DE4440924A1 - Brennkraftmaschine mit umlaufenden Kolben als 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor - Google Patents

Brennkraftmaschine mit umlaufenden Kolben als 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor

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Description

Dieser 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor wirkt ähnlich wie der in meiner Patentanmeldung P 43 30 033.2 beschriebene 3-Scheiben-Kreiskolben­ motor, hat jedoch neben konstruktiven Änderungen auch wesentliche Vorteile im Ablauf der Funktionen, eine bessere Ausnutzung des zu­ geführten Kraftstoffes und eine Verringerung der Schadstoffe in den Abgasen durch Zuführung von verdichteter Frischluft.
In der Beschreibung der Patentanmeldung P 43 30 033.2-13 ist angegeben, daß andere Zusammenstellungen der Scheiben möglich sind, wobei jedoch zwei oder mehr Kompressionsscheiben an einer Arbeitsscheibe vorgesehen sind. Bei dem hier beschriebenen 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor sind zwei Kompressionsscheiben an zwei Arbeitsscheiben angeordnet. Die beiden Arbeitsscheiben sitzen auf einer gemeinsamen Welle, ebenso die beiden Kompressionsscheiben. Der Motor hat also nur zwei Wellen. Die Länge des Motors wird dadurch um 1/3 kürzer und ergibt eine kompaktere Bauweise, die sich besonders beim Einbau in Kraftfahrzeuge günstig auswirkt.
Dadurch können aber die Scheibendurchmesser größer gemacht werden wodurch ein größeres Drehmoment erzeugt wird. Beim Vergleich mit einem entsprechenden Kurbeltriebmotor wird ein Vielfaches dessen Drehmomentes erreicht, das bereits bei niedrigen Drehzahlen in maximaler Größe zur Verfügung steht, also im Bereich der hauptsächlich auftretenden Leistungen und bleibt relativ konstant.
Beim 3-Scheiben-Kreiskolbenmotor können die Arbeitsgase nur über eine Wellendrehung von ca. 120° ausgenutzt werden, während sie bei diesem Motor 180° ausgenutzt werden können und dadurch den Wirkungsgrad ver­ bessern.
Dadurch, daß die Kolben der beiden Arbeitsscheiben um 180° versetzt sind, wird die Antriebswelle ununterbrochen angetrieben.
Aus konstruktiven Gründen können ca. 15% der auf Kompressionsdruck verdichteten Frischluft nicht in die Brennkammern geleitet werden, sondern werden nach Schließung der Öffnungen zu den Brennkammern in die Abgasleitung gedrückt. Dabei wird das Abgas abgekühlt und verdünnt und dadurch schadstoffärmer.
Diese Frischluftmenge entsteht dadurch, daß nach Schließung der Öffnung zur Brennkammer zwischen der Vorderkante des Kolbens der Kompressionsscheibe und dem vorderen Gegenlager ein mit verdichteter Frischluft gefüllter Raum zurückbleibt. Beim Einscheren des Kolbens in den Zwischenraum der Arbeitsscheibe wird diese verdichtete Frischluft direkt in die Abgasleitung geleitet.
Durch eine entsprechende Anordnung der zuleitenden und ableitenden Öffnungen an den Brennkammern wird eine vollständige Spülung der Brenn­ kammern erreicht, so daß die Vermischung der verdichteten Frischluft mit den verbrauchten Abgasen nahezu vermieden wird.
Sowohl die Frischluft- als auch die Abgasleitungen sind so bemessen, daß auch bei hohen Drehzahlen kein Stau entstehen kann. Diese Leitungen umspannen ca. 100° des äußeren Scheibenumfanges und erreichen daß diese Takte auf eine Wellendrehung von über 300° ausgedehnt werden.
Alle beweglichen Teile des Motors sind zentrisch gelagerte Drehteile und weil die Kolben der auf einer Welle befindlichen Scheiben um 180° versetzt sind, ist eine exakte Auswuchtung möglich, die auch bei hohen Drehzahlen einen fast vibrationsfreien Lauf gewährleistet.
Als Alternativ-Lösung kann die Steuerung von Funktionen durch ein selbsttätig wirkendes Rückschlagventil ausgeführt werden. Durch den Verbrennungsdruck in der Brennkammer wird das Rückschlagventil ge­ schlossen. Nach Abschluß des Arbeitstaktes und Entleerung der Brenn­ kammer drückt die vorverdichtete Frischluft das Ventil wieder auf, und die Luft kann in die Brennkammer einströmen.
Für eine bessere Dichtung zwischen den Kolben und Zwischenräumen wird in meiner Patentschrift P 43 30 033.2 eine spezielle Verzahnung ange­ geben, die auch hier übernommen werden kann. Eine weitere Lösung, die die Verwendung einer normalen Verzahnung zwischen Scheiben mit unter­ schiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten ermöglicht, wird in meiner Gebrauchsmusteranmeldung G 94 21 023.3 beschrieben.
Der 4-Scheibenmotor kann auch als Kompressor, ohne Einlaßventil, oder Expansionsmaschine, ganz ohne Ventile (z. B. in Verbindung mit meinem Patent Nr. 42 26 547) ausgebildet werden. Dabei führen alle Scheiben bei jeder Umdrehung einen Arbeitstakt aus und haben eine gemeinsame Eintritts- und gemeinsame Austrittsöffnung.
Wirkungsweise
Der 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor arbeitet nach dem 4-Takt-Verfahren. Die Kompressionsscheiben (6) führen den Ansaug- und den Verdichtungs­ takt aus, die Arbeitsscheiben (3) den Arbeits- und den Auslaßtakt.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise einer Motorhälfte beschrieben, die andere Motorhälfte wirkt genauso , aber um 180° versetzt.
Beim Ansaugtakt füllt sich der Zwischenraum (8) der Kompressionsscheibe (6) mit Frischluft und wenn die Vorderseite des Kolbens (7) das Ende Der Einlaßöffnung (12) erreicht hat beginnt der Verdichtungstakt. Dabei dient der Kolben (4) der Arbeitsscheibe (3) als vorderes Gegen­ lager. Die Luft wird bis zu einem bestimmten Druck vorverdichtet, bevor die Öffnung (20) vor dem Kolben (7) der Kompressionsscheibe die Öffnung (14) zur Brennkammer (16) freigibt und die Luft strömt in die Brennkammer. Das noch vorhandene verbrauchte Arbeitsgas wird über den Schlitz (19) im Kolben (4) der Arbeitsscheibe (3) in ihren Zwischenraum (5) gedrückt und gelangt dann in die Abgasleitung (13). In der Brenn­ kammer verbleibt nur Frischluft, die dann weiter verdichtet wird. Dabei wird der Ausgang (15) der Brennkammer durch den Kolben (4) der Arbeitsscheibe (3) verschlossen. Wenn die Öffnung (20) im Kolben der Kompressionsscheibe (6) die Öffnung (14) verläßt, ist der Verdichtungs­ takt abgeschlossen.
In der Zeitspanne zwischen Beendigung der Verdichtung und Beginn des Arbeitstaktes erfolgt die Einspritzung und Zündung des Kraftstoffes. Sie entspricht einer Wellendrehung von ca. 60° und reicht aus um eine vollständige und schadstoffarme Verbrennung des Kraftstoffes zu er­ reichen.
Nach Freigabe der Öffnung (15) der Brennkammer (16) zum Arbeitsraum (5) beginnt der Arbeitstakt, bei dem der Kolben (7) der Kompressionsscheibe (6) das hintere Gegenlager bildet. Nach einer Welldrehung von 180° endet dieser Takt, gleichzeitig wird die Abgasleitung (13) freigegeben und der Auslaß des verbrauchten Gases beginnt und dauert über eine Wellendrehung von ca. 300° an.
Dieser 4-Scheiben-Kreiskolbenmotor führt bei einer Umdrehung zwei Ar­ beitstakte aus, und weil die beiden Motorhälften um 180° versetzt sind wird die Arbeitswelle (9) ständig angetrieben.
In beiliegenden Zeichnungen ist eine Konstruktionsmöglichkeit darge­ stellt.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gehäuse (2). Im Grundrahmen (1) ist die Arbeitswelle (9) und die Kompressionswelle (10) gelagert, mit denen die Arbeitsscheibe (3) und die Kompressionsscheibe (6) fest verbunden sind. Sie werden durch das Gehäuse (2) abgedeckt , in dem auch die Ansaugöffnung (12) und Auslaßöffnung (13) angebracht sind, ebenso die Öffnung (14) zur Brennkammer und (15) von der Brennkammer zum Arbeits­ raum (5). Die Kompressionsscheibe (6) hat den Kolben (7) und den Zwi­ schenraum (8), die Arbeitsscheibe (3) den Kolben (4) und Zwischenraum (5).
Die Stellung beider Scheiben entspricht dem Beginn des Arbeitstaktes.
Aus der Öffnung (15) strömt das hochverdichtete Verbrennungsgas in den Zwischenraum (5) der Arbeitsscheibe (3) (Arbeitsraum) und drückt den Kolben (4) in Drehrichtung weiter. Dabei bildet der Kolben (7) der Kompressionsscheibe (6) das hintere Widerlager. Wenn die Rückseite des Kolbens (4) die Auslaßöffnung (13) erreicht hat ist der Arbeitstakt abgeschlossen und die verbrauchten Arbeitsgase strömen in die Auslaß- Öffnung bis die Vorderkante des Kolbens (4) diese Öffnung wieder schließt.
Der Zwischenraum (8) der Kompressionsscheibe (6) hat sich inzwischen über die Ansaugöffnung (12) mit Frischluft gefüllt und wenn die Vorder­ seite des Kolbens (7) das Ende der Ansaugöffnung erreicht hat ist der Ansaugtakt beendet. Der Kolben (4) der Arbeitsscheibe (3) schert in den Zwischenraum (8) der Kompressionsscheibe ein und der Verdichtungs­ takt beginnt. Nachdem die Frischluft vorverdichtet ist, wird sie über die Öffnung (20) am Kolben der Kompressionsscheibe und die Öffnung (14), die sich im Gehäuse (2) befindet in die nicht dargestellte Brennkammer geleitet. Durch den Druck verdrängt sie die dort noch vorhandenen Restgase, die über den Schlitz (19) im Kolben (4) der Arbeitsscheibe (3) in den Arbeitsraum gedrückt werden, der noch den Auslaßtakt aus­ führt. Danach schließt der Kolben der Arbeitsscheibe die Öffnung (15) und der Verdichtungstakt wird fortgeführt bis die Öffnung (20) am Kol­ ben (7) der Kompressionsscheibe (6) das Ende der Öffnung (14) erreicht hat und diese verschließt. Dadurch wird der Verdichtungstakt beendet. Der Kraftstoff wird eingespritzt und gezündet. Wenn dann die Rückseite des Kolbens (4) der Arbeitsscheibe die Öffnung (15) freigibt beginnt der nächste Arbeitstakt.
Fig. 2 stellt einen Schnitt durch die Arbeitsscheiben dar. Mit der Antriebswelle (9) sind die Arbeitsscheiben (3) beider Motor­ hälften und das Zahnrad (11) festverbunden. Die Welle ist im Grund­ rahmen (1) gelagert, die Arbeitsscheiben werden durch das Gehäuse (2) abgedeckt.
Fig. 3 zeigt die Ansicht des Motors. Auf den Grundrahmen (1) ist das Gehäuse (2) mit den Einlaßöffnung (12) und der Auslaßöffnung (13) angeordnet. Die Brennkammer (16) ist mit dem Gehäuse verbunden und trägt die Zündvorrichtung (17) und Kraft­ stoffzuführung (18). Die Einlaßöffnung (14) für das Frischgas zur Brennkammer und die Öffnung (15) der hochverdichteten Verbrennungs­ gase zum Arbeitsraum sind an der Innenseite des Gehäuses angebracht. Ferner sind die Wellen (9) und (10) dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Motors. Auf dem Grundrahmen (1) sind die Gehäuse (2) mit ihren Ansaugöffnungen (12) und Auslaßöffnungen (13) angeordnet, ebenso die Brennkammern (16) mit den Zündvorrichtungen (17) und Kraftstoffzuführungen (18). In der Mitte sind die Wellen (9) und (10) dargestellt.
Die Zeichnungen 5, 6 und 7 beziehen sich auf die Alternativ-Lösung mit dem selbsttätig wirkenden Rückschlagventil.
Fig. 5 zeigt die Einlaßöffnung (22) für die vorverdichtete Frischluft vom Zwischenraum (8) der Kompressionsscheibe (6) zum Rückschlagventil (21). Die Einlaßöffnung (15) für die hochverdichteten Verbrennungs­ gase zum Arbeitsraum bleibt unverändert.
Fig. 6 ist eine Ansicht der Brennkammer (16) mit Zündvorrichtung und Kraft­ stoffzuführung sowie dem Rückschlagventil und die Öffnungen (22) und (15).
Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Brennkammer (16) mit dem Rückschlagventil (21), der Zündvorrichtung (17) und der Kraftstoffzuführung (18).
Bezugszeichenliste
1 Grundrahmen
2 Gehäuse
3 Arbeitsscheiben
4 Kolben der Arbeitsscheiben
5 Zwischenraum der Arbeitsscheiben
6 Kompressionsscheiben
7 Kolben der Kompressionsscheiben
8 Zwischenraum der Kompressionsscheiben
9 Welle der Arbeitsscheiben
10 Welle der Kompressionsscheiben
11 Zahnräder
12 Ansaugöffnungen für Frischluft
13 Auslaßöffnungen für Abgas
14 Öffnungen im Gehäuse für die Frischluft zu den Brennkammern
15 Öffnungen im Gehäuse für hochkomprimiertes Gas zu den Arbeitsräumen
16 Brennkammern
17 Zündvorrichtungen
18 Kraftstoffzuführungen
19 Schlitze zur Spülung der Brennkammern nach Abschluß der Arbeits- Takte und Schließung der Öffnungen (15)
20 Öffnungen an den Kolben der Kompressionsscheiben als Verbindung für die vorverdichtete Frischluft zu den Öffnungen (14) zu den Brennkammern
21 selbsttätige Rückschlagventile
22 Öffnungen für vorverdichtete Frischluft zu den Rückschlagven­ tilen in den Brennkammern.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine mit umlaufenden Kolben als 4-Scheibenmotor, der nur aus zentrisch gelagerten Drehteilen besteht und nach dem 4-Takt-Verfahren mit innerer Gemischbildung arbeitet, bestehend aus zwei Arbeits- (3) und 2 Kompressionsscheiben (4), die jeweils mit gleichgroßen Zahnrädern (11) durch eine Welle fest verbunden sind, wobei die Kolben der einen in die Zwischenräume der andern Scheiben einscheren, die beiden Wellen (9+10) in einem Grundrahmen (1) gela­ gert und die Scheiben mit dem Gehäuse (2) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Funktionen über Schlitze gesteuert und durch die Kolben geregelt werden.
2. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülung der außenliegenden Brennkammern (16) dadurch erfolgt, daß die angesaugte Frischluft vorverdichtet wird, dann erst über die geöffneten Schlitze (14+20) in Brennkammern gelangt und die dort noch verbliebenen Restgase des vorherigen Arbeitstaktes über den Schlitz (19) im Kolben (4) der Arbeitsscheibe (3) in die Abgas-Öff­ nung (13) drückt.
3. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß- und der Einlaßtakt über eine Wellendrehung von 300° wirksam sind und dadurch ein Stau und überhöhte Gasgeschwindigkeiten vermieden werden.
4. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß komprimierte Frischluft in die Abgasöffnung (13) geleitet wird, die das verbrauchte Abgas abkühlt und schadstoffärmer macht.
5. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Alternativ-Lösung vor den Brennkammern (16) ein selbsttätiges Rückschlagventil (21) eingebaut wird.
6. Konstruktion wie Anspruch 1, jedoch als Kompressor ausgebildet, dadurch gekennzeichnet, daß alle 4 Scheiben keine Einlaßventile benötigen, bei jeder Umdrehung einen Ansaug- und einen Verdichtungstakt ausführen und nur eine gemeinsame Luft-Eintritts- und Austrittsöffnung haben.
7. Anspruch nach 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einem Generator für hochverdichtete Verbren­ nungsgase als Arbeitsmaschine wirkt und dabei keine besonderen Ventile benötigt.
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