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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Kraftfahrzeugtechnik und insbesondere
eine rotierende Brennkraftmaschine oder einen rotierenden Kompressor
der Art, bei der hin- und hergehende Kolben vorhanden sind, die
um die Drehachse der Maschine oder des Kompressors rotieren.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Bei
einer herkömmlichen
Viertakt-Brennkraftmaschine erfolgt die Zündung, wenn sich ein Kolben
in seiner obersten Stellung (oberer Totpunkt) befindet, so daß die Explosionskraft
durch die Mitte der Kurbelwelle (Kraftabgabewelle) gerichtet ist,
wodurch ein Teil der Energie als Wärmeenergie verlorengeht, statt
daß sie
als Antriebskraft abgegeben wird. Hauptaufgabe der Erfindung ist
die Gewinnung der sonst verlorengehenden Energie sowie die Verbesserung
des Wirkungsgrades der Maschine.
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Während der
Jahre 196411965 war eine neue Viertakt-Brennkraftmaschine erfunden worden, bei
der jede Kolbenkammer senkrecht zum Radius der Kraftabgabewelle
angeordnet ist. Der Kolben wird durch Drehung seiner Kurbelwelle
hin- und herbewegt.
Die Kolbenkammer wird von einem zylinderförmigen Ventil umhüllt, welches
ein gekrümmtes Ende
aufweist, das auf die innere zylindrische Oberfläche des Gehäuses paßt, damit die Gaseinlaßöffnung und
die Abgasauslaßöffnung geschlossen
und geöffnet
werden. Gaseinlaßöffnung,
Abgasauslaßöffnung und
Zündkerzenhalterungsöffnung sind
am äußeren Zylinder
ausgebildet.
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Was
den Stand der Technik betrifft, so sind US-PS 4421073, 4106443,
4370109 ähnliche
Patente. Die in ihnen enthaltene Beschreibung erläutert eine
rotierende Brennkraftmaschine von leicht ähnlicher Form, wie sie die
Maschine gemäß der Erfindung
aufweist, jedoch von gänzlich
unterschiedlicher Wirkungsweise und unterschiedlichen Einzelheiten, wie
aus dem folgenden hervorgeht.
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Gemäß
US-PS 4421073 ist keine
Kurbelwelle vorhanden, oder sie ist nicht von der Antriebswelle getrennt.
Die Rotorachse ist gegenüber
der Antriebswelle exzentrisch.
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Gemäß
US-PS 4106443 sind zwei
Kolben durch eine gemeinsame Stange miteinander verbunden und werden
durch das Gleiten der gemeinsamen Stange, nicht durch das Rotieren
der Kurbelwelle betrieben.
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Gemäß
US-PS 4370109 besitzt die
Maschine einen rotierenden Kolben, nicht einen hin- und hergehenden
Kolben und wird durch eine Kolbenstange, eine Kurbelwelle und einen
Antriebszug betrieben, so daß zwei
Sätze von
synchron laufenden Kolben in Drehung versetzt werden.
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Aus
US-A-3292603 ist eine rotierende Maschine bekannt, die ähnlich derjenigen
gemäß der Erfindung
ist, jedoch einen unterschiedlichen Schließmechanismus aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist eine rotierende Brennkraftmaschine gemäß Anspruch
1 und ein Kompressor mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
oben angegebenen und weitere Aufgaben und weitere Vorteile der Erfindung
werden im folgenden anhand einer Einzelbeschreibung einer Ausführungsform
und anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert; es zeigen:
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1 ein
Diagramm, welches die Lage von Ansaugöffnungen, Ausstoßöffnungen
und Zündkerzen
für den
ersten Kolbensatz erläutert;
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2 ein
Diagramm, welches die Lage von Ansaugöffnungen, Austoßöffnungen
und Zündkerzen
für den
zweiten Kolbensatz erläutert;
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3 eine
perspektivische Darstellung der Teile der Maschine;
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4 eine
perspektivische Ansicht in auseinandergezogenem Zustand, eine Draufsicht
sowie einen axialen Schnitt der vorderen Endplatte von Gehäuse und
Schraubensteuerungskammer;
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5 eine
perspektivische Ansicht in auseinandergezogenem Zustand sowie einen
axialen Schnitt der hinteren Endplatte von Gehäuse und Antriebsreihenkammer;
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6 eine
perspektivische und eine Seitenansicht des zylinderförmigen Ventils;
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7 eine
perspektivische Ansicht des zylinderförmigen Ventils und eine Draufsicht
darauf;
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8 eine
perspektivische Ansicht der Maschine von hinten;
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9 eine
perspektivische Ansicht der Maschine von vorn;
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10 eine
perspektivische Ansicht des in Form eines ringförmigen Körpers vorliegenden Rotors;
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11 eine
perspektivische Ansicht der mittleren Montageplatte der Kurbelwelle;
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12 eine
perspektivische Ansicht der vorderen Montageplatte der Kurbelplatte;
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13 eine
perspektivische Ansicht der hinteren Montageplatte der Kurbelwelle;
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14 eine
perspektivische Ansicht der Kraftabgabewelle und des Montagearms
der Kurbelwelle;
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15 zwei
Diagrammreihen, die die Ansaugtakte des ersten Maschinenblocks und
die Ausstoßtakte
des zweiten Maschinenblocks erläutern;
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16 zwei
Diagrammreihen, die den Verdichtungstakt und den Arbeitstakt des
ersten Maschinenblocks und den Ansaugtakt und den Verdichtungstakt
des zweiten Maschinenblocks erläutern; und
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17 zwei
Diagrammreihen, die den Ausstoßtakt
des ersten Maschinenblocks und den Arbeitstakt des zweiten Maschinenblocks
erläutern.
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Einzelbeschreibung der
Zeichnungen
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Die
erläuterte
rotierende Brennkraftmaschine umfaßt ein Gehäuse, das ein Paar Endplatten 22,24 und
einen Außenzylinder 26 aufweist,
die, wie dargestellt, fest miteinander verbunden sind und einen
zylindrischen Rotor einschließen.
Der zylindrische Rotor besitzt eine Kraftabgabewelle 13 als
Achse. Die Ausstoßöffnung 7 und
die Ansaugöffnung 8 erstrecken
sich durch den äußeren Zylinder 26,
um eine Verbindung mit der zylindrischen Rotorkammer herzustellen.
Die Zündkerze 9 erstreckt
sich durch den Außenzylinder 26 hindurch.
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Der
Rotor umfaßt
zwei ringförmige
Körper 19 mit
einer zylindrischen Außenfläche, die
mit der zylindrischen Innenfläche
zusammenpaßt,
welche durch den Außenzylinder 26 gebildet
wird. Der Rotor umfaßt
eine vordere Kurbelwellen-Motageplatte 20 und eine
hinteren Kurbelwellen-Montageplatte 21, die an den ringförmigen Körpern 19 befestigt
sind. Die Kraftabgabewelle 13 ist drehbar montiert und
erstreckt sich durch das Gehäuse,
wobei das Hülsenlager
in den Endplatten 22,24 des Gehäuses sie
haltert.
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Die
Achse der Kraftabgabewelle und die Achse des Rotors sind die gleichen
(konzentrisch) und rotieren gemeinsam.
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Zwischen
zwei ringförmigen
Körpern 19 des Rotors
befindet sich eine mittlere Montageplatte der Kurbelwelle, die aus
einer Montageplatte 53 des Kraftabgabewellen-Arms und ihrer Abdeckung 54 besteht.
An der Kraftabgabewelle 13 ist ein Kurbelwellen-Montierarm 66 fest
angebracht, so daß er
mit ihr rotieren kann. Der Kurbelwellen-Montierarm 66 umfaßt Lagerschalen 63, 65 sowie
ein Lager 64. Im Inneren des ringförmigen Körpers 19 des Rotors
sind Kolbenkammern fest an Kolbenkammersitzen 37 innerhalb
des ringförmigen
Körpers 19 des
Rotors montiert. Jede Kolbenkammer erstreckt sich axial bis zur
Außenfläche des
ringförmigen
Körpers 19 des Rotors
und wird von seinem zylindrisch geformten Ventil 18 umhüllt. In
den ringförmigen
Körper
des Rotors ist eine Dichtung 52 eingesetzt, um das Austreten
von Schmieröl
aus dem zylinderförmigen
Ventil 18 zu verhindern. Die Achse jeder Kolbenkammer verläuft senkrecht
zum Radius der Kraftabgabewelle 13, und jede dieser Achsen
ist vorzugsweise gleich weit von der Achse der Kraftabgabewelle
in Richtung der Drehbewegung des Rotors entfernt. Das zylinderförmige Ventil 18 ist
längs der
Achse seiner Kolbenkammer geringfügig beweglich. Das gekrümmte Ende
des Ventils wird durch Spiralfedern 41 gegen die zylindrische
Innenoberfläche
des äußeren Zylinders 26 des
Gehäuses
gedrückt,
damit Gasdichtigkeit erzielt wird. die Spiralfeder ist auf einen
Federstößel 42 aufgesetzt,
der an dem Kolbenkammersitz 37 und dem unteren Ende des
zylinderförmigen
Ventils 18 montiert ist, um zu verhindern, daß sich das
zylindrische Ventil bewegt. An der Außenfläche des Kolbenkammersitzes 37 befindet
sich ein Ring 38, der aufgesetzt ist, um einen Gasaustritt
aus dem zylinderförmigen
Ventil 18 zu verhindern. Ein Druckstöpsel 39 mit Feder
ist in einem Schlitz 40, 44 außerhalb jeder Kolbenkammer
bzw. innerhalb ihres zylinderförmigen
Ventils 18 montiert. Am gekrümmten Ende des zylinderförmigen Ventils 18 ist
ein Öffnungsventil 45 ausgebildet,
um die anfängliche
offene Stellung von Ausstoß-
und Ansaugöffnung
festzulegen, sowie ein Schließventil 46,
um die anfängliche geschlossene
Stellung von Ausstoßöffnung und
Ansaugöffnung
festzulegen. In jeder Kolbenkammer bewegt sich ein Kolben 17 hin
und her, der normalerweise zylinder förmig gemäß herkömmlicher Konstruktion ausgebildet
ist. Mit jedem Kolben 17 ist ein Pleuel oder eine Kolbenstange
gelenkig verbunden, der bzw. die seinerseits bzw. ihrerseits über das
Lager 64 mit ihrer entsprechenden Kurbel der Kurbelwelle 16 drehbar
verbunden ist. Die Maschine besitzt zwei Maschinenblöcke, den
ersten und den zweiten Block, wobei jeder Block zwei Kolben aufweist.
Im ersten Maschinenblock sind die Kolbenkammersitze 37 auf der
vorderen Kurbelwellenmontageplatte 20 und der Abdeckung 54 für die Montageplatte
des Arms für
die Kraftabgabewelle befestigt. Beim zweiten Maschinenblock sind
die Kolbenkammersitze 37 auf der hinteren Montageplatte 21 für die Kurbelwelle
und der Montageplatte 53 für den Arm der Kraftabgabewelle befestigt.
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In
den 1 und 2 ist die Lage von Gaseinlaß. Abgasauslaß und Zündkerze
für den
ersten bzw. zweiten Maschinenblock dargestellt.
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Zwischen
der vorderen Endplatte 24 des Gehäuses und der vorderen Montageplatte 20 für die Kurbelwelle,
befindet sich eine Schraubensteuerungskammer 25, die die
Schraubensteuerung 15 einschließt. Die Schraubensteuerung
ist an dem Vorderende der Kraftabgabewelle 13 ausgebildet,
um die Schmierölpumpe
und den Zündverteiler
anzutreiben.
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Zur
Synchronisierung der Drehung der Kraftabgabewelle 13 und
beider Kurbelwellen 16 ist eine Antriebsreihe vorgesehen.
Die Antriebsreihe umfaßt
eine ein Ringzahnrad tragende kappenförmige Halterung 32 in
der Antriebsreihenkammer 23. Die Antriebsreihenkammer 23 befindet
sich zwischen der hinteren Endplatte 22 des Gehäuses und
der hinteren Montageplatte 21 der Kurbelwelle. In der Mitte der
kappenförmigen
Halterung 32 für
das Ringzahnrad ist eine Hülse
ausgebildet, um die Kraftabgabewelle zu tragen, wobei ein Ende dieser
Hülse mit
der hinteren Endplatte 22 des Gehäuses fest verbunden ist. Mit
der kappenförmigen
Halterung 32 fest verbunden ist ein Ringzahnrad 33.
Das Ringzahnrad 33 paßt
in die Antriebszahnräder,
die am hinteren Ende beider Kurbelwellen 16 ausgebildet
sind. Die Antriebsreihe muss hinsichtlich des Zahlenverhältnisses
der Zähne
von Ringzahnrad zu Antriebszahnrad, um dem Wirkungsgrad der Maschine
zu entsprechen, derart ausgelegt sein, daß dieses vorzugsweise gleich
dem zweifachen der Anzahl von Kolben in jedem Maschinenblock ist.
Beispielsweise ist in typischen Zwei-Kolben-Maschinen das Zahnverhältnis von
Ringzahnrad zu Antriebszahnrad gleich 4:1, so daß, wenn sich die Kraftabgabewelle
einmal im Uhrzeigersinn um 360° dreht,
sich die Kurbelwellen 4 mal um 360° entgegen dem Uhrzeigersinn
drehen. Analog muß das
Zahnverhältnis
bei einer Maschine mit 3,4,6 oder 8 Kolben gleich 6:1, 8:1, 12:1
bzw. 16:1 sein.
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Da
sich die Kraftabgabewelle 13 und beide Kurbelwellen 16 gemeinsam
drehen, gehen die Kolben 17 in ihrer Kolbenkammer zufolge
der Bewegung der Kurbelwelle 16 hin und her. Die Hin- und
Herbewegung der Kolben ist mit der Zündung durch die Zündkerzen
synchronisiert, und die Kolbenkammer rotiert dann im Uhrzeigersinn
zum Abgasauslaß.
Um den Verbrennungszyklus zu vervollständigen, wird Brennstoffgemisch
in die Kolbenkammer gezogen, verdichtet, durch die Zündkerze
gezündet
und ausgestoßen,
während
sich die Kolbenkammer im Uhrzeigersinn bewegt.
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Als
Beispiel erläutert
die Betriebsfolge der Maschine, wie sie in 15,16 und 17 dargestellt
ist, zwei Sätze
von Maschinenblöcken.
Jeder Block weist zwei Kolben auf.
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Während des
Ansaugtaktes des ersten Maschinenblocks (15, Nr. 68,69,70)
passieren die Kolbenkammern 1 und 2 die Ansaugöffnung,
während
sich entsprechend der Kolben nach unten bewegt, um das Brennstoff-/Luftgemisch
in die Kolbenkammer zu saugen. Wenn der Kolben vollständig unten
ist, ist der Ansaugtakt ebenfalls vollständig abgelaufen. Zur selben
Zeit arbeitet der zweite Maschinenblock im Ausstoßtakt (15,
Nr. 71,72,73).
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Der
Verdichtungstakt des ersten Maschinenblocks (16, Nr. 74,75)
erfolgt, wenn sich die Kolbenkammern 1 und 2 weiter
um die Kraftabgabewelle herum bewegen, während die Kurbelwelle die Kolben 1 und 2 unter
Komprimierung eines Brennstoff-/Luftgemisches nach oben bewegt.
Zu derselben Zeit befindet sich der zweite Maschinenblock im Ansaugetakt
(16, Nr. 77,78).
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Der
Zünd- oder
Arbeitstakt des ersten Maschinenblocks (16, Nr. 75,76)
erfolgt, wenn sich die Kolbenkammern 1 und 2 weiter
bewegen, bis sich die Zündkerze über der
Mitte der Kolbenkammer befindet und dann zur Zündung bereit ist. Die Kolben 1 und 2 bewegen
sich nach der Verbrennung von Gas in der Kolbenkammer nach unten.
Zu derselben Zeit befindet sich der zweite Maschinenblock im Verdichtungstakt
(16, Nr. 79).
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Der
Ausstoßtakt
des ersten Maschinenblocks (17, Nr. 80,81,82)
erfolgt, wenn die Kolbenkammern 1 und 2 ihre Abwärtsbewegung
vervollständigen.
Während
sich die Kolben 1 und 2 an der Ausstoßöffnung vorbei
drehen, bewegen sie sich wieder nach oben, um die Abgase auszustoßen. Wenn
sich die Kolben 1 und 2 oben bis an die oberste Stellung
bewegen, drehen sich die Kolbenkammern 1 und 2 an
der Austoßöffnung vorbei
und schließen diese
wieder fest. Zu diesem Zeitpunkt findet sich der zweite Maschinenblock
im Zünd-
oder Arbeitstakt (17, Nr. 83,84,85).
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Die
Kolbenkammern 1 und 2 bilden den ersten Maschinenblock,
während
die Kolbenkammern 3 und 4 den zweiten Maschinenblock
bilden. Die Bewegung jedes der Kolbenpaare sowie jedes der Maschinenblockpaare
muß ausgewogen
oder ausbalan ciert werden, um die Energieerzeugung zu maximieren. Jedoch
beschränkt
dies nicht die Erfindung. Je nach Größe und erforderlicher Energie
kann die Maschine eine Anzahl von Maschinenblöcken enthalten, wobei vorzugsweise
mindestens zwei Maschinenblöcke zum
Ausbalancieren verwendet werden. Jeder Maschinenblock kann wiederum
eine Anzahl von Kolben und Kolbenkammern enthalten und enthält mindestens
zwei für
das Erfordernis des Ausbalancierens. Außerdem sind die Zündphasen
jedes Kolbens im wesentlichen gleich der Anzahl von Kolben in jedem Maschinenblock,
das heißt
sie sind gleich 3,4,6 und 8 für
Maschinen mit 3,4,6 bzw. 8 Kolben.
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Alternative
Ausführungsformen
sind die Verwendung der erfindungsgemäßen Maschine als Kompressor
oder als Pumpe. Ein Kompressor wird grundsätzlich in demselben Aufbau
hergestellt wie eine rotierende Brennkraftmaschine, das heißt mit einer
zylindrischen Kammer, einem Rotor mit einer Kraftabgabewelle als
seiner Achse in der zylindrischen Kammer sowie Kurbelwelle, Kolben
und Kolbenkammer innerhalb des Rotors. Die Ausdehnung der Kolbenkammer,
welche durch die Abwärtsbewegung
des Kolbens erzeugt wird, zieht Fluid, wie beispielsweise Luft,
durch einen Filter, der mit der Ansaugeöffnung am äußeren Zylinder verbunden ist. Nach
der Komprimierung wird das Fluid aus der Ausstoßöffnung durch ein Rohr in einen
Aufbewahrungstank zum zukünftigen
Verbrauch ausgetrieben.
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Über eine
Kupplung durch einen Elektromotor oder eine Maschine als Primärantrieb
angetrieben, kann der Kompressor dazu verwendet werden, Flüssigkeit
oder Gas zu komprimieren. Wenn der hin- und hergehende Kolben als
Kompressor verwendet wird, arbeitet er im Zweitaktzyklus, wobei
bei jeder Selbstumdrehung der Kolbenkammer ein Zyklus vollendet
wird.