstrom, bzw. vom auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des Kolbens (z. B. 2) austretenden Frischluftstrom gleichsinnig in Drehung versetzt.

Zur weiteren Verringerung des Ungleichförmigkeitsgrades wird ein Getriebe (43), das auch mit entsprechend ausgelegten elliptischen Zahnrädern (44, 45) für ein periodisch wechselndes Übersetzungsverhältnis versehen ist, zwischen, z. B., der Welle (7) der Brennkraftmaschine und dem nachgeschalteten Antrieb angeordnet. Die Zahnräder (44, 45) sind in bezug auf ihre Exzentrizität und ihre Stellung relativ zum Getriebe (8) auf eine bestmögliche Kompensation der Drehmoment- und Drehzahlschwankungen der Welle (i. B. 7) auszulegen.

Die Anpassung der Bewegungen der Kolben (z. B. 2) (Kolbenkinematik) und damit, u. a., des Verdichtungsverhältnisses an die verschiedenen Brennstoffe und deren Verbrennungscharakteristik kann im Sinne der Konstruktion eines "Vielstoffmotores" mit einem weiteren Paar elliptischer Zahnräder (46, 47), im Getriebe (8) erfolgen. Diese Zahnräder (46, 47) sind, z. B., mit anderer Exzentrizität als die Zahnräder (9, 10) versehen und auch zwischen die Wellen (4, 7) geschaltet. Die Einstellbarkeit ist durch die Veränderung der Stellung dieser Zahnräder (46, 47) relativ zu den Zahnrädern (9, 10) gegeben oder auch durch die Umschaltung vom einen Zahnradpaar auf das andere. Bei entsprechender Ausführung kann natürlich über dieses Zahnradpaar (46, 47) auch während des Betriebs eine Anpassung an einen, z. B. von einem Rechner vorgegebenen Verlauf des Kompressionsverhältnisses relativ zur Drehzahl, bzw. die Anpassung der Kolbenkinematik an einen bestimmten Verbrennungsablauf erfolgen.

Die Dichtelemente (15, 16) sind z. B. ringförmig, und wie für Kolbenringe bekannt, in entsprechende Nuten der Bauteile eingesetzt. Sie dichten die Verbindungsscheiben (3, 6) sowohl gegeneinander, als auch gegen den Zylinder (1) in der schlitzförmigen Durchführung ab. Die, abgesehen von Stegen zu den Verbindungsscheiben (3, 6) "normalen" Kolben (z. B. 2) werden bekanntermaßen im Zylinder geführt und abgedichtet. Der Zylinder (1) ist zweiteilig als geschraubte Gußkonstruktion mit einer dem Schlitz entsprechenden Trennebene ausgeführt.

Die Scheiben (3, 6) können natürlich auch auf einen relativ geringen Durchmesser, z. B. dem der Welle (7) reduziert sein ("Rohr") und so auch der Innendurchmesser des Torus des Zylinders (1) entsprechend gering sein. Die Kühlrippen (48) dienen der Kühlung und der Formstabilität.

Natürlich kann das Getriebe (41-42′), das dem Getriebe (8) vorgeschaltet ist und auch mit einem anderem Übersetzungsverhältnis, z. B. 1 : 4 usw. ausgelegt sein, um z. B. einen entsprechend häufigen Kolbenumlauf pro Arbeitszyklus zu erreichen.

Die Betätigung der Ventile (z. B. 28) erfolgt, gesteuert vom Versatz der Verbindungsscheiben (3, 6), entweder elektromechanisch (Magnetventil) über Sensoren ausgelöst, oder, rein mechanisch, mit Nockenantrieb.

Claims (12)

1. Brennkraftmaschine mit einem ringförmigem Zylinder, in dem mindestens zwei Kolben beweglich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolben (2) über eine Verbindungsscheibe (3) mit einer zentral, der Drehachse (a) des Zylinders (1) entsprechenden Welle (7) verbunden ist, und ein weiterer Kolben (33), auch wieder über eine Verbindungscheibe (6), mit einer zweiten, zu der ersten Welle (4) koaxial verlaufenden Welle (7) verbunden ist, und diese beiden Wellen (4, 7) über ein Getriebe (8) mit zwei elliptischen Zahnrädern (9, 10) miteinander verbunden sind, und eine Welle (7) als Antriebswelle dient, und die Kolben (2, 33) zwischen sich einen Brennraum (35) bilden, und der Zylinder (1) einen ortsfesten Einlaß (11) und einen ortsfesten Auslaß (12) für die Frischluft bzw. die Verbrennungsgase aufweist, und eine ortsfeste Einspritzvorrichtung (13) und eine ortsfeste Zündvorrichtung (14) für den Brennstoff besitzt, und die Verbindungsscheiben (3, 6) mit ringförmig umlaufenden Dichtelementen (z. B. 15) gegeneinander, und, gleichfalls mit ringförmig umlaufenden Dichtelementen (z. B. 16), gegen den mit den entsprechenden Dichtflächen (17, 18) versehenen Schlitz im Zylinder (1) beweglich abgedichtet sind.

2. Brennkraftmaschine gemäß dem Hauptanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (8) zusätzlich eine Übersetzung, z. B. über ein Stirnradgetriebe (41, 42, 41′, 42′), aufweist, und sich so die durch die elliptischen Zahnräder (9, 10) bedingte, periodische Verringerung bzw. Vergrößerung des Abstandes der Kolben (2, 33) voneinander mehrmals, vorzugsweise zweimal, z. B. zur Erzielung eines, dem Viertaktverfahren entsprechenden Gaswechsels pro Umdrehung der Kolben (2, 33) im Zylinder (1) ergibt, und der Zylinder (1) auch eine entsprechende Anzahl von Auslässen (z. B. 12) und Einlässen (z. B. 11), Einspritzvorrichtungen (z. B. 13) und Zündvorrichtungen (z. B. 14) aufweist.

3. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder 1 mit vier Kolben (2, 5, 32, 33) versehen ist, von denen die jeweils benachbarten Kolben (z. B. 2, 33) beiderseits Arbeitsräume im Zylinder 1 bilden, und die Kolben (z. B. 2) paarweise, mit dem, bezogen auf die Achse (a), diametral gegenüberliegenden Kolben (z. B. 32) über die entsprechende Verbindungsscheibe (z. B. 6) verbunden sind und das Getriebe (8) so ausgelegt ist, daß pro Umlauf der Kolben (z. B. 2) im Zylinder (1) ein kompletter Arbeitszyklus z. B. eines Viertaktmotors in den beiden angrenzenden Arbeitsräumen (z. B. 35, 36) abläuft.

4. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (13), die Zündvorrichtung (14) und Einlaß (11) und Auslaß (12) für den Ladungswechsel in die Kolben (z. B. 2) integriert sind, wobei die entsprechenden Leitungen (z. B. 21, 22) durch die Verbindungsscheiben (z. B. 6) und die Wellen (z. B. 7) geführt werden.

5. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsscheiben (3, 6) als Laufräder (23, 24) mit Leiträdern (25, 26) einer Turbine, als Verdichterstufe (27) eines Stahltriebwerkes (S) ausgelegt sind, oder, als Propeller oder Rotor gestaltet sind, um das durchströmende Fluid zu Antriebszwecken zu beschleunigen.

6. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) mit einem Ventil (28) für den gesamten Ladungswechsel versehen ist.

7. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (z. B. 2) aus jeweils einem Läufer (29) und einem Ständer (30) bestehen, und der Ständer (30) fest mit der entsprechenden Verbindungsscheibe (3 oder 6) verbunden ist, und der Läufer (29) um den Ständer (30) drehbar gelagert ist, und Läufer (29) und Ständer (30) mit Lauf- bzw. Leitgitter zur Erzielung einer Drehbewegung des entsprechend als Generatorläufer gestalteten Läufers (29) aus dem Abgasstrom bzw. aus dem Frischluftstrom des Ladungswechsel zur Induktion eines Stromes in entsprechende elektrische Generatorwicklungen (31) versehen sind.

8. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anpassung der Bewegungen der Kolben (2, 5, 32, 33) und damit, u. a., des Verdichtungsverhältnisses an die verschiedenen Brennstoffe und den Druckverlauf bei deren Verbrennung zusätzlich zu den elliptischen Zahnrädern (9, 10) ein weiteres Paar elliptischer Zahnräder (46, 47) mit anderer Exzentrizität, bzw., anderer Stellung der Ellipsenhalbachsen relativ zu den Kolben (2, 5, 32, 33) gesehen, im Getriebe (8) zwischen die Wellen (4, 7) geschaltet ist, und diese Zahnräder (46, 47) relativ zu den Zahnrädern (9, 10) in ihrer Stellung zu verändern sind, und das Getriebe (8) in seiner Kraftübertragung von den Zahnrädern (9, 10) auf die Zahnräder (46, 47) umzuschalten ist.

9. Brennkraftmaschine gemäß dem Hauptanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß von den Kolben (2, 33), abhängig vom Kurbelwinkel (v), ein, entsprechend dem Übersetzungsverhältnis (Ü) des Getriebes (8), sich in seinem Volumen verändernder Verdichterraum (19) bzw. Nachexpansionsraum (20) gebildet wird, der, jeweils über ein Ventil (z. B. 39) und einen Überströmkanal (z. B. 40) mit der entsprechenden Zone des Zylinders (1) in der entsprechenden Arbeitsphase verbunden ist.

10. Getriebe für eine Brennkraftmaschine z. B. nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Getriebe (43) mit periodisch wechselndem Übersetzungsverhältnis, also mit zwei elliptischen Zahnrädern (44, 45) versehen, z. B. zwischen Brennkraftmaschine und Antrieb angeordnet ist, und die Stellung und Exzentrizität der elliptischen Zahnräder (44, 45) auf eine bestmögliche Kompensation der Drehmoment/Drehzahlschwankungen ausgelegt ist.

11. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Verbindungsscheiben (3, 6) auf den Durchmeser der Wellen (z. B. 7) reduziert ist, und so der Innendurchmesser des torusförmigen Zylinders (1) nur geringfügig größer als der der Welle (z. B. 7) ist.

12. Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß Rippen (48) zur Kühlung und zur Erhöhung der Festigkeit, formal etwa Wellensicherungsringen entsprechend, quer zur Bewegungsrichtung der Kolben (z. B. 2) auf dem Zylinder (1) befestigt sind.