DE4225089A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, und insbesondere eine Brennkraftmaschine des Spiraltyps, bei welcher die Kompressionskammer und die Expansionskammer durch jeweilige Spiralpaare ausgebildet werden.

Eine Fluidmaschine des Spiraltyps weist ein Paar Spiralen auf, die drehbar innerhalb eines Behälters aneinander angepaßt angebracht sind, um dazwischen eine verschiebbare Verdichtungskammer auszubilden, um das Fluid innerhalb des Behälters zu komprimieren und hierdurch ein Vakuum innerhalb des Behälters zu erzeugen, oder ein verdichtetes Fluid zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel für eine derartige Fluidmaschine ist in dem US-Patent Nr. 48 42 499 beschrieben. Da eine derartige Fluidmaschine des rotierenden Spiraltyps eine rotierende Maschine ist, weist sie einen glatten Betriebsablauf auf, zeigt weniger Vibrationen, hat einen höheren Wirkungsgrad, und es ist ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb möglich.

Weiterhin ist eine Fluidmaschine mit pendelnden oder sich hin- und herbewegenden Spiralen bekannt, bei welcher ein Paar aus einer stationären Spirale und einer pendelnden Spirale aneinander angepaßt ist, um dazwischen eine Kammer mit einem verschiebbaren Volumen zu bilden, und ein Beispiel für die Fluidmaschine des Pendelspiraltyps ist in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 61-1 90 183 beschrieben. Eine derartige Fluidmaschine des Pendelspiraltyps weist einen sehr niedrigen Schwingungs- und Geräuschpegel auf, und ist wirksam und kompakt, verglichen mit einem Motor mit hin- und hergehender Bewegung.

Daher würde man eine kompakte, mit hoher Geschwindigkeit arbeitende und hochwirksame primäre Antriebsquelle erhalten, die einen niedrigen Schwingungs- und Geräuschpegel aufweist, wenn die Fluidmaschine des rotierenden oder pendelnden Spiraltyps bei einer primären Antriebsquelle eingesetzt werden könnte, und es ist wünschenswert, eine derartige primäre Antriebsquelle zur Verfügung zu stellen.

Daher besteht eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in der Bereitstellung einer Brennkraftmaschine des Spiraltyps.

Eine weitere, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer kompakten, mit hoher Geschwindigkeit und hohem Wirkungsgrad arbeitenden Brennkraftmaschine, welche eine Fluidmaschine des Spiraltyps verwendet.

Angesichts der voranstehend geschilderten Ziele weist die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung eine Spiralkompressoreinheit auf, die mit einem Paar von Spiralen versehen ist, die aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden; eine Spiralexpansionseinheit, in welcher ein Paar aneinander angepaßter Spiralen vorgesehen ist, um dazwischen eine Expansionskammer auszubilden, ein Rückschlagventil zur Verbindung der Verdichtungskammer mit der Expansionskammer, und eine Verbrennungseinheit, um in der Expansionskammer einen Brennstoff zusammen mit einem Arbeitsfluid zur Zündung zu bringen, und es zu expandieren und hierdurch die Spiralexpansionseinheit anzutreiben; und eine Verbindungseinheit, welche die Verbindung zwischen der Spiralkompressoreinheit und der Spiralexpansionseinheit zur Verfügung stellt.

Bei dieser Brennkraftmaschine werden die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit in miteinander verbundener Beziehung betrieben, so daß eine kompakte, hochwirksame Brennkraftmaschine erhalten werden kann, die einen niedrigen Schwingungspegel und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Spiralkompressoreinheit aufweisen, die mit einem Paar aus einer stationären und einer pendelnden (sich hin- und herbewegenden) Spirale versehen ist, die zu einer gegenseitigen Pendelbewegung aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden; sowie eine Spiralexpansionseinheit des Pendeltyps, die mit einem Paar aus einer stationären und einer pendelnden Spirale versehen ist, die zu einer gegenseitigen Pendelbewegung aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Expansionskammer auszubilden, ein Rückschlagventil zur Verbindung der Verdichtungskammer mit der Expansionskammer, und eine Verbrennungseinheit, um in der Expansionskammer einen Brennstoff zusammen mit einem Arbeitsfluid zur Explosion zu bringen, um es zu expandieren und hierdurch die Spiralexpansionseinheit anzutreiben; wobei die pendelnde Spirale der Spiralkompressoreinheit und die pendelnde Spirale der Spiralexpansionseinheit einstückig miteinander verbunden sind.

Bei dieser Brennkraftmaschine sind die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit vom Pendeltyp, und der Betrieb des Motors kann glatt bei hoher Geschwindigkeit verlaufen.

Alternativ hierzu kann die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung eine Drehspiralen-Kompressoreinheit aufweisen, die ein Paar drehbarer Spiralen aufweist, die zu einer gegenseitigen Pendelbewegung ausgebildet sind, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden; und eine Drehspiralen-Expansionseinheit, die mit einem Paar drehbarer Spiralen versehen ist, die zu einer gegenseitigen Pendelbewegung aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Expansionskammer auszubilden, ein Rückschlagventil zur Verbindung der Verdichtungskammer mit der Expansionskammer, und eine Verbrennungseinheit, um in der Expansionseinheit einen Brennstoff zusammen mit einem Arbeitsfluid zur Explosion zu bringen, um es zu expandieren und hierdurch die Drehspiralen- Expansionseinheit anzutreiben; und eine Drehwelle, um koaxial drehbar die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit zu haltern.

Bei dieser Brennkraftmaschine sind die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit vom Drehtyp, so daß ein glatter Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit einer verhältnismäßig kleinen Anzahl an Teilen erhalten werden kann.

Die Brennkraftmaschine kann eine Spiralkompressoreinheit aufweisen, die mit einem Paar von Spiralen versehen ist, die aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden, um ein Arbeitsfluid zu komprimieren, so daß ein verdichtetes, entzündbares Gas zur Verfügung gestellt wird; eine Spiralexpansionseinheit, die mit einem Paar von Spiralen versehen ist, die aneinander angepaßt sind, um eine Expansionskammer auszubilden, die mit der Verdichtungskammer über ein Rückschlagventil in Verbindung steht, um das komprimierte, zündbare Gas zu empfangen, und eine Zündeinheit zum Zünden und Expandieren des komprimierten zündbaren Gases in der Expansionskammer, um hierdurch eine Relativ-Pendelbewegung der Spiralexpansionseinheit zu erreichen; sowie eine Verbindungseinheit, welche die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit verbindet.

Da das Brenngas durch die Zündeinheit gezündet wird, ist bei dieser Brennkraftmaschine der Aufbau einfach und kompakt, und es läßt sich ein glatter Hochgeschwindigkeitsbetrieb erreichen.

Die Brennkraftmaschine kann, alternativ hierzu, eine Spiralkompressoreinheit aufweisen, die mit einem Paar von Spiralen versehen ist, die aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden, um ein Arbeitsfluid zu komprimieren, so daß ein komprimiertes Arbeitsfluid mit hoher Temperatur zur Verfügung gestellt wird; eine Spiralexpansionseinheit, die mit einem Paar aneinander angepaßter Spiralen versehen ist, um eine Expansionskammer auszubilden, die mit der Verdichtungskammer über ein Rückschlagventil in Verbindung steht, um das komprimierte Arbeitsgas hoher Temperatur zu empfangen, und eine Brennstoff-Einspritzeinheit zum Einspritzen von Brennstoff in die Expansionskammer, um das komprimierte Arbeitsgas hoher Temperatur zur Zündung zu bringen und zu expandieren, um hierdurch eine relative Pendelbewegung der Spiralexpansionseinheit zur Verfügung zu stellen; und eine Verbindungseinheit, welche die Verbindung zwischen der Spiralkompressoreinheit und der Spiralexpansionseinheit zur Verfügung stellt.

Bei dieser Brennkraftmaschine wird Brennstoff in das Arbeitsfluid hoher Temperatur eingespritzt, so daß der Aufbau einfach und kompakt ist und ein glatter Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht mit einer Darstellung der Pendelspiral-Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Betriebsablaufdiagramm, welches die Spiralkompressoreinheit von Fig. 1 in der Anfangsstufe des Verdichtungshubs zeigt;

Fig. 3 ein Betriebsdiagramm, welches die Spiralkompressoreinheit um 90° gedreht gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Position zeigt;

Fig. 4 ein Betriebsdiagramm, welches die Spiralkompressoreinheit um 180° gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Position gedreht zeigt;

Fig. 5 ein Betriebsdiagramm, welches die Spiralkompressoreinheit um 270° gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Position gedreht zeigt;

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Änderung des Arbeitsfluiddruckes in bezug auf den Drehwinkel der Spirale der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ein P-V-Diagramm der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Änderung des Ausgangsdrehmoments, welches durch jede Expansionskammer erzeugt wird, in bezug auf den Drehwinkel der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht mit einer Darstellung der Drehspiralen-Brennkraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 ein Betriebsablaufdiagramm mit einer Darstellung der in Fig. 9 gezeigten Spiralkompressoreinheit in der Anfangsstufe des Verdichtungshubs;

Fig. 11 ein Betriebsdiagramm mit einer Darstellung der Spiralkompressoreinheit um 90° gegenüber der in Fig. 10 gezeigten Position gedreht;

Fig. 12 ein Betriebsdiagramm mit einer Darstellung der Spiralkompressoreinheit um 180° gegenüber der in Fig. 10 gezeigten Position gedreht;

Fig. 13 ein Betriebsdiagramm mit einer Darstellung der Spiralkompressoreinheit um 270° gegenüber der in Fig. 10 gezeigten Position gedreht;

Fig. 14 ein schematisches Diagramm mit der Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Drehspiralen­ Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, welche bei einem Dieselmotor eingesetzt wird.

Fig. 1 erläutert die Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, welche ein Gehäuse 1 aufweist, in welchem eine Kompressoreinheitskammer 3 vorgesehen ist, die eine Einlaßöffnung 2 aufweist, und eine Expansionseinheitskammer 5, die mit einer Auslaßöffnung 4 versehen ist. Mit der Einlaßöffnung 2 ist ein Vergaser 2a verbunden, um beispielsweise eine Luft/Benzin-Mischung herzustellen, und eine Pendelspiral-Kompressoreinheit 7 ist innerhalb der Kompressoreinheitskammer 3 angeordnet, um das entzündbare Gas zu verdichten, beispielsweise die von der Einlaßöffnung 2 zugeführte Luft/Brennstoff- Mischung, um ein verdichtetes, entzündbares Gas herzustellen. Die Spiralkompressoreinheit 7, die von irgendeinem bekannten Typ sein kann, wie er beispielsweise in dem japanischen offengelegten Patent Nr. 61-1 90 183 beschrieben ist, und deren grundsätzlicher Aufbau und Betriebsablauf in den Fig. 2 bis 7 erläutert sind, weist ein Paar von Spiralen 11 und 12 mit identischer Abwicklungskurve oder dergleichen auf. Die beiden Spiralen 11 und 12 sind so aneinander angepaßt, daß zwischen den Spiralen 11 und 12 Verdichtungskammern 10a und 10b ausgebildet werden, die einen Einlaß 8 und einen Auslaß 9 aufweisen. Die erste Spirale 11 ist eine stationäre Spirale, welche eine Basisplatte 13 aufweist, die eine Seitenwand des Gehäuses 1 darstellt, und ein spiralförmig gewickeltes, plattenartiges Spiralteil 14, welches an der Basisplatte 13 befestigt ist. Die zweite Spirale 12 weist eine Pendelbasisplatte 18 auf, die pendelnd (hin- und herbeweglich) an einem exzentrischen Nocken 16 gehaltert ist, der an einer Drehwelle 17 befestigt ist, die drehbar durch Lager 15 auf dem Gehäuse 1 gehaltert ist, und weist ein spiralförmig gewundenes, plattenartiges Spiralteil 20 auf, welches sich von der Pendelbasisplatte 18 zur ersten Spirale 11 hin erstreckt. Die Pendelspirale 12 wird in einer Pendelbewegung bewegt, ohne daß sie ihre Orientierung ändert, wie in den Fig. 2 bis 5 gezeigt ist, und zwar durch die Nockenbetätigung durch den exzentrischen Nocken 16, so daß das entzündbare Gas durch den radial äußeren Einlaß 8 in die bogenförmige Verdichtungskammer 10 eingesaugt wird, die zwischen den Spiralteilen 14 und 20 ausgebildet ist, und dann wird das entzündbare Gas in der Verdichtungskammer 10 verdichtet, während es radial nach innen in Richtung auf das Zentrum entlang der Spiralteile bewegt wird, während die zweite Spirale 12 pendelt, wodurch ein verdichtetes, zündbares Gas von dem Auslaß 9 geliefert wird, der in der Pendelbasisplatte 18 ausgebildet ist.

Innerhalb der Expansionseinheitskammer 5 ist eine Spiralexpansionseinheit 21 des Pendeltyps mit einem Aufbau angeordnet, der ähnlich ist wie der Aufbau der Spiralkompressoreinheit 7. Die Spiralexpansionseinheit 21 weist ein Paar von Spiralen 25 und 26 mit identischer Abwicklungskurve oder dergleichen auf. Die beiden Spiralen 25 und 26 sind so aneinander angepaßt, daß zwischen den Spiralen 25 und 26 Expansionskammern 24 gebildet werden, die einen Einlaß 22 und einen Auslaß 23 aufweisen. Die dritte Spirale 25 weist ein Spiralteil 27 auf, das auf der Basisplatte 18 angeordnet ist, die mit der Spiralkompressoreinheit 7 geteilt wird, und die vierte Spirale 26 weist eine Basisplatte 29 auf, die eine Seitenwand des Gehäuses 1 darstellt, sowie ein spiralförmig gewickeltes, plattenartiges Spiralteil 30, welches an der Basisplatte 29 befestigt ist. Die pendelnden Spiralen 12 und 25 der Spiralkompressoreinheit 7 und die Spiralexpansionseinheit 21 sind koaxial auf der gemeinsamen Pendelbasisplatte 18 angebracht und führen eine Pendelbewegung in derselben Richtung durch, jedoch ist ihre Wicklungsrichtung entgegengesetzt. Weiterhin weist die Spiralexpansionseinheit 121 eine Zündkerze 31 auf, die eine innerhalb der Expansionskammer 24 angeordnete Verbrennungseinheit darstellt, um das komprimierte zündbare Gas zu zünden und zu expandieren (zur Explosion zu bringen), so daß die Explosion des zündbaren Gases die Spiralexpansionseinheit 21 dazu veranlaßt, pendelnd angetrieben zu werden. Die Zündkerze 31 ist über Leiter 32 mit einer Zündschaltung 32a verbunden.

Die gemeinsame Pendelbasisplatte 18, die der zweiten Spirale 12 und der dritten Spirale 25 gemeinsam ist, weist einen in ihr ausgebildeten Verbindungskanal 33 auf, über welchen der Auslaß 9 der Spiralkompressoreinheit 7 mit dem Einlaß 22 der Spiralexpansionseinheit 21 verbunden ist. Innerhalb des Verbindungskanals 33 ist ein Rückschlagventil 34 vorgesehen, welches dem verdichteten, entzündbaren Gas von der Spiralkompressoreinheit 7 einen Fluß nur in der Richtung zur Spiralexpansionseinheit 21 gestattet. Ein im wesentlichen kreisringförmiger, radial expandierbarer Federbalg 35 ist zwischen dem Umfang der Pendelbasisplatte 18 und dem Gehäuse 1 eingeschweißt, so daß der Federbalg 35 zusammen mit der Pendelbasisplatte 18 hermetisch den Innenraum des Gehäuses 1 in die Kompressoreinheitskammer 3 und die Expansionseinheitskammer 5 unterteilt.

Die Brennkraftmaschine weist weiterhin eine Verblockungseinheit auf, die zwischen der Spiralkompressoreinheit 7 und der Spiralexpansionseinheit 21 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform besteht die Verblockungseinheit aus der Pendelbasisplatte 18, welche gemeinsam von der Pendelspirale 12 der Spiralkompressoreinheit 7 und der Pendelspirale 25 der Spiralexpansionseinheit 21 genutzt wird. Ein Verblockungsmechanismus 36 ist auf beiden Enden auf der Pendelbasisplatte 18 angeordnet, um die Anordnung oder die Ausrichtung der Pendelbasisplatte 18 aufrecht zu erhalten. Der Verblockungsmechanismus 36 bei dieser Ausführungsform weist Zahnräder 27 auf, die an einem Ende jeder drehbaren Nockenwelle 17 angebracht sind, um die Pendelbewegung der Basisplatte 18 gemeinsam an die Spiralkompressoreinheit 7 und die Spiralexpansionseinheit 21 zu übertragen, und weist ein mit den Zahnrädern 37 in Eingriff stehendes Zahnrad 38 auf, so daß die sich drehenden Nockenwellen 17 an den gegenüberliegenden Enden der Pendelbasisplatte 18 synchron zueinander gedreht werden. Das Zahnrad 38 ist mit einem Anlasser 39 verbunden, jede der sich drehenden Nockenwellen 17 ist mit einem Gegengewicht 40 versehen, und ein Ende einer der sich drehenden Nockenwellen 17 ist verlängert, so daß es als eine Ausgangswelle 41 verwendet werden kann.

Bei der auf diese Weise aufgebauten Brennkraftmaschine werden die Pendelspiralen 12 und 15 der Spiralkompressoreinheit 7 und der Spiralexpansionseinheit 21 über den Verblockungsmechanismus 36 durch den Anlasser 39 gedreht. Dann saugt die Spiralkompressoreinheit 7 die gasförmige Luft/Brennstoff-Mischung, welche das Arbeitsfluid darstellt, durch die Einlaßöffnung 2 in die Kompressoreinheitskammer 3 ein. Die gasförmige Luft/Brennstoff-Mischung fließt durch den Einlaß 8 der Spiralkompressoreinheit 7 in die Verdichtungskammer 10 und wird in Richtung auf den zentralen Abschnitt der Zentrale bewegt und verdichtet, während die Pendelspirale 12 pendelt, und wenn sie genügend verdichtet ist, erreicht sie den zentralen Auslaß 9 und drückt durch ihren Druck das Rückschlagventil 34 auf, so daß sie durch den Verbindungskanal 33 in den Einlaß 24 der Spiralexpansionseinheit 21 gelangt. Dann wird die verdichtete Luft/Brennstoff-Mischung durch die Zündkerze 31 gezündet, so daß sie abrupt expandiert und ihren Druck erhöht. Dieser Druck kann nicht durch den Verbindungskanal 33 zurückfließen, in Folge des Rückschlagventils 34, so daß er auf die Spiralteile 25 und 26 der Spiralexpansionseinheit 21 drückt, um das Volumen der Expansionskammer 24 zu vergrößern. Die Spiralexpansionseinheit 21 wird durch dieses, sich expandierende Gas pendelnd angetrieben, und ein Teil dieser Antriebsleistung wird dazu verwendet, die Spiralkompressoreinheit 7 über die dritte Spirale 25 und die Pendelbasisplatte 18 anzutreiben, und der verbleibende Anteil der Antriebsleistung wird als Drehausgangsleistung von dem Ausgangsende 41 der Nockenwelle 17 abgenommen, welche eine Ausgangsdrehwelle ist, über die Pendelbasisplatte 18 und den exzentrischen Nocken 16. Das expandierte Gas, welches vom Zentrum der Spiralexpansionseinheit 21 radial nach außen bewegt wurde, wird in die Expansionseinheitskammer 5 ausgestoßen, und dann über die Auspufföffnung 4 nach außerhalb der Maschine abgegeben.

Fig. 6 ist eine grafische Darstellung des Drucks des Arbeitsfluids, der gegen den Drehwinkel der Spiralkompressoreinheit 7 und der Spiralexpansionseinheit 21 der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgetragen ist. Die Drehung der Spiralkompressoreinheit 7 oder der Spiralexpansionseinheit 21 bedeutet hier eine pendelnde, kreisförmige Bewegung der Pendelbasisplatte 18, die durch die Drehung des exzentrischen Nockens 16 verursacht wird, um einen Kreis mit einem Radius gleich der Exzentrizität des exzentrischen Nockens 16. In Fig. 16 wird das Arbeitsfluid, welches das entzündbare Gas innerhalb der Kompressoreinheitskammer 3 ist, durch den Einlaß 8 in die Verdichtungskammer 10a eingesaugt, die zwischen dem Paar der Spiralen 11 und 12 der Spiralkompressoreinheit 7 ausgebildet ist, in Richtung auf das Zentrum der Spiralkompressoreinheit 7 bewegt, während es verdichtet wird, während sich die Spiralkompressoreinheit 7 dreht, so daß der Druck des zündbaren Gases mit der Drehung der Spiralkompressoreinheit 7 ansteigt, wie durch eine Kurve A in Fig. 6 erläutert ist. Wenn sich die Spiralkompressoreinheit 7 um einen Drehwinkel RA dreht, so nimmt der Druck des entzündbaren Gases auf einen ausreichend hohen Druck zu, und das Rückschlagventil 34 zwischen der Spiralkompressoreinheit 7 und der Spiralexpansionseinheit 21 wird geöffnet, um so zu veranlassen, daß das unter hohem Druck stehende, entzündbare Gas in die Spiralexpansionseinheit 21 eingesaugt wird. Dies ist durch eine Kurve B in Fig. 6 erläutert. Die weitere Drehung der Spiralkompressoreinheit 7 führt dazu, daß das verdichtete, zündbare Gas von der Spiralexpansionseinheit 21 empfangen wird, und ein Verdichtungshub endet bei einem Drehwinkel RB = RE, und hierauf folgt der nächste Verdichtungshub.

Bei dem Winkel RA, bei welchem das Rückschlagventil 16 öffnet, wird das verdichtete, unter hohem Druck stehende entzündbare Gas von der Verdichtungskammer 10 der Spiralkompressoreinheit 7 an den Einlaß 22 der Expansionskammer 24 der Spiralexpansionseinheit 21 abgegeben. Bei einem Drehwinkel RB wird das der Expansionskammer 24 zugeführte zündbare Gas durch die Zündkerze 31 im Zentralbereich der Spiralexpansionseinheit 21 gezündet, wodurch es zur Explosion gelangt und abrupt seinen Druck erhöht, wie durch eine Kurve C in Fig. 6 gezeigt ist, und dann veranlaßt, wie durch eine Kurve D in Fig. 6 gezeigt ist, das expandierende Gas die Expansionskammer 24 zur Expansion, und die Spiralexpansionseinheit 21 zu einer Pendelantriebsbewegung, während es sich zum äußeren Umfangsbereich der Spiralexpansionseinheit 12 bewegt und schließlich in die Expansionseinheitskammer 5 ausgestoßen wird. Der Expansionshub dauert daher von dem Drehwinkel RD bis zum Drehwinkel RC, und der Expansionshub und der Expansionshub sind gegeneinander versetzt und überlappen einander um einen Drehwinkel (RB-RA).

Fig. 7 ist ein P-V-Diagramm des Drucks und des Volumens des zündbaren Gases im Zusammenhang mit der Verdichtungskammer 10 und der Expansionskammer 24. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, erhöht das zündbare Gas, welches in die Verdichtungskammer 10a eingesaugt wird, seinen Druck entsprechend der Abnahme des Volumens entlang der Kurve a-b in dem Verdichtungshub, und während es sich von der Spiralkompressoreinheit 7 zur Spiralexpansionseinheit 21 über das Rückschlagventil 16 am Ende des Verdichtungshubs (dem Punkt b) bewegt, erfahren sein Druck und sein Volumen im wesentlichen keine Änderung, wie durch die Linien b-c -d gezeigt ist. Wenn das zündbare Gas gezündet wird, steigt der Druck des Arbeitsgases äußerst schnell auf einen sehr hohen Pegel an, ohne eine wesentliche Volumenänderung, wie durch eine Kurve d-e gezeigt ist. Daraufhin, wie durch eine Kurve e-f gezeigt ist, verringert das Arbeitsgas allmählich seinen Druck, während es das Volumen der Expansionskammer 24 der Spiralexpansionseinheit 21 zu einer Vergrößerung veranlaßt und an einem Punkt f ausgestoßen wird. Wenn die Anzahl der Umdrehungen der Spirale der Spiralexpansionseinheit 21 größer gewählt wird als die der Spirale der Spiralkompressoreinheit 7, so daß das Gas an einem Punkt g ausgestoßen wird, so kann die Energie des Arbeitsgases wiedergewonnen werden, die einer Kurve f-g entspricht.

Fig. 8 ist eine grafische Darstellung des Betrages des Ausgangsdrehmoments, welches von der Drehwelle 17 über die Spirale von einer vorbestimmten Expansionskammer 24 erhalten wird, in bezug auf einen Zyklus (Drehwinkel) von einer Explosion bis zur nächsten Explosion innerhalb dieser bestimmten Expansionskammer 24 der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. In jedem Zyklus nimmt das Ausgangsdrehmoment abrupt bei jeder Explosion zu und verringert sich, während die Drehung fortschreitet. Das voranstehend angegebene Drehmoment wird wiederholt für jede Expansionskammer 24 erzeugt, und in Folge dieser Drehmomente, die durch die mehreren Expansionskammern erzeugt werden, und in Folge der Drehkraft der beweglichen Teile des Motors, kann ein Drehmoment erhalten werden, welches als ein Motordrehmoment sehr glatt ist. Die Schwankung des Motordrehmoments beträgt etwa 5%, was sich einfach von der Tatsache her verstehen läßt, daß die Drehmomentänderung in dem Spiralkompressor gering ist, wie im Stand der Technik wohlbekannt ist.

Die Fig. 9 bis 13 erläutern eine weitere Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, welche ein Gehäuse 101 aufweist, in welcher eine Kompressoreinheitskammer 104 mit einer Einlaßöffnung 103 und eine Expansionseinheitskammer 106 mit einer Auslaßöffnung 105 ausgebildet sind. Mit der Einlaßöffnung 103 der Kompressoreinheitskammer 104 ist ein Vergaser 103a verbunden, so daß ein Arbeitsfluid, welches beispielsweise ein entzündbares Gas aus einer Luft/Benzin-Mischung ist, durch die Einlaßöffnung 103 zugeführt wird, und eine Spiralkompressoreinheit 107 ist innerhalb der Kompressoreinheitskammer 104 angeordnet, um das zündbare Gas zu verdichten und so ein verdichtetes, zündbares Gas zu bilden. Die Spiralkompressoreinheit 107, die von irgendeinem bekannten Typ sein kann, wie er beispielsweise in dem japanischen offengelegten Patent Nr. 61-1 90 183 oder in dem US-Patent Nr. 48 42 490 beschrieben ist, und deren grundsätzlicher Aufbau und Betriebsablauf in den Fig. 10 bis 13 erläutert sind, weist ein Paar Spiralen 113 und 114 mit identischer Abwicklungskurve oder dergleichen auf. Die beiden Spiralen 113 und 114 sind so aneinander angepaßt, daß zwischen den Spiralen 113 und 114 Verdichtungskammern 112a und 112b ausgebildet werden, die mit einem Einlaß 110 und mit einem Auslaß 111 versehen sind. Die erste Spirale 113 weist eine Drehwelle 115 auf, eine von der Drehwelle 115 gehalterte Basisplatte 116, und ein spiralförmig gewickeltes, plattenartiges Spiralteil 117, welches an der Basisplatte 116 befestigt ist. Die zweite Spirale 114 weist eine ähnliche Drehwelle 118 auf, eine Basisplatte 119, und ein spiralförmig gewickeltes, plattenartiges Spiralteil 20, welches sich von der Pendelbasisplatte zur ersten Spirale 11 hin erstreckt. Diese Spiralen 113 und 114 werden in derselben Richtung um die jeweiligen Achsen parallel zueinander gedreht, während sie miteinander in Eingriff stehen, so daß das entzündbare Gas durch den radial äußeren Anlaß 110 in die bogenförmige Verdichtungskammer eingesaugt wird, die zwischen den Spiralteilen 117 und 120 ausgebildet ist, und dann wird das zündbare Gas verdichtet, während es radial nach innen in Richtung zum Zentrum entlang der Spiralteile bewegt wird, wodurch ein verdichtetes, zündbares Gas von dem Auslaß 111 zugeführt wird, der in der Drehwelle 118 ausgebildet ist. Während die beiden Spiralen wie in den Fig. 10 bis 13 gezeigt gedreht werden, ist die relative Positionsbeziehung zwischen zwei Spiralen ähnlich wie bei dem Pendeltyp, der in den Fig. 2 bis 5 dargestellt ist.

Die Drehwelle 118 erstreckt sich durch eine Trennwand 102 des Gehäuses 101 und ist mit der Spiralexpansionseinheit 121 verbunden, die in der Expansionseinheitskammer 106 angeordnet ist. Die Spiralexpansionseinheit 121 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Spiralkompressoreinheit 107 und weist ein Paar Spiralen 127 und 128 auf, die drehbar durch Lager 122 und 123 gehaltert sind und miteinander in Eingriff stehen, so daß Expansionskammern 126, die einen Einlaß 124 und einen Auslaß 125 aufweisen, zwischen den Spiralen 127 und 128 ausgebildet werden. Die dritte Spirale 127 weist eine von dem Lager 122 gehalterte Drehwelle 118 auf, eine Basisplatte 129 und ein Spiralteil 130, und die vierte Spirale 128 weist eine Drehwelle 131 auf, die eine von dem Lager 123 gehalterte Ausgangswelle ist, eine Basisplatte 132 und ein Spiralteil 133. Die Spiralkompressoreinheit 107 und die Spiralexpansionseinheit 121 sind koaxial auf der gemeinsamen Drehwelle 118 so angeordnet, daß sie sich in derselben Richtung drehen, aber ihre Wickelrichtung ist einander entgegengesetzt. Weiterhin weist die Spiralexpansionseinheit 121 eine Zündkerze 135 auf, die eine Verbrennungseinheit darstellt, die innerhalb der Expansionskammer 126 angeordnet ist, um das verdichtete, zündbare Gas zu zünden und zu expandieren, so daß die Explosion des zündbaren Gases die Spiralexpansionseinheit 121 dazu veranlaßt, drehend angetrieben zu werden. Die Zündkerze 135 ist mit einer Zündschaltung 135a über Leiter 137 durch einen Schleifring 136 verbunden.

Die gemeinsame Drehwelle 188, die einstückig die zweite Spirale 114 und die dritte Spirale 127 verbindet, ist mit einem in ihr ausgebildeten Verbindungskanal 139 versehen, durch welchen der Auslaß 111 der Spiralkompressoreinheit 107 an den Einlaß 124 der Spiralexpansionseinheit 121 angeschlossen ist. Innerhalb des Verbindungskanals 139 ist ein Rückschlagventil 140 vorgesehen, welches dem verdichteten zündbaren Gas von der Spiralkompressoreinheit 107 einen Fluß nur in der Richtung zur Spiralexpansionseinheit 121 hin gestattet.

Die Brennkraftmaschine gemäß dieser Ausführungsform weist weiterhin eine Verblockungseinheit 154 auf, die zwischen der Spiralkompressoreinheit 107 und der Spiralexpansionseinheit 121 angeordnet ist. Die Verblockungseinheit 154 weist Spiral-Zahnräder 141 und 142 auf, die als Tellerzahnräder ausgebildet sind, die an den Basisplatten 116 und 119 der Spiralkompressoreinheit 107 angebracht sind, Spiral-Zahnräder 143 und 144, die an den Basisplatten 129 und 132 der Spiralexpansionseinheit 121 angebracht sind, vier Zwischenzahnräder 145, 146, 147 und 148, die mit den jeweiligen Spiral-Zahnrädern 141 bis 144 in Eingriff stehen, und eine Zahnradwelle 149, um diese Zahnräder 145 bis 148 miteinander zu verbinden. Die Zahnradwelle 149 ist mit dem Gehäuse 107 über Lager 150, 151 und 152 gehaltert, und ihr eines Ende ist zur Außenseite des Gehäuses 101 hin verlängert, wo sie mit einem Anlasser 153 verbunden ist. Die Verblockungseinheit 154 gestattet es, daß vier Spiralen 113, 114, 127 und 128 glatt und synchron miteinander gedreht werden.

In der auf diese Weise aufgebauten Brennkraftmaschine können die Spiralkompressoreinheit 107 und die Spiralexpansionseinheit 121 durch den Anlasser 153 über die Verblockungseinheit 154 gedreht werden. Dann saugt die Spiralkompressoreinheit 107 die gasförmige Luft/Brennstoff-Mischung durch die Einlaßöffnung 103 in die Kompressoreinheitskammer 104 ein. Die gasförmige Luft/Brennstoff-Mischung fließt in die Kompressionskammer 112 durch den Einlaß 110 der Spiralkompressoreinheit 107 und wird in Richtung auf den zentralen Abschnitt der Spirale bewegt und verdichtet, während sich die Spirale 12 dreht, und wenn sie genügend verdichtet ist, erreicht sie den zentralen Auslaß 111 und drückt durch ihren Druck das Rückschlagventil 140 auf, so daß sie durch den Verbindungskanal 139 in den Einlaß 144 der Spiralexpansionseinheit 121 gelangt. Die verdichtete Luft/Brennstoff-Mischung wird dann durch die Zündkerze 135 zur Zündung gebracht, so daß sie abrupt expandiert und ihren Druck erhöht. Dieser Druck kann in Folge des Rückschlagventils 140 nicht zurück durch den Verbindungskanal 139 fließen, so daß er auf die Spiralteile 130 und 133 der Spiralexpasionseinheit 121 drückt und das Volumen der Expansionskammer 126 vergrößert. Die Spiralexpansionseinheit 121 wird durch die Antriebsleistung dieses expandierenden Gases drehend angetrieben. Ein Teil dieser Antriebsleistung wird dazu verwendet, die Spiralkompressionseinheit 107 über die dritte Spirale 127 und die Drehwelle 118 sowie die Verblockungseinheit 154 anzutreiben, und der verbleibende Anteil der Antriebsleistung wird als eine Drehausgangsleistung von der Ausgangsdrehwelle 131 der vierten Spirale 128 abgenommen. Das expandierte Gas, welches innerhalb der Spiralexpansionseinheit 121 von ihrem Zentrum aus radial nach außen bewegt wird, wird durch den Auslaß 125 in die Expansionseinheitskammer 106 und dann über die Auspufföffnung 105 nach außerhalb der Maschine ausgestoßen.

Auch bei dieser Ausführungsform sind die Druckeigenschaften in bezug auf den Drehwinkel und die Druckeigenschaften in bezug auf das Volumen, betrachtet anhand des Arbeitsfluids der Brennkraftmaschine, ebenso wie die Drehmomenteigenschaften der Expansionskammer in bezug auf den Drehwinkel, so wie in den Graphen der Fig. 6 bis 8 dargestellt, so daß die Drehmomentschwankung der Spiralkompressoreinheit und die Schwankungen des Ausgangsdrehmoments klein sind und ein sehr glattes Ausgangsdrehmoment erhalten wird. Da die Spiralen in dieser Ausführungsform sich drehen, sind die bei der vorherigen Ausführungsform erforderlichen Gegengewichte 40 nicht notwendig, wodurch der Aufbau des Motors erheblich einfacher und leichter ist als bei der vorherigen Ausführungsform.

Zwar verwendet die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform die Spiralkompressoreinheit 107 und die Spiralexpansionseinheit 121, bei welchen die ersten und die zweiten Spiralen 113 und 114 ebenso wie die dritten und die vierten Sprialen 127 und 128 jeweils durch die jeweiligen Verblockungszahnräder 145 bis 148 angetrieben werden, jedoch können einige der Spiralen der Spiralkompressoreinheit 107 und der Spiralexpansionseinheit 121 so betrieben werden, daß sie als eine Antriebsspirale verwendet werden, und die andere der Spiralen kann als eine angetriebene Spirale eingesetzt werden, die durch die Antriebsspiralen angetrieben wird.

Fig. 14 erläutert eine Ausführungsform, bei welcher die Brennkraftmaschine des Drehspiraltyps bei einem Dieselmotor eingesetzt wird. Vergleicht man diese Brennkraftmaschine mit der in Fig. 9 gezeigten Brennkraftmaschine, so wird deutlich, daß die Zündkerze von der Drehwelle 115 entfernt und statt dessen ein Brennstoff-Einspritzventil 164 vorgesehen ist. Im einzelnen ist die Anordnung so, daß das Gehäuse 101 mit einer Brennstoffpumpe 162 versehen ist, so daß der Brennstoff den Brennstoff-Zufuhrkanal 163 in der Drehwelle 115 über einen Ringraum zugeführt wird, der um die Drehwelle 115 herum mit Hilfe von Dichtringen 160 und 161 ausgebildet ist, und von dem Brennstoff-Einspritzventil 164 in die Expansionskammer 126 eingespritzt wird. In anderer Hinsicht ist der Aufbau identisch wie bei der vorherigen Ausführungsform, die im Zusammenhang mit den Fig. 9 bis 13 beschrieben wurde. Da der Dieselmotor ein hohes Verdichtungsverhältnis von beispielsweise 1 : 20 aufweist, und die verdichtete Luft, die der Expansionskammer 126 zugeführt wird, eine sehr hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweist, wie wohlbekannt ist, explodiert der Brennstoff sofort, wenn er von dem Brennstoff-Einspritzventil 164 in die Expansionskammer 126 eingespritzt wird, um den Expansionshub einzuleiten. Der Betriebsablauf-Zyklus in diesem Fall ist ebenfalls gleich dem in den Fig. 6 bis 8 erläuterten Betriebsablauf.

Wie voranstehend beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine des Spiraltyps realisiert, so daß eine kompakte, mit hoher Geschwindigkeit und hohem Wirkungsgrad arbeitende Brennkraftmaschine erhalten werden kann.

Claims (14)

1. Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Spiralkompressoreinheit, die mit einem Paar von Spiralen versehen ist, die so aneinander angepaßt sind, daß dazwischen eine Verdichtungskammer ausgebildet wird;
eine Spiralexpansionseinheit, die mit einem Paar von Spiralen versehen ist, die so aneinander angepaßt sind, daß dazwischen eine Expansionskammer ausgebildet wird, ein Rückschlagventil zur Verbindung der Verdichtungskammer mit der Expansionskammer, und eine Verbrennungseinheit, um in der Expansionskammer einen Brennstoff zusammen mit einem Arbeitsfluid zur Explosion zu bringen, um es hierdurch zu expandieren und auf diese Weise die Spiralexpansionseinheit anzutreiben; und
eine Verbindungseinheit, welche die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit miteinander verbindet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit Einheiten des rotierenden Spiraltyps sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Spiralen des Spiralenpaars sowohl der Spiralkompressoreinheit als auch der Spiralexpansionseinheit eine stationäre Spirale ist, und daß die andere Spirale eine pendelnde Spirale ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit koaxial so angeordnet sind, daß sie sich in derselben Richtung drehen.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale auf der Auslaßseite der Spiralkompressoreinheit und die Spirale auf der Einlaßseite der Spiralexpansionseinheit einstückig miteinander verbunden sind.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinheit einen Getriebemechanismus aufweist, der mit der Spiralkompressoreinheit und der Spiralexpansionseinheit verbunden ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinheit ein Spiral-Zahnrad aufweist, welches sowohl an der Spiralkompressoreinheit als auch an der Spiralexpansionseinheit befestigt ist, Verbindungszahnräder, die mit den Spiralzahnrädern in Eingriff stehen, und eine die Verbindungszahnräder verbindende Zahnradwelle.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Spiralen der Spiralkompressoreinheit und eine der Spiralen der Spiralexpansionseinheit einstückig Rücken an Rücken miteinander verbunden sind, und daß die andere der Spiralen der Spiralkompressoreinheit und die andere der Spiralen der Expansionseinheit einander gegenüberliegend angeordnet sind, und daß die einstückig miteinander verbundenen Spiralen Drehspiralen sind.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Spiralen der Spiralkompressoreinheit und eine der Spiralen der Spiralexpansionseinheit Antriebsspiralen sind, und daß die jeweils andere der Spiralen der Spiralkompressoreinheit und die jeweils andere der Spiralen der Spiralexpansionseinheit angetriebene Spiralen sind, die durch die Antriebsspirale angetrieben werden.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralexpansionseinheit eine größere Anzahl von Spiralwindungen aufweist als die Spiralkompressoreinheit.

11. Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Spiralkompressoreinheit, die ein Paar aus einer stationären und einer pendelnden Spirale aufweist, die gegeneinander hin- und herbeweglich aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden; und
eine Spiralexpansionseinheit des Pendeltyps, die mit einem Paar aus einer stationären und einer pendelnden Spirale versehen ist, die gegeneinander pendelbeweglich aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Expansionskammer auszubilden, ein Rückschlagventil zur Verbindung der Verdichtungskammer mit der Expansionskammer, und eine Verbrennungseinheit, um in der Expansionskammer einen Brennstoff zusammen mit einem Arbeitsfluid zur Explosion zu bringen, um es hierdurch zu expandieren und so die Spiralexpansionseinheit anzutreiben;
wobei die Pendelspirale der Spiralkompressoreinheit und die Pendelspirale der Spiralexpansionseinheit einstückig miteinander verbunden sind.

12. Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Drehspiralen-Kompressoreinheit, die mit einem Paar drehbarer Spiralen versehen ist, die zur gegenseitigen Pendelbewegung aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden;
eine Drehspiralen-Expansionseinheit, die mit einem Paar drehbarer Spiralen versehen ist, die zu einer gegenseitigen Pendelbewegung aneinander angepaßt sind, um dazwischen eine Expansionskammer auszubilden, ein Rückschlagventil zur Verbindung der Verdichtungskammer mit der Expansionskammer, und eine Brennereinheit, um in der Expansionskammer einen Brennstoff zusammen mit einem Arbeitsfluid zur Explosion zu bringen, um es hierdurch zu expandieren und so die Drehspiralen-Expansionseinheit anzutreiben; und
eine Drehwelle zur koaxialen Drehhalterung der Spiralkompressoreinheit und der Spiralexpansionseinheit.

13. Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Spiralkompressionseinheit, die mit einem Paar von Spiralen versehen ist, die aneinander so angepaßt sind, daß dazwischen eine Verdichtungskammer ausgebildet ist, um ein Arbeitsfluid zu verdichten, um ein verdichtetes, zündbares Gas zur Verfügung zu stellen;
eine Spiralexpansionseinheit, die mit einem Paar aneinander angepaßter Spiralen versehen ist, um eine Expansionskammer auszubilden, die mit der Verdichtungskammer über ein Rückschlagventil in Verbindung steht, um das verdichtete, zündbare Gas zu empfangen, und eine Zündeinheit, um in der Expansionskammer das verdichtete, zündbare Gas zur Explosion zu bringen und zu expandieren, um hierdurch eine Relativ-Pendelbewegung der Spiralexpansionseinheit hervorzurufen; und
eine Verbindungseinheit, welche die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit miteinander verbindet.

14. Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch:
eine Spiralkompressoreinheit, die mit einem Paar aneinander angepaßter Spiralen versehen ist, um dazwischen eine Verdichtungskammer auszubilden, um ein Arbeitsfluid zu verdichten, um so ein verdichtetes Arbeitsfluid auf hoher Temperatur zur Verfügung zu stellen;
eine Spiralexpansionseinheit, die mit einem Paar aneinander angepaßter Spiralen versehen ist, um eine Expansionskammer auszubilden, die mit der Verdichtungskammer über ein Rückschlagventil in Verbindung steht, um das eine hohe Temperatur aufweisende, verdichtete Arbeitsgas zu empfangen, und eine Brennstoff-Einspritzeinheit zur Einspritzung von Brennstoff in die Expansionskammer, um das verdichtete Arbeitsgas, welches die hohe Temperatur aufweist, zur Explosion zu bringen und zu expandieren, um hierdurch die Spiralexpansionseinheit zu einer Relativ-Pendelbewegung zu veranlassen; und
eine Verbindungseinheit, welche die Spiralkompressoreinheit und die Spiralexpansionseinheit miteinander verbindet.