DE4039343C2 - Verbrennungsmotor zur Erzeugung einer direkten Antriebskraft durch Erzeugung von schnell aufeinanderfolgenden Zentrifugalkraftimpulsen, indem ein Kolben durch den Verbrennungsdruck in einem Gehäuse mit halbkreisförmigen Führungskanal zum Oszillieren gebracht wird und der Kolben nicht mit einer Hauptwelle in Arbeitsverbindung steht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor zur Erzeugung einer direkten Antriebskraft durch Erzeugung von schnell aufeinanderfolgenden Zentrifugalkraftimpulsen, indem ein Kolben durch den Verbrennungsdruck in einem Gehäuse mit halbkreisförmigem Führungskanal zum Oszillieren gebracht wird und der Kolben nicht mit einer Hauptwelle in Arbeitsverbindung steht.

Immer wieder versuchen Erfinder, Verbrennungsmotoren zu bauen, die nicht erst die lineare Kolbenbewegung in eine Drehbewegung der Hauptwelle umwandeln müssen. Das versuchen sie durch rotierende Kolben, die mit der Hauptwelle direkt oder indirekt verbunden sind.

Beim Wankelmotor, erstmals 1960 vorgestellt, wird die Drehbewegung des sich in einer epitrochoiden Gehäuseinnenform bewegenden Kolbens mittels Innenverzahnung (Planetenrad) auf die Außenverzahnung der Exzenterwelle (Sonnenrad) übertragen. Da sich die Konturen an den Dichtleisten des dreieckigen Kolbens im Laufe der Kolbendrehung ständig ändern, verschleißen die Dichtleisten sehr rasch und es kommt zu Druck- und damit zu Leistungsverlusten.

Die Erfindung von Laszlo Madays, dargelegt in der PCT-Veröffentlichung WO88/07623, stellt eine weitere Möglichkeit dar, einen im Innenraum eines Zylinders rotierenden Drehkolben so anzuordnen, daß der Drehkolben mit der Hauptwelle des Motors in Arbeitsverbindung steht. Somit wird ein Verbrennungsmotor beschrieben, der die Verbrennungsenergie direkt in eine Drehbewegung umsetzt.

Dieser Effekt wird aber nur durch den Einsatz vieler zu steuernder Ventile und Schieber (Dämmventile) erreicht.

Steuerung und Antrieb dieser Ventile und Schieber verbrauchen jedoch zur Überwindung der Massenträgheit viel Energie. Eine Vielzahl Abdichtungen an Kolben, Dämmventilen und Hauptwelle komplizieren die Konstruktion erheblich und mindern den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit dieses Motors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor so auszugestalten, daß der Wirkungsgrad bei verringertem Gewicht, reduzierter Baugröße und vereinfachter Bauweise erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Da der im halbkreisförmigen Führungskanal oszillierende Kolben das einzig oszillierende Teil des Motors ist, übernimmt er zugleich die Steuerung der Gase. Gesteuerte Ventile und Schieber kommen also nicht zum Einsatz. Die beiden Anlaßventile werden nur beim Start betätigt. Der Abgasturbolader ist zentral in das Motorgehäuse integriert und soll die Ansaugarbeit und die Gemischbildung übernehmen sowie den Bordgenerator antreiben.

Aber nicht nur die reduzierte Baugröße, die vereinfachte Bauweise und die erweiterte Nutzung der Abgasenergie führen zu einem besseren Wirkungsgrad. Der Nutzwirkungsgrad wird auch durch den Wegfall überflüssig gewordener Übertragungsmechanismen wie z. B. Getriebe, Antriebswellen, Schiffs- und Luftschrauben wesentlich erhöht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es nötig, zum Anlassen des Motors Druckluft einzusetzen, da der Kolben nicht mit einer Hauptwelle verbunden ist und deshalb auch nicht mechanisch angelassen werden kann. Diese Art des Anlassens ist zuverlässig, wobei der Kompressor platzsparend untergebracht werden kann.

Der geringere Platzbedarf führt gleichzeitig zur Verbesse­ rung des Nutzwirkungsgrades des Fahrzeuges.

All diese Gründe machen die Erfindung in ökonomischer- und ökologischer Hinsicht interessant und bedeutungsvoll.

Ein Ausführungsvorschlag der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und im folgenden beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht (Halbschnitt) des Motors,

Fig. 2 eine Seitenansicht (Schnitt A-A) des Motors und

Fig. 3 eine Beschreibung der Wirkungsweise des Motors, speziell der 4 Startphasen.

Der Ausführungsvorschlag ist nicht an Größen gebunden. Hier wird der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise beschrieben. Die Größe des Antriebes hängt von seiner Verwendung ab.

Aus Gründen der Führungskanalbearbeitung wird davon aus­ gegangen, daß das Gehäuseoberteil (1) zweiteilig ausge­ führt sein wird. Zum Zwecke der Kühlung des Führungskana­ les und des Kolbens sind Kühlmittelräume oder Kühlrippen vorhanden. Der Führungskanal des Antriebes hat die Form eines halbkreisförmigen gebogenen Zylinders oder Prismas. Darin bewegt sich der freie, dieser gebogenen Zylinder­ form angeglichene Kolben (2). Eine exakte gasdichte Abdich­ tung zwischen Kolben und Führungskanal ist unbedingt erfor­ derlich, da mit sehr hohen Verdichtungs- und Verbrennungs­ drücken zu rechnen ist. Der Einsatz von Kolbenringen hängt von der Baugröße und der eingesetzten Werkstoffe ab.

Weiterhin ist zu beachten, daß der Kolben das am höchsten belastete Teil des Antriebes ist. Er muß deshalb besonders widerstandsfähig gegen hohe Druckbelastungen sein. Deshalb wird er in seinem Innenraum durch Versteifungsrippen ver­ stärkt. Zusätzlich ist zu beachten, daß die Form der Kol­ benstirnseiten mit der Form der beiden Brennraumdeckelin­ nenseiten identisch ist. Das ist nötig, damit es nicht zur Berührung von Kolben und Brennraumdeckel kommt. Mecha­ nische Berührungen würden zur schnellen Zerstörung der Teile führen.

Auf Grund der hohen mechanischen Belastung ist eine Be­ schichtung der gleitenden Teile mit keramischen Materi­ alien zu überprüfen.

Die beiden Auslaßkanäle (3) verbinden die Auslaßschlit­ ze mit der Abgasturbine. Sie müssen so gestaltet sein, daß Strömungswiderstände minimiert werden.

Die beiden Gehäuseoberteile (1) sind gleichzeitig Gehäuseteile des integrierten Abgas-Turboladers.

Folgende Gründe sprechen für den Einsatz des Abgas-Turbo­ laders:

Die Saugwirkung des Kolbens wird für den erforderlichen Frischgas-Füllungsgrad im Führungskanal nicht ausreichen. Es muß also zusätzlich aufgeladen werden. Da der Kolben das einzig angetriebene Teil ist und sich frei bewegt, ist eine mechanisch angetriebene Pumpe nicht einsetzbar.

Der geringe Abstand zwischen Abgasschlitz (3) und Ab­ gasturbinenschaufelrad (14) bewirkt einen stoßartigen, pulsierenden Antrieb der Gasturbine. Dabei kommt es zu Gasschwingungen, die einen kurzzeitigen Gegendruck erzeu­ gen. Dieser Effekt führt zur Minimierung der Frischgas­ verluste an den Abgaskanälen während der Verdichtungsphase. Die Abgasturbine hat aber nicht nur die Aufgabe, die Lade­ pumpe anzutreiben. Sie muß auch die Einspritz- sowie die Schmiermittelpumpe antreiben.

Bei der Einspritz- und Schmiermittelpumpe handelt es sich um eine Kombination, bestehend aus einer Öl-Dosierpumpe und einer Kraftstoff-Einspritzpumpe. Wird der Antrieb mit reinem Kraftstoff oder Gas betrieben, muß die Dosierpumpe gleichzeitig das Frischgas zwecks Kolbenschmierung mit Motorenöl anreichern und die Schmierstellen des Turbola­ ders versorgen, soweit dies erforderlich ist.

Die Einspritzpumpe erzeugt einen kontinuierlichen Kraft­ stoffdruck. Über einen Regelmechanismus ist sie durch eine Rohrverbindung mit der Einspritzdüse (18) verbunden.

Da die Drehzahl der Abgasturbine frequenzabhängig ist, paßt sich die eingespritzte Kraftstoffmenge der Frequenz des Kolbens an und sorgt für ein optimales Mischungsver­ hältnis. Die Einspritzdüse (18) sprüht den Kraftstoff in den Verdichterkanal der Ladepumpe (4). Da hier die Luft gut verwirbelt wird, ist eine gute Vermischung des Kraft­ stoffes mit der Luft gewährleistet. Durch die gekrümmte Form des Einlaßkanals wird das Frischgas nach Freigabe durch den Kolben zusätzlich verwirbelt.

Das Unterteil (7) ist ein Gußgehäuse und bildet eine Einheit aus Turboladergehäuseteil und den beiden Brenn­ raumdeckelteilen. Es sind zumindest die beiden Brennraum­ deckelteile mit Kühlmittelräumen oder Kühlrippen zu ver­ sehen. Die sehr hohen Belastungen an diesen Teilen ver­ langen sehr hohe Steifigkeit und Belastbarkeit.

Die Anlaßventile sind in die beiden Brennraumdeckel ein­ geschraubt und dürfen an den Innenseiten nicht überstehen. Sie sind ebenfalls sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Deshalb ist eine gute Abdichtung sowohl am Befestigungs­ gewinde als auch an der Ventildichtfläche sehr wichtig. Die Zuführung des unter Druck stehenden Start-Frischga­ ses erfolgt über eine Hydraulikleitung (12).

Zum Anlassen des Motors wird ein Anlaßkompressor benötigt, der zwecks Mobilität klein und gleichzeitig leistungsfähig ist. Er muß in unmittelbarer Nähe dem Antrieb zugeordnet sein, da er mechanisch-pneumatisch mit dem Anlaßsystem des Antriebes verbunden ist. Dem Anlaßkompressor ist eine Kraftstoffan­ reicherungseinrichtung nachgeschaltet (Startvergaser). Nun kann während des Anlaßvorganges ein zündfähiges, fettes Kraftstoff-Luftgemisch wechselseitig über die Drucklei­ tungen (12) den Anlaßventilen (8) zugeführt werden.

Diese Anlaßmechanik wird nicht benötigt, wenn zum Star­ ten des Antriebes ein in einem Druckgefäß befindliches Startgas mitgeführt wird. Diese Möglichkeit findet haupt­ sächlich in großen Höhen und im Weltraum Anwendung.

In beiden Fällen muß eine Regelmechanik, wie z. B. ein Gestän­ ge (9), das wechselseitige Betätigen der Anlaßventile (8) übernehmen.

Die ungesicherte Stellung des Kolbens im Führungskanal er­ schwert aber den sicheren Start des Antriebes. Die offenen Auslaßkanäle führen zu Druckverlusten und erschweren den Anschub des Kolbens in der Startphase. Geeignete Ventile an den Auslaßkanälen, synchrongeschaltet mit dem Startme­ chanismus (Gestänge) können die Startsicherheit jedoch si­ chern. Wird also das linke Anlaßventil geöffnet, schließt das linke Auslaßventil, wobei das rechte Auslaßventil ge­ öffnet ist. Das geschieht im Wechsel auch rechts usw.

Der Anlaßvorgang kann also folgendermaßen aussehen:

Der Anlaßkompressor wird zuerst gestartet und nach wenigen Umdrehungen, wodurch sich ein höherer Druck sich im Vorraum aufbaut, wird die Startmechanik (z. B. Gestänge und Winkelhebel) automa­ tisch betätigt. An der zuerst betätigten Seite wird der Auslaßkanal geschlossen und das Startgemisch drückt den Kolben zum anderen Endpunkt. Danach wiederholt sich der Vor­ gang auf der anderen Seite. Der zeitliche Abstand des Gas­ wechsels hängt dabei von der Größe des Antriebes (Volumen­ strom) ab. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis es zur ersten Selbstzündung gekommen ist. Nun wird der Kolben zum anderen Endpunkt gedrückt und es kommt dort ebenfalls zur Zündung. Diese beiden Zündungen reichen jedoch nicht aus um den Abgas-Turbolader auf die erforderliche Mindestdreh­ zahl zu beschleunigen. Um das zu erreichen muß der Anlaß­ kompressor mit einem Gemischaufbereitungssystem über eine zusätzliche (dritte) Druckluftleitung, die in den Einlaß­ schlitz (5) einmündet, noch kurze Zeit nachlaufen.

Hat die Ladepumpe (6) eine bestimmte Mindestdrehzahl erreicht, sorgt sie für einen kontinuierlichen Ladeluftdruck. Der in den Verdichterkanal (4) eingespritzte Kraftstoff wird dort mit der Ladeluft vermischt, verwirbelt und gelangt über den Einlaßkanal in den Führungskanal.

Während sich der Kolben infolge einer Verbrennung von einem Endpunkt zum anderen hin bewegt, schiebt er das durch den Ein­ laßkanal einströmende Frischgas vor sich her und verdichtet es am Endpunkt mit Hilfe seiner kinetischen Energie. Noch vor dem Endpunkt muß sich das Kraftstoff-Luftgemisch entzünden (Zündverzug), wobei der Kolben abgebremst und anschließend in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt wird.

Hat der Kolben den Auslaßkanal (3) freigegeben, strömen die noch expandierenden Verbrennungsgase durch den Auslaßkanal (3) und gelangen über das Düsensegment (13) in die Abgasturbine (14) und treiben diese an. Danach gelangen die Abgase in die Abgas­ anlage (15).

Der Kolben (2) bewegt sich nun mit Hilfe der aufgenommenen ki­ nematischen Energie über die Mitte des Führungskanales und schiebt das wieder eingeströmte Frischgas zum anderen Endpunkt und der gleiche Vorgang beginnt.

Zum Abstellen des Motors muß er auf die niedrigste Fre­ quenz gefahren werden. Danach wird die Kraftstoffzufuhr unter­ bunden. Die nachlaufende Turboladepumpe sorgt für ein ausrei­ chendes Luftpolster zwischen Kolben und Endpunkt. Dieses Ver­ fahren verhindert eine Beschädigung des Kolbens beim Abstel­ len des Motors.

Ein optimaler Wirkungsgrad hängt von folgenden Voraussetzun­ gen ab: Hauptvoraussetzung ist eine gute Abstimmung von Kol­ bengewicht, Bewegungsfrequenz des Kolbens und des Halbkreis­ durchmessers des Führungskanales. Diese Verhältnisse hängen wiederum von der zu erreichenden Schubkraft und der Einsatz­ größe des Antriebes ab. Durch Bündelung mehrerer Antriebe kann die Schubkraft zusätzlich erhöht werden. Zunächst ein­ mal ist eine Idealgröße zu ermitteln, die den Anforderungen an günstiger Größe, Schubkraft, Kraftstoffverbrauch sowie Abgasemissionen am besten entspricht. Die Kolbenfrequenz ist bei Maximalschub sehr hoch anzusetzen. Das intensiviert nicht nur die Zentrifugalkraftimpulse, es verdichtet sie auch und führt zu einer annähernd gleichförmigen Schubkraft.

Claims (1)

1. Verbrennungsmotor zur Erzeugung einer direkten Antriebskraft durch Erzeugung von schnell aufeinanderfolgenden Zentrifugal­ kraftimpulsen, indem ein Kolben durch den Verbrennungsdruck in einem Gehäuse mit halbkreisförmigem Führungskanal zum Oszillieren gebracht wird und der Kolben nicht mit einer Hauptwelle in Arbeitsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß
   die Steuerung der Frisch- bzw. Abgase durch den freien, oszillierenden Kolben, der einen Einlaß- und zwei Auslaßkanäle verdeckt bzw. freigibt, erfolgt,
   daß bei atmosphärischem Druck die Frischgase durch Einspritzen von Kraftstoff in den Verdichtungskanal des Abgasturboladers aufbereitet werden, während beim Einsatz in großen Höhen und im Weltraum Brennstoff und Sauerstoff in Druckbehältern mitgeführt und in einem speziellen Mischer aufbereitet werden müssen,
   daß das Kraftstoff-Luftgemisch entsprechend der Zusammensetzung des Kraftstoffes bei Selbstentzündungstemperatur durch Verdichtungserwärmung gezündet wird, wobei die Zusammensetzung des Kraftstoffes derart beschaffen sein muß, daß die Selbstentzündung in Abhängigkeit von der angestrebten Frequenz und des Zündverzugs erfolgen kann,
   daß das Anlassen des Motors erfolgt Anlaßventile erfolgt, wobei unter Druck stehendes zündfähiges fettes Kraftstoff-Luft- oder Sauerstoffgemisch abwechselnd über die Anlaßventile in den Arbeitsraum gebracht wird, um den Kolben zum Oszillieren zu bringen bis die Selbstzündungen erfolgen und der Motor zu arbeiten beginnt, wobei es auch möglich ist, den Abgasturbolader elektrisch anzulassen und den Kolben durch Druckluft in Bewegung zu setzen, und
   daß für den Anlaßvorgang entweder ein Anlaßkompressor oder mitgeführte Druckluft- bzw. Sauerstoffflaschen erforderlich sind.