DE4401285A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit rotierendem Kolben.

Derartige Maschinen sind an sich bekannt, haben sich jedoch bisher in der Praxis nicht in dem ursprünglich erwarteten Um­ fang durchsetzen können, weil die bisher bekannten Ausführungs­ formen mit einer verhältnismäßig aufwendigen Kinematik arbei­ teten und auch die Lebensdauer und der Kraftstoffverbrauch nicht den an Maschinen mit rotierendem Kolben geknüpften Er­ wartungen entsprach.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Maschine mit rotierenden Kolben anzugeben, bei welcher durch ein neuartiges kinematisches Prinzip eine einfachere und daher kostensparen­ dere Herstellung möglich wird und auftretende Abnutzungen durch entsprechende Nachstellmöglichkeit weitgehend kompen­ sierbar sind.

Die Erfindung hat sich weiterhin zur Aufgabe gestellt, ein be­ sonders einfaches, für die Anwendung bei Maschinen mit rotie­ rendem Kolben gut geeignetes neues kinematisches Prinzip anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einer Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwei Hohlzylinder koaxial zueinander mit Abstand voneinander angeordnet sind, deren einander zu­ gewendete Stirnseiten entlang des Umfangs einen wellenarti­ gen Verlauf haben, daß zwischen diesen Stirnseiten ein von einer zu den Zylindern koaxialen Welle getragener ringförmi­ ger Rotor angeordnet ist, welche auf den, den genannten Stirnseiten zugewendeten Flächen einen entlang des Umfanges derartigen wellenartigen Verlauf aufweist, daß die Wellen­ länge auf der Stirnseite des Hohlzylinders gleich ist der Wellenlänge der zugewendeten Rotorseite, so daß bei der Ro­ tation des Rotors zwischen einer zugewendeten Stirnseite der beiden Hohlzylinder periodisch wechselnd Hohlräume von zuerst zunehmender und dann wieder abnehmender Größe gebil­ det werden.

Es ist zweckmäßig, wenn die Zahl und die Länge der Wellen auf beiden Seiten des Rotors gleich groß sind und die Wellen auf der einen Rotorseite gegen die Wellen auf der anderen Rotor­ seite entlang des Umfanges gegeneinander versetzt sind, vor­ zugsweise etwa um ein Viertel der Wellenlänge.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Maschine als Brennkraftmaschine derart ausgebildet, daß den Hohlräumen Brennstoff zugeführt und etwa im Zeitpunkt des jeweils ge­ ringsten Hohlraumvolumens gezündet und der verbrannte Brenn­ stoff nach dem folgenden Arbeitshub wieder abgeführt wird.

Hierbei ist es günstig, die welligen Ringflächen des Rotors und die diesen zugewendeten Stirnseiten der beiden Hohlzylin­ der derart auszubilden, daß die Wellenberge des einen Bauteils genau in die Wellentäler des anderen Bauteils passen, jedoch mit der Maßgabe, daß die Wellenberge der beiden Hohlzylinder im Bereich einer maximalen Amplitude eine Abflachung aufwei­ sen.

Weitere Ausgestaltungen und Fortbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im Nachstehenden wird die Erfindung in Verbindung mit den ein Ausführungsbeispiel darstellenden Figuren und zugehörigen Diagrammen näher beschrieben. Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei den zum Teil schematisch vereinfacht gezeichneten Figu­ ren zeigt

Fig. 1 Diagramme zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 2 die linke Hälfte eines Axialschnittes durch eine erfindungsgemäß ausgeführte Brennkraftmaschine,

Fig. 3 einen Querschnitt A-B durch eine Brennkraftmaschine nach Fig. 2,

Fig. 4 bis 8 Diagramme zur Erläuterung des Bewegungsablaufes während eines Arbeitstaktes einer Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine.

Die Zeichnungen und Diagramme betreffen als Ausführungsbei­ spiel eine doppelt wirkende Brennkraftmaschine mit der Min­ destzahl der erforderlichen Brennkammern.

In Fig. 1 ist schematisch vereinfacht angedeutet, wie sich das Volumen der Brennkammern bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Brennkraftmaschine während einer Umdrehung ändert, und zwar als Folge der Relativbewegung zwischen der ringförmigen Stirnfläche eines Hohlzylinders einerseits und der dieser zugewendeten Stirnfläche eines rotierenden Läufers andererseits. Der besseren Deutlichkeit halber ist der Hohl­ raum durch Schraffur deutlich sichtbar gemacht.

Es sind vier Bewegungsphasen a), b), c) und d) gezeichnet, und zwar als Abwicklung entlang des Umfanges der ringförmi­ gen Stirnfläche des feststehenden Zylinders und der dieser zugewendeten Stirnfläche des Rotors. In den vier aufeinander­ folgenden Bewegungsphasen a), b), c) und d) ist jeweils links durch die Linie 10 die Stirnfläche des Rotors und rechts durch die Linie 11 gegenüberliegende Stirnfläche des feststehen­ den Zylinders angedeutet. Sowohl die ringförmige Stirnfläche des Zylinders als auch die gegenüberliegende Fläche des Rotors haben entlang des Umfanges einen wellenförmigen Verlauf.

In der Darsellung gemäß Kurvenzug a) ist bei 12 ein kleiner Hohlraum 13 vorhanden, und zwar als Folge einer geringfügi­ gen Abflachung der im Bereich der Maximalamplitude der wel­ lenförmigen Oberfläche 10 des links gezeichneten feststehenden Zylinders.

Dieser Hohlraum bildet die Brennkammer, und darin befindet sich im Falle des Otto-Prinzips durch die vorangegangene Relativ­ bewegung komprimiertes Zündungsluftgemisch bzw. im Falle eines Diesel-Prinzips komprimierte Luft, in welche der Kraftstoff eingespritzt wird. Bei 12 beginnt in jedem Fall die Verbrennung des vorhandenen Kraftstoffes. Kurvenzug b) zeigt als nächste Bewegungsphase ein Zwischenbild aus dem Arbeitshub. Der Rotor hat sich in Richtung des Pfeiles 14 weiterbewegt und dadurch ist das Volumen der schraffiert gezeichneten Brennkammer 13 größer geworden. Kurvenzug c) zeigt das Ende des Arbeitshubes. In der Mitte der Brennkammer 13 ist zwischen den Linien 10 und ein Maximalabstand 15 erreicht. In den nun folgenden Kurven­ zug d) ist deutlich erkennbar, daß durch weitere Relativbe­ wegung des Rotors gegenüber dem feststehenden Zylinder das Volumen der Brennkammer 13 kleiner wird, also die verbrannten Gase nun durch ein - in der Figur nicht dargestelltes - Aus­ laßventil ausgestoßen werden. Gegenüber der Brennkammer 13 befindet sich um 180 Grad versetzt, noch eine weitere Kam­ mer 17, die durch andere Schraffierung gekennzeichnet ist. Im Kurvenzug a) ist die Kammer 17 am Ende der Ausschiebphase, also mit kleinstem Volumen, gezeichnet, im Kurvenzug b) ist diese Kammer während des Ansaugens, also mit bereits größerem Volumen, und im Kurvenzug c) in der Endphase des Ansaugens, also mit maximalem Volumen, dargestellt.

Bei der gewählten Darstellung ist im Kurvenzug c) unten der größte Teil der Kammer 17 und oben noch der dazugehörige Rest der Kammer 17 erkennbar.

Im Kurvenzug d) ist die Kammer 17 während der Kompression, also mit bereits verkleinertem Volumen, erkennbar.

Die Kurvenzüge der Fig. 1 lassen erkennen, wie durch die Re­ lativbewegung von zwei wellenförmig ausgebildeten, einander­ zugewendeten Begrenzungsflächen Kraftstoff angesaugt, kompri­ miert, im Arbeitshub expandiert und schließlich wieder ausge­ stoßen wird. Für das Dieselprinzip gelten diese Diagramme sinngemäß. Die Bildung dieses zur Aufnahme des Kraftstoffes bestimmten Hohlraumes erfolgt also in Anlehnung an das Prin­ zip des Wankel-Motors, jedoch in einer wesentlich einfacheren und infolgedessen andersartigen Weise.

Die Stelle für das Einlaß- und das Auslaßventil bleibt bei allen aufeinanderfolgenden Phasen bzw. Takten unverändert; es ist gegebenenfalls auch möglich, das Öffnen und Schließen der Ventilöffnungen durch Steuerkanten des Rotors zu voll­ ziehen.

In Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch die linke Hälfte einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkraftmaschine dargestellt. Diese besteht im wesentlichen aus zwei konzentrisch zur Achse 2 angeordneten Hohlzylindern 21 und 22. Die einander zugewendeten Stirnseiten 21′ und 22′ haben entlang ihres Umfanges einen wellenförmigen Verlauf, wie in Fig. 1 dargestellt. Innerhalb der beiden Hohlzylinder ist ein Rotor 24 angeordnet, der an den in den Hohlzylindern 21 und 22 gelagerten Dichtringen 25 anliegt. Der Rotor hat einen nach außen vorspringenden ring­ förmigen Teil 27, dessen Stirnflächen 27′ und 27′′ entlang ihres Umfanges denselben wellenförmigen Verlauf zeigen wie die Kurve 10.

In Fig. 1 hat der Rotor an seiner Innenseite eine vorspringen­ de Verzahnung 29, welche mit einem Ritzel kämmt, das verdre­ hungsfest auf der Abtriebswelle 31 befestigt ist.

Die beiden Hohlzylinder 21 und 22 und der sie umgebende ge­ gen Verdrehung gesicherte Außenmantel 32 sowie die Abtriebs­ welle 31 sind in einem käfigartigen Gestell gelagert, welches aus zwei Stirnteilen 35 und 36 sowie mehreren, diese verbin­ denden, außen liegenden Schraubenbolzen besteht. Die Achse eines Schraubenbolzens ist mit 37 bezeichnet.

Während der Hohlzylinder 21 über die Schraubenbolzen 40 und 41 fest mit dem Außenzylinder 32 und dem käfigartigen Rahmen 35, 36, 37 verbunden und gegen diesen außerdem mittels der Paßfe­ der 43 gesichert ist, ist der Hohlzylinder 22 in diesem Kä­ fig in Richtung der Achse 20 längsverschiebbar gelagert, wo­ bei er mittels der Paßfeder 44 gegen Verdrehung gesichert ist. Zwischen dem Stirnteil 36 und der zugewendeten Stirnseite des Hohlzylinders 22 sind als Energiespeicher wirkende Feder­ elemente 46 angeordnet, welche den Hohlzylinder 22 gegen die zugewendete Stirnfläche 27′′ des Rotors drücken. Die Vor­ spannung dieser Federelemente kann mittels mehrerer, entlang des Umfanges verteilter Schrauben eingestellt werden; in der Figur ist nur die Achse 37 einer dieser Schrauben angedeutet.

Die Abdichtung zwischen dem nach außen vorspringenden ring­ förmigen Teil 27 des Rotors 24 und dem Außenzylinder 32 wird mittels der Dichtringe 25 bewirkt.

In den Zwischenraum zwischen den Innenflächen der Hohlzylinder 20 und 21 einerseits, und den diesen zugewendeten Ringflächen des Rotors andererseits, wird über die Leitungen 47 Drucköl zugeführt, welches ein einwandfreies Gleiten der betreffen­ den Flächen gewährleistet und in das Innere des Motorraumes abfließt. Die Oberfläche der Stirnseiten der Dichtringe 25 ist wellenförmig ausgebildet und die Dichtringe liegen in Nuten, welche in geringem Abstand von den einander zugewende­ ten Stirnflächen 21′ bzw. 22′ der beiden Hohlzylinder 21 bzw. 22 und parallel zu diesen angeordnet sind.

Außerdem wird über die Leitung 48 Drucköl in den Ringspalt zugeführt, welcher von der Außenfläche des Kolbens 27, der Innenfläche des Hohlzylinders 32 und den Dichtringen 42 be­ grenzt wird. Das im Ringspalt befindliche Drucköl bewirkt eine hydrostratische Lagerung des Kolbens 27. Das Öl strömt entlang des Umfanges des Kolbens 27 und fließt durch die Öff­ nung 49 ab.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß - in Drehrichtung des Rotors 24 gesehen - die Öffnung 49 für die Ableitung kurz vor der Öff­ nung 48 für die Zufuhr des Drucköls liegt.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch die Brennkraftmaschine, entsprechend den Linien A-B der Fig. 2. Aus dieser Figur ist deutlich zu ersehen, daß die Abtriebswelle 31 exzentrisch zur Achse 50 der Hohlzylinder 21 und 22 angeordnet ist.

Die Wellenberge an den einander zugewendeten Stirnflächen 21′ und 22′ der beiden Hohlzylinder 21 und 22 sind etwas abge­ flacht. Diese Abflachung ist derart geformt und bemessen, daß beim Übergang vom größten Volumen einer Brennkammer, also wenn zwei Wellentäler einander gegenüberstehen, zum kleinsten Vo­ lumen, wenn ein Wellenberg in einem Wellental liegt, für Otto- Motoren eine Verdichtung von 8 bis 15 Atmosphären, bei Die­ selmotoren von 30 bis 50 Atmosphären erfolgt.

Im vorstehenden ist eine Maschine beschrieben, welche nach dem Vier-Takt-Verfahren arbeitet. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, diese Maschine derart zu modifizieren, daß sie nach dem Zwei-Takt-Verfahren arbeitet.

Die Fig. 4 bis 8 zeigen fünf aufeinanderfolgende Bewegungs­ phasen während eines einmaligen Umlaufes des Rotors 24 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Es sei vorausgesetzt, daß die Brennkraftmaschine auf jeder Seite des Rotors zwei Kammern bildet und die Verbrennung nach dem Viertaktverfahren arbeitet. Zu einer vollständigen Arbeitsperiode ist nur eine Um­ drehung der Rotorwelle nötig.

In den Fig. 4 bis 7 ist die Bezeichnungsweise der einzelnen Teile in Übereinstimmung mit den Fig. 2 und 3 gewählt. Der Rotor 24 bewegt sich in Richtung der Pfeile 60 relativ zu dem feststehenden Hohlzylinder 21 und den in Richtung des Pfeiles 61 verschiebbar gelagerten Hohlzylinder 22. Zwischen den Stirnflächen des Rotors und den ihm zugewendeten Stirn­ flächen 21′ und 22′ sind vier Brennkammern, die in der Reihen­ folge der in ihnen stattfindenden Zündungen mit I, II, III bzw. IV. bezeichnet sind, wobei die Brennkammer I der in dem Diagramm der Fig. 1 eingezeichneten Brennkammer 13 entspricht. Durch die Relativbewegung zwischen wellenförmig ausgebildeten Stirnflächen des Rotors und den in analoger wellenför­ mig ausgebildeten Stirnflächen 21′ und 22′ nimmt die Größe der einzelnen Brennkammern periodisch abwechselnd zu und ab.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Bewegungsphase findet beim Ottoprozeß - der im folgenden beschrieben werden soll - in der Brennkammer I (welche dem Hohlraum 13 in Fig. 1 entspricht) eine Zündung des komprimierten brennfähigen Gemisches statt.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Bewegungsphase hat sich der Rotor 24 in Richtung der Pfeile 60 nach links verschoben und das Volumen der Brennkammer I, in welcher die Verbrennung stattfindet, ist größer geworden; diese Kammer leistet Arbeit.

In Fig. 6 hat die Brennkammer I ihr maximales Volumen erreicht, während dieses bei der in Fig. 7 dargestellten Bewegungsphase bei geöffnetem Auslaß bereits verringert ist. Der verbrannte Brennstoff wird aus Brennkammer I verdrängt. Die Bewegungs­ phase der Fig. 8 zeigt das Ende des Auslaßaktes der Brennkam­ mer I; bei Weiterbewegung des Rotors Fig. 24 beginnt der Ansaug­ takt.

Die Brennkammer II ist in der in Fig. 4 dargestellten Bewe­ gungsphase mit zündfähigem Gemisch gefüllt. Dieses wird in der in Fig. 5 dargestellten Bewegungsphase komprimiert und bei der in Fig. 6 dargestellten Bewegungsphase gezündet.

Fig. 7 zeigt den Arbeitshub der Brennkammer II und Fig. 8 das Ende dieses Arbeitshubes der Brennkammer II sowie den Zeit­ punkt der Zündung des komprimierten Gemisches in der Brenn­ kammer III.

Bei Weiterdrehung des Rotors 24 folgt der Arbeitstakt der Brennkammer III und der folgenden Auslaßtakt, wie vorstehend sinngemäß in Zusammenhang mit den Brennkammern I und II be­ schrieben.

Bei Weiterdrehung des Rotors um 90° gegenüber der in Fig. 8 gezeichneten Stellung erfolgt dann die Zündung in Brennkam­ mer IV und sinngemäß weiterhin Arbeitstakt, Auslaß und Ver­ dichtung und es wird die in Fig. 4 dargestellte Bewegungsphase erreicht, worauf sich der beschriebene Vorgang sinngemäß wie­ derholt.

Claims (15)

1. Maschine mit rotierendem Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hohlzylinder (21, 22) koaxial zueinander mit Abstand voneinander angeordnet sind, deren einander zugewendete Stirnseiten (21′ 22′) entlang des Umfanges einen wellenartigen Verlauf haben, daß zwi­ schen diesen Stirnseiten ein von einer zu den Zylindern koaxialen Welle getragener ringförmiger Rotor (24) ange­ ordnet ist, welcher auf den, den genannten Stirnseiten (21′, 22′) zugewendeten Flächen (27′, 27″) einen entlang des Umfangs derartigen wellenartigen Verlauf aufweist, daß die Wellenlänge auf der Stirnseite des Hohlzylinders gleich ist der Wellenlänge der zugewendeten Rotorseite (27′ bzw. 27″), so daß bei der Rotation des Rotors (24) zwischen eine zugewendeten Stirnseite der beiden Hohlzylinder periodisch wechselnd Hohlräume (I, II, III, IV) von zuerst zunehmender und dann wieder abnehmender Größe gebildet werden.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl und die Länge der Wellen auf beiden Sei­ ten (27′, 27″) des Rotors (24) gleich groß sind und die Wellen auf der einen Rotorseite (27′) gegen die Wellen auf der anderen Rotorseite (27″) entlang des Umfanges gegen­ einander versetzt sind, vorzugsweise etwa um ein Viertel der Wellenlänge.

3. Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Brennkraftmaschine ausgebildet, daß den Hohl­ räumen (I, II, III, IV) Brennstoff zugeführt und etwa im Zeitpunkt des jeweils geringsten Hohlraumvolumens gezün­ det und der verbrannte Brennstoff nach dem folgenden Ar­ beitshub wieder abgeführt wird.

4. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der­ artige Formgebung der welligen Ringflächen des Rotors (24) und der diesen zugewendeten Stirnseiten der beiden Hohlzy­ linder (21, 22), daß die Wellenberge des einen Bauteils genau in die Wellentäler des anderen Bauteils passen, jedoch mit der Maßgabe, daß die Wellenberge der beiden Hohlzylin­ der (21, 22) im Bereich einer maximalen Amplitude eine Abflachung aufweisen.

5. Maschine nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachung der Wellenberge an den welligen Stirn­ flächen (21′ und 22′) der beiden Hohlzylinder (21, 22) derart geformt und bemessen ist, daß beim Übergang vom größten Volumen einer Brennkammer, also wenn zwei Wellen­ täler einander gegenüberstehen, zum kleinsten Volumen, al­ so wenn ein Wellenberg in einem Wellental liegt, bei Otto-Motoren eine Verdichtung von 8 bis 15 bzw. bei Diesel­ motoren von 30 bis 50 Atmosphären erfolgt.

6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (24) eine entlang des Umfanges wellenförmig gestal­ tete Kreisringscheibe (27) aufweist und beiderseits dieser Scheibe je einen koaxialen hohlzylindrischen Fortsatz trägt, dessen Außenradius kleiner ist als der äußere Ra­ dius der Scheibe.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlzylinder (21, 22) je wenigstens einen Dicht­ ring (25) tragen, welche den Brennraum zwischen zylindri­ scher Außenseite des Rotors (24) und Innenseite des Außen­ mantels (32) abdichten.

8. Maschine nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Stirnseiten der Dichtringe (25) wellenförmig ausgebildet ist und die Dichtringe (25) in Nuten liegen, welche in geringem Abstand von den einander zugewendeten Stirnseiten (21′ bzw. 22′) der beiden Hohl­ zylinder (21, 22) und parallel zu diesen angeordnet sind.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (32) im Bereich zwischen den beiden Dichtrin­ gen (42) wenigstens eine Öffnung (48) für die Zufuhr von Drucköl und wenigstens eine Öffnung (49) für die Ablei­ tung dieses Drucköls hat.

10. Maschine nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß, in Drehrichtung (60) des Rotors (24) gesehen, die Öffnung (49) für die Ableitung des Drucköls kurz vor der Öffnung (48) für die Zufuhr des Drucköls liegt.

11. Maschine nach Anspruch 1 und 10, gekennzeichnet durch eine Ölzuführung (47) zu der von der vorspringenden Ring­ scheibe (27) des Rotors (24) abgewendeten Seite der Dicht­ ringe (25), durch welche Drucköl zugeführt wird, welches nach oben bzw. unten zwischen der Außenseite (24′) der hohlzylindrischen Teile des Rotors (24) und der Innenseite der Hohlzylinder (21, 22) abfließt.

12. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem feststehenden Gehäuse bzw. Käfig (36) einer­ seits, und dem in axialer Richtung verschiebbar gelager­ ten Hohlzylinder (22) andererseits, ein Kraftspeicher (46) angeordnet ist, der vorzugsweise aus Federn besteht.

13. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß ein ringförmiger Raum zwischen Gehäuse bzw. Käfig (36) einerseits und Außenmantel (32) sowie beweglichem Kolben (22) andererseits vorgesehen ist, der mit Öl gefüllt ist, wobei der Öldruck durch abwechselnde Zufuhr bzw. Ableitung des Öls im Rhythmus mit der Axialverschiebung des Hohl­ zylinders (22) gesteuert wird.

14. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auf seiner Innenseite eine Verzahnung (29) besitzt, welche mit einem auf der Abtriebswelle (31) drehfest befe­ stigten Ritzel (30) kämmt.

15. Maschine nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (31) innerhalb des Rotors (24) außer­ mittig zu diesem angeordnet ist.