DE69725864T2

DE69725864T2 - Brennkraftmaschine mit zentralbrennkammer

Info

Publication number: DE69725864T2
Application number: DE69725864T
Authority: DE
Inventors: Lans Enrique Eduardo Guarner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: EP0924405A1; WO1998004820A1; EP0924405B1; US5743220A; DE69725864D1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die metallmechanische Industrie in Hinsicht auf Rotationseinrichtungen zur Erzeugung von Bewegung durch das Verbrennen von Kraftstoff, wobei die Einrichtungen primär in der Transportindustrie verwendet werden. Sie ist eine Brennkraftmaschine vom sogenannten Zentralkammer-Verbrennungstyp oder -Motor, welcher aus einer Gruppe von axial gegenläufigen Kolben besteht, die sich von einer zentralen Verbrennungskammer nach außen bewegen, wo Gleiteinrichtungen an radialen Führungen oder Flanschen angebracht sind, die einem optimalen, zeitbegrenzten (finite-time), thermodynamischen Weg des Otto-Zyklus folgen, und durch welche die Bewegung der Hauptwelle oder -achse der Maschine erzeugt wird.
Hintergrund der Erfindung
Seit der Erfindung der Motor- und Bewegungssysteme, die auf Dampfinaschinen basieren, bis zum heutigen Zeitpunkt haben sich die Maschinen stark entwickelt, speziell in Hinsicht auf ihre Anwendungen, Konstruktionen und die Vorrichtungen, welche ihre Arbeit effizienter und langlebiger machen.
Verschiedene Bewegungsinduktionseinrichtungen sind eingesetzt worden, gemäß dem Zweck und der Verwendung der Maschine oder den Raumbedingungen, dem Zugang zu den Bewegungseinrichtungen sowie ihren Aufgaben. Somit sind Maschinen basierend auf der indirekten Verwendung von Kraftstoff entwickelt worden, die verschiedene Energiequellen benutzen, wie z. B. unter anderem Elektrizität, Wind, Wasser und Dampf.
Obwohl die Verwendung von Maschinen wie die oben genannten, die nicht direkt von dem Kraftstoff Gebrauch machen, erfolgreich war, wie z. B. im Falle der Elektromotoren, hat sich die Verwendung von Brennkraftmaschinen (mit direkter Verwendung des Kraftstoffs) stark entwickelt, und zwar wegen der Eigenschaften, die sie speziell für Transportfahrzeuge geeignet machen, wie z. B. unter anderem Autos, Lastwagen, Traktoren und andere Systeme, wie z. B. elektrische und Pumpen-Untereinheiten.
In Hinsicht auf Brennkraftmaschinen, die nach dem sogenannten Otto-Zyklus arbeiten, hat sich deren Verwendung in starkem Grade entwickelt, speziell in der Automobil- und Transportindustrie, und sie hat die Entwicklung einer der größten und wichtigsten Industrien der Welt in Gang gesetzt.
Basierend auf den traditionellen Prinzipien des genannten Zyklus, welcher die Einlass-, Kompressions, Arbeits- und Auslass-Takte umfasst, haben die Neuerungen und Verbesserungen, die an Brennkraftmaschinen durchgeführt wurden, zu einer Suche nach höheren Wirkungsgraden und Ausbeuten geführt. Die Motivation hinter der Erforschung dieser Änderungen steht im Wesentlichen in Verbindung mit der Erhöhung der Kraftstoffpreise, und in letzter Zeit mit dem Bedarf, die Emission von Verschmutzungsgasen aufgrund von Umweltschutzregelungen zu reduzieren.
Es sind viele Erfindungen gemacht worden, deren Aufgabe es gewesen ist, die Ausbeuten und die Verwendungen von Maschinen zu verbessern, und es gab sogar radikale Vorschläge, um die traditionellen Konzepte, auf welche Maschinen basieren, stark zu modifizieren. Diese fortschreitenden Anstrengungen durch Firmen und Erfinder können anhand der großen Anzahl von Patentdokumenten beobachtet werden, die jedes Jahr auf diesem Gebiet veröffentlich werden, sowie anhand anderer hierauf bezogener Studien.
Bjarne Andresen, Peter Salomon und R. - Stephen Berry haben den Otto-Zyklus einer Brennkraftmaschine theoretisch hinsichtlich seiner Einlass-, Kompressions-, Arbeits- und Auslass-Takte optimiert, wobei die Drehzahl und die Position des Kolbens für den vollständigen Zyklus so definiert wurde, dass die maximale Arbeit pro Zyklus erhalten wird. Bei diesem optimalen Zyklus haben die Takte nicht dieselbe Länge und sind nicht symmetrisch, aber die Frage, wie man eine Maschine zu bauen habe, die dieser optimalen Bahn folgt, wurde nicht beantwortet.
Auf einem eher praktischen Feld sind andere Alternativen auf das Schaffen alternativer Motorsysteme gerichtet worden, wie z. B. diejenigen, die auf Drehmechanismen basieren, wie z. B. unter anderem der sogenannte Wankelmotor. Einige dieser Mechanismen haben die operativen Phasen am Markt erreicht, wie z. B. der Wankelmotor, der von Mazda hergestellt wird. Jedoch war sein kommerzieller Erfolg nicht insgesamt befriedigend, und die Firma fuhr damit fort, die herkömmlichen Maschinenkonzepte anzubieten.
In den meisten Fällen haben die Entscheidungen, die auf einer ökonomischen Sichtweise basieren, wobei die hohen Kosten identifiziert werden, die mit dem Übergang eines gigantischen Industriesektors, wie z. B. der Automobilindustrie, zu einigen dieser radikalen Innovationen verbunden sind, keine vollständige Analyse der technischen Vorschläge gestattet, wie sie die oben genannten darstellen. Grundlegende Modifizierungen sind notwendigerweise bei verschiedenen Konzepten der betreffenden Industrien erforderlich, und dies hat den Entscheidungsprozess schwierig gemacht.
Somit sind nur allmähliche Neuerungen bezüglich der Kolben, Nocken, Wellen und Ventile vorgeschlagen worden, um die Leistung und die Betriebswirkungsgrade zu steigern und verschiedene Umweltauflagen zu erfüllen. Deswegen ist die resultierende Maschine immer ausgeklügelter geworden.
Keiner dieser Vorschläge war in Hinsicht darauf wirklich transzendent, der Maschine einen optimalen Wirkungsgrad zu geben und Elemente zu vereinfachen.
Trotz des Obigen hat der Anmelder gemäß der vorliegenden Erfindung eine alternative Maschine geschaffen, die auf der Bahnoptimierung basiert, die durch die zeitbegrenzte (finitetime) thermodynamische Theorie vorgeschlagen wird. Sie ist eine technische Alternative, die sich zusätzliche speziell um Aspekte kümmert wie Einfachheit, Verlässlichkeit und Wirtschaftlichkeit und die entscheidend bei der Modifizierung der herkömmlichen Maschinen sein kann, wie sie derzeit von den meisten Automobilherstellern im Transportsektor eingesetzt wird.
In diesem Sinne hat der Anmelder die vorliegende Erfindung darauf basierend vorgeschlagen, was im Weiteren ein Zentralkammer-Verbrennungsmotor (central combustion chamber motor (CCCM)) genannt wird, mit einer strukturellen Ausbildung, welche sich von allen bisher vorgeschlagenen Verwendungen des Viertakt-Kolbens unterscheidet. Sie ist dahingehend charakteristisch, dass sie eine unterschiedliche Verwendung von Kolben und Ventilen macht, ohne diese Elemente abzuschaffen, was geringe Komplexität und Konstruktionskosten ermöglicht. Dies gestattet es, Wirkungsgradverbesserungen in der Leistung der Maschine zu erzielen, sowie eine wichtige Verringerung der Herstellungs- und Installationskosten, und zwar unter Verwendung der in der Industrie vorhandenen technologischen Grundlagen und im Vergleich zu den Herstellungskosten von Turbinen und anderen Typen von Rotationssystemen.
Einige aus der großen Anzahl der erteilten Patente haben Vorschläge oder Alternativen für Maschinenanordnungen aufgezeigt, welche die Hauptstruktur modifizieren. So zeigt beispielsweise das US-Patent 4,887,558 der französischen Firma Aerospaciale Societe Nationale den Vorschlag für ein Brennkraftmaschinenkonzept mit ringförmig gegenläufigen bzw. gegenüberliegenden Kolben und einer Haupt- oder Zentralwelle. Diese Maschine versucht von dem Konzept gegenläufiger Kolben Verwendung zu machen, mit einer Bewegung nach innen bezüglich der Maschine während des Expansionshubes, wobei die Bewegung zu einer Führungsanordnung hin übertragen wird, die im Mittelteil der Maschine angeordnet ist. Man beobachtet, dass diese Ausführungsform neue Alternativen für den Wirkungsgrad und die dynamische Balance der arbeitenden Maschine bietet, jedoch wird aus der Komplexität der Brennkammern sowie aus der übermäßigen Kraftkonzentration, die von den Kolben auf die Führungen übertragen wird, deutlich, dass der Betrieb ernsthafte Nachteile mit sich bringt.
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat vorgeschlagen, das Konzept gegenüberliegender Kolben mit einer zentralen Brennkammer zu kombinieren, wo die Bewegungsübertragungskraft sorgfältig kontrolliert bzw. eingestellt wird, um innerhalb der optimalen Bahn des Otto-Zyklus zu bleiben.
Der Zentralkammer-Verbrennungsmotor (CCCM) der vorliegenden Erfindung umfasst somit eine Anordnung, die durch Kolben gebildet wird, die von entgegengesetzten Enden zu den Brennkammern hin kommen, wobei diese Kammern Einlass- und Auslass-Einstellvorrichtungen (Ventile) für die Brennstoffgase haben; Zündungseinrichtungen oder Zündkerzen, um die Verbrennung der Gase auszulösen, und Bewegungsübertragungseinrichtungen von den Kolben, die durch die Zündung der Verbrennungsgase aktiviert werden, zur Hauptmaschinenwelle, welche längs entlang derselben Maschinenanordnung positioniert ist, unter Verwendung von Gleiteinrichtungen zu diesem Zweck, wobei damit eine verbesserte Betriebsleistung, Balance der arbeitenden Maschine und eine vollständigere Verbrennung des verwendeten Kraftstoffs erzielt wird.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit einer zentralen Brennkammer mit einfacher Konstruktion anzubieten, mit vereinfachten Bestandteilen, um eine Vollständigkeit sowohl in Hinsicht auf ihre Funktion als auch ihre Herstellung zu erzielen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit zentraler Brennkammer anzubieten, welche der Optimierungsbahn des Otto-Zyklus folgt, um eine höhere Energie und einen höheren Wirkungsgrad in Hinsicht auf die Kraftstoffverwendung zu erzielen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit zentraler Brennkammer anzubieten, die dazu in der Lage ist, optimalen Bahnwegen der Diesel-Zyklen zu folgen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausführungsform einer Zentralkammer-Brennkraftmaschine anzubieten, deren Gesamt-Teileanzahl verringert ist, und zwar im Vergleich mit herkömmlichen Ausbildungen der bekannten Brennkraftmaschinen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit zentraler Brennkammer anzubieten, die symmetrische Eigenschaften in solcher Weise aufweist, dass diese die vollständige Verbrennung des verwendeten Kraftstoffes fördern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zentralkammer-Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche wegen der Konstruktionseigenschaften der Brennkammern und wegen der Gasexpansionsarbeit solche Leistungsattribute zeigt, dass thermische Energie besser verwendet wird, die durch expandierende Gase erzeugt wird und somit die Verwendung der Kühlsysteme merklich im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen vereinfacht werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System anzubieten, welches neben einer geeigneten Funktion als Zentralkammer-Brennkraftmaschine wegen seiner physikalischen und strukturellen Ausbildung funktional modifiziert werden kann, um als Kompressor und Luftmaschine verwendet zu werden.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung mit ihren verschiedenen Alternativen und Ausführungsformen, die sie im Vergleich zu herkömmlicher Technologie sehr vorteilhaft machen, werden deutlicher und in besserem Detail im folgenden Abschnitt der vorliegenden Beschreibung erkennbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt eine vordere Teilansicht des Zentralkammer-Verbrennungsmotors (CCCM) in einer bevorzugten Anordnung oder Ausführungsform der Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die ihn sie bildenden Baugruppen teilweise dargestellt sind.
Die 2 ist eine teilweise geschnittene Ansicht des Zentralkammer-Verbrennungsmotors (CCCM) gemäß der Erfindung, welche die Ventilpositionen hinsichtlich einer Ausführungsform mit vier Brennkammern zeigt, sowie die Anordnung der Hebel oder Bewegungsübertragungseinrichtungen desselben, und zwar in einer der Positionen der Maschine, wie sie durch eine optimale Bahn bestimmt werden.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Zentralkammer-Brennkraftmaschinen-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß den Aspekten, die in darstellender, jedoch nicht eingrenzender Weise in Zeichnungen gezeigt sind, und gemäß dem, was in 1 gezeigt ist, besteht die vorliegende Erfindung aus einer Brennkraftmaschine, speziell mit einem optimierten Bahnweg des Otto-Zyklus, welche durch eine Anordnung gebildet wird, die ausgebildet ist durch eine Hauptachse (10), die ebenfalls die Hauptwelle ist, mit welcher an ihren Längsenden kreisförmige Einrichtungen verbunden sind, die radiale Führungen oder Flansche enthalten, welche Erhöhungen oder Vertiefungen sein können (21-a) und (21-b), während in ihrem Mittel- bzw. Zwischenabschnitt eine Anordnung von zentralen Brennkammern vorhanden ist. Eine dieser Anordnungen der zentralen Brennkammern ist dargestellt.
Es ist zu bemerken, dass in der 1 ein Teil-Seitenschnitt der Zentralkammer-Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung zu sehen ist, an welchem einige Darstellungs-Arrangements durchgeführt worden sind, um die Bestandteile der Erfindung besser erkennbar zu machen. Wie schon erwähnt, umfasst die Anordnung an jedem ihrer beiden an der Länge äußersten kreisförmigen Lager Einrichtungen (20-a) und (20-b) mit einer radialen Führung oder einem radialen Flansch (CRG), an welchem entsprechende Flansche oder radiale Führungen (21-a) und (21-b) an der Oberfläche verteilt sind, innerhalb oder außerhalb an einem solchen Lager.
Bei einer typischen Ausführungsform einer repräsentativen Zentralkammer-Anordnung werden die gegenläufigen Anordnungen der Kolben oder die gegenläufigen Kolben (30-a) und (30-b) durch die Expansionswirkung der Verbrennungsgase in den Expansionskammern (33-a) und (33-b) bewegt, wobei die Kraft auf die radialen Führungen oder Flansche (21-a) und (21-b) durch die entsprechenden Gleiteinrichtungen (31-a), (32-a), (31-b) und (32-b) übertragen wird, welche im abseitigen Ende jeder Kolbenanordnung angeordnet sind, zweckmäßigerweise verbunden mit den Anordnungen. Auf diese Weise wirkt die Kraft durch die Aktivierung der entgegengesetzten Expansionskraft in jedem der gegenläufigen Kolben (30-a) und (30-b) in Richtung der Gleiteinrichtung, die an den radialen Flanschen angebracht sind, welche in den kreisförmigen Lagern (20-a) und (20-b) so angeordnet sind, dass eine Drehbewegung der kreisförmigen Lager erzeugt wird, welche an der Achse oder Hauptwelle der Maschine fixiert sind, wodurch die Bewegung erzeugt wird.
Jede der Kolbenanordnungen (30-a) und (30-b) ist in abgedichteten Expansionsgehäusen, Kammern oder Zylindern (33-a) und (33-b) angeordnet, wobei jedwedes Schmier- und Abdichtmittel für die Expansionsgase verwendet wird und eine Form gewählt wird, wie diejenige, die in der Technik herkömmlicherweise bekannt ist, wobei solche Kolben in einer gegenläufigen axialen Bewegung von einer der sogenannten zentralen Brennkammern (400) starten, in welcher Zündeinrichtungen oder Zündkerzen (61-a) und (61-b) angeordnet sind, untergebracht in den zur Verfügung stehenden Räumen der Kammer. Die Gleiteinrichtung (31-a), (31-b), (32-a) und (32-b), die an den entfernten Enden der Kolbenverbindung angeordnet ist, kann ein Kugellager, ein herkömmlicher Lagertyp oder jedwedes andere System sein, das die Gleitverbindung und den durchgängigen Kontakt mit der radialen Führung oder dem Flansch gestattet, wobei die Führungen oder Flansche Vertiefungen oder Erhöhungen sein können, die innerhalb oder außerhalb an dem kreisförmigen Lager angebracht sind.
Wie man erkennt, ist eines der wichtigsten Teile des Zentralkammer-Verbrennungsmotors (CCCM) der vorliegenden Erfindung die sogenannte Radialführung oder der Flansch (21-a) und (21-b), mittels welcher die Kolben die Kraft ausüben, durch welche die Maschinenwelle (10) sich dreht.
Die Amplitude und Breite der Bahn der radialen Führungen oder Flansche und die Anzahl der Führungen oder Flansche, an welchen die Gleiteinrichtung für die Kolbenbewegungsübertragung sich bewegt, folgt der Bahn gemäß den zeitbegrenzten thermodynamischen Konzepten.
Es hat sich herausgestellt, dass der Kolben, welcher diesen Bahnweg bei einem Viertaktmotor folgt, in starkem Maße sowohl die Verbrennung als auch den Wirkungsgrad steigert. Einige der durchgeführten Tests mit dem Modell dieser Erfindung haben einen 50%-igen Anstieg des Wirkungsgrades des Otto-Zyklus gezeigt. Jedoch und gemäß demselben erfinderischen Konzept, ist es möglich, andere Bahnen zu verwenden, basierend auf den thermodynamischen Prinzipien oder anderen Prinzipientypen, die aus dem Stand der Technik abgeleitet werden könnten. Einer der vielen Gründe hierfür liegt darin, dass die Expansionskraft schnell aufgebracht wird, bevor heiße Verbrennungsgase an den Zylinderwänden abkühlen und die Reibung bei den verbleibenden drei Takten durch konstante Geschwindigkeit verringert wird.
Die Maschine muss gemäß geeigneten geometrischen Proportionen in einer solchen Weise gebaut werden, dass sie eine kontinuierliche Oszillationsbewegung ohne Variationen bietet, die sich negativ auf die Funktion der Maschine bei hohen Umdrehungszahlen auswirken. Die vorgeschlagene Konfiguration unterstützt dies wegen ihrer Symmetrie und Balance.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass die optimalen Dimensionen der radialen Führung oder des Flansches solche sein müssen, dass sie der Maximalkraft widerstehen, die durch den Kolben aufgebracht werden, ohne zu brechen oder Schaden zu nehmen, abhängig von dem Konstruktionsmaterial. Die Breite des Flansches ist variabel und proportional zur Steigung der Bahn, um ein kontinuierlichen Rollen der Gleiteinrichtung zu gestatten, ohne dass diese den Kontakt mit den Flanschen oder radialen Führungen verliert. Darüber hinaus kann mehr als eine radiale Führung oder ein Flansch als Vertiefung oder Erhöhung in geeigneter Weise gebaut werden, und zwar gemäß den Einschränkungen, welche die Materialen betreffen, die bei der Konstruktion der Elemente verwendet werden.
Die 2 zeigt die Art und Weise, wie die Ventile in jeder der zentralen Brennkammern arbeiten. Wenn die Hauptwelle (10) durch die Wirkung der Kolben bewegt wird, wirkt sie demgemäß direkt gegen die Nocken- bzw. Kurvenführungsanordnung (40) und (50), welche die jeweiligen Einrichtungen zur Bewegungsaktivierung der Einlass- und Auslassventilanordnungen bilden, und zwar durch ihre jeweilige Bewegungsübertragungseinrichtung von den Nocken zu den Ventilen.
Diese 2 zeigt ebenfalls die Position der Ventile, der Nocken- und Hebelanordnungen in einer Maschinenausfiihrungsform mit vier Brennkammern, bei welcher die Ventile, Nocken und Hebel die Funktion der Zentralkammer-Brenrilcraftmaschine ermöglichen. Gemäß dieser grafischen Darstellung gibt es im Zentrum dieser Maschinenanordnung eine Hauptwelle (10), um welche herum zwei Nocken (40) und (50) vorhanden sind, welche jeweils die Haupt-Bewegungsübertragungseinrichtungen für die Aktivierung der Synchronisationseinrichtung der Einlass- und Auslass-Ventilanordnungen sind.
Diese Ventilanordnungen sind in Paaren ausgebildet, welche den Brennkammern (100, 200, 300 und 400) entsprechen, und jede der Kammern hat dort jeweils ein Einlassventil (102, 202, 302, und 402) und ein Auslassventil (101, 201, 301 und 401). Eine der in 2 dargestellten Ausführungsformen umfasst eine Anordnung von Bewegungsübertragungseinrichtungen, die mit jedem der Einlass- und Auslassventile verbunden ist, und zwar in einer solchen Weise, dass für die Brennkammer (100) deren entsprechendes Einlassventil (102) mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (112) verbunden ist, welcher die Öffnungs- oder Schließbewegung des Einlassventils (102) von der Einlassnocke (50) überträgt, während das entsprechende Auslassventil (101) mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (111) verbunden ist, welche die Öffnungs- oder Schließbewegung des Auslassventils (101) von der Auslassnocke (40) überträgt.
Was die Brennkammer (200) betrifft, ist deren entsprechendes Einlassventil (202) mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (212) verbunden, welcher die Öffnungs- und Schließbewegung des Einlassventils (202) von der Einlassnocke (50) überträgt, während das entsprechende Auslassventil mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (211) verbunden ist, welcher die Öffnungs- und Schließbewegung des Auslassventils (201) von der Auslassnocke (40) überträgt.
In derselben Weise ist, was die Brennkammer (300) betrifft, deren entsprechendes Einlassventil (302) mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (312) verbunden, welcher die Öffnungs- oder Schließbewegung des Einlassventils (302) von der Einlassnocke (50) überträgt, während das entsprechende Auslassventil (301) mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (311) verbunden ist, welcher die Öffnungs- oder Schließbewegung des Auslassventils (301) von der Auslassnocke (40) überträgt.
In derselben Weise ist hinsichtlich der Brennkammer (400) deren entsprechendes Einlassventil (402) mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (412) verbunden, welcher die Öffnungs- oder Schließbewegung des Einlassventils (402) von der Einlassnocke (50) überträgt, während das entsprechende Auslassventil (401) mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung oder einem Hebel (411) verbunden ist, welcher die Öffnungs- oder Schließbewegung des Auslassventils (401) von der Auslassnocke (40) überträgt.
Die 2 zeigt ebenfalls in ihrer Gesamtheit eine der Positionen, bei welcher der Zyklus der Maschine arbeitet. Gemäß dieser Darstellung ist zu beobachten, dass in der Kammer (400) der Einlassprozess durch die Öffnung des entsprechenden Ventils (402) initiiert wird, während gleichzeitig in der Kammer der Auslass-Beendungsprozess durchgeführt wird, mit dem Schließen des entsprechenden Auslassventils (401). Gleichzeitig endet der Einlass in der Brennkammer (100), wobei das entsprechende Einlassventil (102) in der offenen Position ist, und das entsprechende Auslassventil (101) in der geschlossenen Position.
Zur selben Zeit zeigt die Brennkammer (200) eine Kompressions-Endposition, wobei sowohl das Einlassventil (202) als auch das Auslassventil (201) in vollkommen geschlossener Position sind. Schließlich und hinsichtlich der Brennkammer (300) ist die Position der Ventile bei der Expansion und am Beginn des Auslassprozesses gezeigt.
Es ist wichtig, zu bemerken, dass die thermodynamisch optimale, gewählt Bahn bei dieser Beschreibung einen längeren Einlasstakt hat, als die anderen drei Takte, so dass zwei Kammern ihre Einlassventile (102 und 402) gleichzeitig in einer solchen Weise geöffnet haben können, wie dies nicht bei einem Motor mit herkömmlicher Konfiguration und nahezu sinusförmiger Bahn auftritt.
Es ist bemerkenswert, dass die Einfachheit, Neuheit und der Erfindungswert des beschriebenen Ventilmechanismus im Vergleich mit dem herkömmlichen Mechanismus mit Nockenwellen mit einem Wellenverhältnis von 2 : 1 wichtige Vorteile bezüglich der Funktion der Maschine bietet.
Der CRG-Zylinder erhält vier Impulse von ungefähr 66° in Abfolge für jeden Zyklus der Hauptwelle der Maschine.
Der oben genannte Bahnweg weist keine vier Takte in gleicher Länge auf und hat die folgenden Eigenschaften : Beim Expansionszyklus gestattet er eine schnelle Expansion, welche die nächstmögliche zu einer mit adiabaten Eigenschaften ist, auf eine solche Weise, dass die meiste Energie in der Gasexpansion umgewandelt wird und dass die Verluste an den Zylinderwänden reduziert werden; beim Auslasszyklus folgt er einer geraden Bahn, um die durch Reibung bewirkten Verluste zu minimieren; der Einlasszyklus ist ebenfalls gerade, aber länger als der Auslasszyklus, um die vollständige Füllung der Kammer zu gestatten, bevor das Einlassventil geschlossen wird; schließlich folgt der Kompressionszyklus einer geraden Bahn, um die durch Reibung verursachten Verluste zu minimieren. Im Gegensatz zu Maschinen mit herkömmlicher Ausbildung, wo der Kolben dazu gezwungen ist, einem nahezu sinusförmigen Weg zu folgen, ohne Berücksichtigung der Verluste, die durch Wärme verursacht werden, und ohne die Optimierung jedes Taktes des Zyklus.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Zentralkammer-Brennkraftmaschinenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform. Wie schon erwähnt wurde, ist ein Merkmal der Zentralkammer-Verbrennungsmotor (CCCM)-Anordnung, dass die Kolben axial in gegenläufiger Richtung in einer solchen Ausbildung arbeiten, dass die Bewegung der Hauptmaschinenwelle (10) durch die kreisförmigen Lager (20-a) und (20-b) eingebracht wird, was wiederum die schon beschriebene Anordnung der Nocken (Einlassnocke ist gezeigt)(50) bewegt, sowie die Anordnung der Einlass- und Auslassventile für jede Brennkammer. Außerdem ist zu beobachten, dass bei dieser Maschinenausführung kein Teil oder Bestandteil vorhanden ist, welches die Drehverhältnisse modifiziert, wobei die Drehung in vier Takten aufrecht erhalten wird, ohne den Bedarf an gezahnten Bewegungsübertragungseinrichtungen, wie dies bei herkömmlichen Maschinen der Fall ist.
Wie ebenfalls in dieser 3 zu beobachten ist, sind die entsprechenden Flansche oder radialen Führungen e (21-a) und (21-b), welche an der Oberfläche in der radialen Lagerung verteilt sind, durch welche die entsprechenden Gleiteinrichtungen (31-a), (32-a), (31-b) und (32-b) am abliegenden Ende jeder Kolbenanordnung und deren entsprechender Brennkammer (400) angeordnet sind, in geeigneter Weise mit diesen Anordnungen verbunden.
Es ist zu beachten, dass für jede der Kolbenanordnungen, beispielsweise (30-a) und (30-b) die abgedichteten Expansionsgehäuse, Kammern oder Zylinder (33-a) und (33-b) über eine der sogenannten zentralen Brennkammern (400) eine Entsprechung haben, in welcher Zündeinrichtungen oder Zündkerzen (61-a) und (61-b) angeordnet sind, untergebracht in zur Verfügung stehenden Räumen der Kammer.
Gemäß den durchgeführten Tests ist es möglich, zu bestimmen, dass die Symmetrie, welche bei der Maschine der vorliegenden Erfindung aufrecht erhalten wird, es ebenfalls gestattet, dass die Expansion hinsichtlich des Zündpunktes einen guten Kraftstoff-Verbrennungszustand und eine gute Expansion bietet, wobei geringere Wärmeverluste durch Strahlung in der Zylinderstruktur selbst erzielt werden. Außerdem gestattet sie das Erzielen einer besseren Kraftstoffausbeute und optimale Merkmale hinsichtlich der Emission und von Verschmutzungen. Dies gestattet die Vereinfachung der Kühlungs- und Schmiersysteme, wobei die Verwendung von Luft unter anderem als Kühloption genannt werden kann. Es ist ebenfalls zu bemerken, dass die disipative Fläche der Expansionszylinder starr gegenüber der herkömmlichen Konfiguration erhöht wird.
Die 3 zeigt die Ausführungsform der radialen Bahn vom Erhöhungs-Typ, jedoch ist es wichtig zu bemerken, dass wegen der Ausgestaltung der radialen Bahn der Zylindergleiteinrichtung Erhöhungs- und Vertiefungstypen möglich sind, innen oder außen verteilt an dem kreisförmigen Lager, wobei es möglich ist, insgesamt einen guten Wirkungsgrad, ein hohes Kompressionsverhältnis und ein geringes Gewicht der gesamten Anordnung zu erzielen.
In 3 können die Brennkammern des CCCM (100, 200, 300, 400) aus verschiedenen Winkeln beobachtet werden. Diese Kammern sind am Zentrum der gegenläufigen Kolben angeordnet, haben eine unterschiedliche Geometrie gegenüber dem Expansionszylinder. Die Seitenwände der Brennkammern bestehen aus den Flächen der parallelen Ventile (101, 102, 201, 202, 301, 302, 401, 402). Diese Ventile sind senkrecht zur Hauptwelle positioniert und rechtwinklig zur radialen Achse, welche vom Zentrum der Welle (10) zum Zentrum der Brennkammern (100, 200, 300, 400) gehen. Die oberen und unteren Flächen der Kammern sind halbkreisförmig oder nahezu flach. Der Durchmesser der Ventile ist ungefähr gleich dem Kolbendurchmesser, wie in 1 zu beobachten ist.
In den freien Bereichen der Brennkammern (100, 200, 300 und 400) sind die Räume breit genug, um die Zündkerzen oder Zündeinrichtungen (61-a) und (62-b) anzuordnen, welche aus vielen ausgewählt werden können. Solche Räume können geeignet verwendet werden, um Sensoren, zusätzliche Zündkerzen und Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen oder andere Vorrichtungen anzuordnen, und zwar gemäß den Maschinenanforderungen, und um die Leistung der Maschine sicherzustellen. Andere Ventilheber-Konfigurationen, Zündkerzen mit verschiedenen Ausrichtungen und Konfigurationen der Brennkammern können in geeigneter Weise angewendet werden, um den vorhandenen Raum vollständig auszunutzen.
All diese Ausführungsformen und auch andere, die aus ihnen und aus der vorliegenden Beschreibung abgeleitet werden können, sollen so angesehen werden, dass sie innerhalb des Umfangs der Zentralkammer-Brennkraftmaschine liegen, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert wird.
Gemäß einer der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde eine Zentralkammer-Brennkraftmaschine mit ungefähr 1600 cm³ gebaut. Das Kompressionsverhältnis, das aus der Konstruktion erhalten wurde, war 8,5 : 1, mit den geeigneten Kolbenabmessungen, Kolben-Laufabständen und Ventildurchmessern. Eine der angewendeten Ausführungsformen war eine solche, bei der die Kolbenköpfe mindestens dieselbe strukturelle und dimensionelle Konfiguration aufwiesen, wie die Brennkammer, um die gewünschten Kompressionsverhältnisse zu erzielen, wie in 1 beispielhaft dargestellt.
Die Verwendung von zwei großen Verbrennungsventilen für die Brennkammer bietet für den Zentralkammer-Verbrennungsmotor CCCM gute volumetrische Wirkungsgrade, welche ebenso modifiziert werden können wie die Kompressionsverhältnisse, mit verschiedenen Geometrien der Expansionszylinder. Außerdem können technische Elemente, die bei herkömmlichen Maschinen angewendet werden, wie z. B. Turboladersysteme, elektronische Einspritzung und Resonanzröhren, unter anderem angewendet werden, um die Leistung der Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung zu optimieren.
Ebenfalls können Maschinenausführungen mit guten Leistungsmerkmalen bei 1 bis 4 und sogar bis zu 6 Brennkammern möglich sein, welche den vorgeschlagenen Bahnwegen folgen. Jedoch ist es mittels der entsprechenden Anpassungen an den Bahnwegen der Führungen und der Konfiguration der Brennkammern, Ventil- und Nockenanordnungen möglich, größere Anzahlen von Brennkammern einzubringen, ohne dass dies ein erfinderisches Konzept repräsentieren würde, das sich von dem hier vorgeschlagenen unterscheidet.
Es ist durch die vorangehende Beschreibung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen und durch die perspektivische Ansicht der 3 demonstriert worden, dass diese Maschine wesentliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Maschinenkonstruktionen bietet, speziell in Hinsicht auf die Vereinfachung der Ausgestaltung und Konstruktion, wodurch sie merklich weniger teuer wird als herkömmliche Maschinen. Außerdem gestatten die strukturellen Merkmale der Motoranordnung eine bessere funktionelle Arbeitsleistung in einer solchen Weise, dass ihre Symmetrie eine geeignete Kraftstoffverbrennung gestattet, mit einer Dreh-Balance ohne Variationen.
Durch die einfache Hinzufügung von zwei Nocken (nicht gezeigt) ist es möglich, die Einlassund Auslassventile zu öffnen und zu schließen, um die Anordnung der vorliegenden Erfindung in ein Luftkompressionssystem umzuwandeln, oder die Konfiguration als Pressluftmaschine zu verwenden.
Gemäß den oben genannten Aspekten und gemäß dem, was in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung in einer ihrer bevorzugten Ausführungsformen gesagt worden ist, wird der Umfang der Erfindung im Folgenden definiert.

Claims

Zentralkammer-Brennkraftmaschine mit axial gegenläufigen Kolben; einer Anordnung, die durch eine Hauptachse gebildet wird, welche ebenfalls die Hauptwelle ist; einer kreisförmigen Einrichtung, die mit den Längsenden der Welle oder Hauptachse verbunden ist und hohe oder niedrige, radiale, abgesetzte Führungen oder kreisförmige Einrichtungen oder Radialflansche enthält, die innen oder außen in einer solchen kreisförmigen Einrichtung verteilt sind; Zentralbrennkammem, aus welchen die gegenläufigen Anordnungen aus Kolben oder die gegenläufigen Kolben axial bewegt werden, durch die Expansionswirkung der Verbrennungsgase, die in den Kammern erzeugt werden, und in welchen solche Kolben in abgedichteten Expansionskammern oder -zylindern angeordnet sind, wobei jedwede Schmierungs- und Dichtungseinrichtung für die Expansionsgase verwendet wird; eine korrespondierende Gleiteinrichtung, die mit den radialen Führungen oder Flanschen verbunden ist, welche mit den Kolben an den abgewandten Enden einer Verbindung der Kolben verbunden sind, um auf den Bewegungsübertragungs-Führungen verbunden zu werden; eine Nocken- bzw. Kurvenführungsanordnung zur Betätigung einer Gruppe von Bewegungsübertragungseinrichtungen hin zu Sätzen oder Anordnungen von Ventilen für den Einlass, die Abdichtung und den Auslass von Verbrennungsgasen; korrespondierende Zündeinrichtungen zum Zünden und Verbrennen der Gase in den Brennkammern; und einer Anordnung von zwei Ventilen zum Einlass und Auslass der Verbrennungsgase, wobei die Einlass- und Auslassventile durch die Nocken- bzw. Kurvenführungsanordnung betätigt werden und an entgegengesetzten Lateralseiten der Zentralbrennkammern angeordnet sind, wobei die Lateralseiten der Brennkammer hauptsächlich durch im Wesentlichen parallele Flächen der Ventilanordnung und der Kolbenköpfe gestaltet sind, wenn sie in ge schlossener Position sind, wobei die geschlossene Position der Position der Kolben vor ihrer Bewegung durch die Expansionswirkung der Verbrennungsgase entspricht.
Zentralkammer-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der die Ventile für den Einlass, die Abdichtung und den Auslass für Verbrennungsgase zur Bewegung senkrecht zur Hauptwelle positioniert sind, und zu einer radialen Achse zwischen der Zentralachse der Hauptwelle zum Zentrum der Brennkammer.
Zentralkammer-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Durchmesser der Ventile für den Einlass, die Abdichtung und den Auslass für Verbrennungsgase annähernd gleich dem Kolbendurchmesser sind.
Zentralkammer-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei der ein oberer Abschnitt jedes Zylinders in einen kleineren Durchmesser konvergiert, der in die Brennkammer hineinführt.
Zentralkammer-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der der Einlasshub länger ist als die Kompressions-, Expansion- und Auslasshübe.
Zentralkammer-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der die Hauptwelle Impulse von ungefähr 66 Grad Abweichung erhält.
Zentralkammer-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Zentral-Brennkammern.
Zentralkammer-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, mit zusätzlichen Nockenanordnungen zum Schließen der Ventile in der Brennkammer, wenn die Kolben sich zur Brennkammer hinbewegen, und zum Öffnen der Ventile in der Brennkammer, wenn die Kolben sich von der Brennkammer wegbewegen, wodurch die Hauptachsenwelle angetrieben wird, um die Maschine in ein Luftkompressionssystem und zur Umwandlung von komprimierter Luft in Bewegung umzuwandeln.