DE4222000A1 - Brennkraftmaschine mit umlaufenden kolben, als selbsttaetigwirkender, 2-stufiger- 2-scheiben-kreiskolbenmotor - Google Patents

Description

Brennkraftmaschinen mit umlaufenden Kolben sind allgemein bekannt und ar­ beiten nach verschiedenen Systemen, erfordern jedoch teilweise sehr auf­ wendige Konstruktionen.

Bei dieser Erfindung handelt es sich um einen Motor, der neben einfachster Bauweise ( mit 2 beweglichen Teilen wird die Wirkungsweise eines 2-Zylin­ der-, mit 3 beweglichen Teilen die eines 4-Zylinder-Kurbeltriebmotors erzielt) optimale Ausnutzung der Verbrennungsenergie ermöglicht und fast geräusch­ los läuft. Er entspricht allen Anforderungen, die heute an den Schutz der Umwelt gestellt werden.

Er besteht aus 2 zentrisch gelagerten Scheiben, der Ansaug- und der Arbeitsscheibe, die auf einer gemeinsamen Welle sitzen aber in verschie­ denen Gehäusen laufen. Konstruktiv können auch beide Scheiben zu einem Rotationskörper zusammengefaßt werden, der dann nur ein Gehäuse benötigt.

Am Umfang der beiden Scheiben ist je ein Kolben und ein gleichgroßer Zwi­ schenraum angeordnet, die jedoch um 180° versetzt sind. Die Ausführung der beiden Kolben ist symmetrisch, ebenso die Übergänge von den Kolben zu den Zwischenräumen. Der axiale Abstand zwischen den Kolben und Zwischen­ räumen beider Scheiben ist umlaufend konstant.

Zwischen den beiden Scheiben ist eine Brennkammer mit einem beweglichen Schieber angeordnet. Er ist mit einem Hohlraum versehen, der den Kompres­ sionsraum bildet und dessen Volumen den Erfordernissen entsprechend be­ messen wird. Er hat je eine Öffnung zum Ansaug- und zum Arbeitsraum. Die Länge der Brennkammer entspricht genau dem Abstand zwischen den beiden Scheiben, die Länge des Schiebers jedoch dem konstanten Abstand zwischen den Laufflächen der Scheiben. Um Toleranzen, die durch Herstellung oder Wärmedehnung entstehen, ausgleichen zu können sind an den Stirnseiten des Schiebers bewegliche Dichtungsprofile angebracht, die durch Federkraft ständig an die Laufflächen angedrückt werden und dadurch die Räume dicht abschließen.

Außerdem sind an den 4 Eckpunkten des Schiebers Rollen angebracht um den Reibungswiderstand möglichst gering zu halten.

Die Konstruktion des Schiebers ist so ausgebildet, daß genau im Mittel­ punkt der Übergangsebene zwischen Kolben und Zwischenraum beide Öffnungen des Kompressionsraumes geschlossen sind. Diese Stellung entspricht auch dem Zündzeitpunkt.

Die Verwendung keramischer Werkstoffe für die Herstellung der Brennkammer und des Schiebers wird sehr vorteilhaft sein, da sie den hier auftreten­ den Temperaturen und Drücken widerstehen, maßhaltig bleiben und ver­ schließfest sind.

Ohne konstruktive Änderung ist die Anordnung einer zweiten, um 180° ver­ setzten Brennkammer möglich, die eine Verdoppelung der Leistung erzielt.

Da die Arbeitstakte jeweils einer Wellendrehung von 180° entsprechen und nacheinander erfolgen, entsteht eine ununterbrochene Krafteinwirkung auf den Arbeitskolben, die zu einer hohen Laufruhe führt.

Bei der Ausführung des Motors mit 2 Brennkammern entstehen bei einer Um­ drehung bereits 2 Arbeitstakte, weitere können durch Anordnung weiterer Kolben und Zwischenräume am Umfang der Scheiben oder durch Anordnung weiterer Motoren auf einer gemeinsamen Welle erreicht werden.

Das bis jetzt beschriebene Motorprinzip, bei dem die Brennkammern und Schieber in axialer Richtung angeordnet sind, bzw. sich in axialer Rich­ tung bewegen, kann so abgewandelt werden, daß alle Teile in radialer Richtung angeordnet sind und die Schieber sich in radialer Richtung be­ wegen.

Bei der hierzu erforderlichen Konstruktion werden die Brennkammern in einem feststehenden Mittelring untergebracht, die Ansaugscheibe unter­ halb und die Arbeitsscheibe oberhalb des Mittelringes angeordnet. Die Ausbildung und Abmessungen der Brennkammern und Schieber entsprechen den gleichen Grundlagen wie bei der vorher beschriebenen Ausführung.

Diese Konstruktion eignet sich besonders für Kleinmotore mit geringen Leistungen, wie sie bei Rasenmähern, Kettensägen, Kleinkompressoren und ähnlichen Kleingeräten verwendet werden. Die gerade bei diesen Geräten bekannte hohe Lärmbelästigung wird durch diesen Motor drastisch verringert.

Diese radiale Ausführung ist aber auch für größere Leistungen geeignet und bietet außerdem die Unterbringung von 2 Motoren in einem gemeinsa­ men Gehäuse an. Die Scheiben beider Motoren sind lediglich durch eine Mittelwand getrennt.

Die Arbeitsweise eines Motors, der mit 2 Brennkammern ausgerüstet ist, läuft wie folgt ab:
Der Schieber der ersten Brennkammer wird in den Zwischenraum der Ansaug­ scheibe gedrückt und die Luft, die beim vorherigen Takt von der zweiten Brennkammer angesaugt wurde, wird verdichtet und über die Öffnung in den Kompressionsraum gedrückt. Gleichzeitig wird auf der Rückseite des Schie­ bers erneut Luft angesaugt, die beim nächsten Takt in der 2. Brennkammer verdichtet wird.

Zum Abschluß des Ansaugtaktes, der einer Wellendrehung von 180° entspricht, wird der Schieber in das Gehäuse der Brennkammer zurückgeschoben. Dabei ist der Kompressionsraum für eine kurze Zeit geschlossen. In diesem Au­ genblick erfolgt die Zündung des Gemisches.

Der Schieber wird weitergeführt und öffnet den Kompressionsraum zur Ar­ beitsscheibe hin. Das gezündete, hochkomprimierte Gas strömt in den Ar­ beitsraum und drückt den Kolben der Arbeitsscheibe in Drehrichtung weiter.

Auf der Rückseite des Schiebers wird das beim vorherigen Takt in der zweiten Brennkammer entspannte Gas in die Abgasleitung gedrückt. Nach Abschluß des Taktes wird der Schieber wieder in das Gehäuse der Brenn­ kammer zurückgeschoben.

Der Arbeitstakt entspricht ebenfalls einer Wellendrehung von 180°. Da in der zweiten Brennkammer der gleiche Arbeitsablauf erfolgt, werden bei die­ sem Motor zwei Arbeitstakte pro Umdrehung ausgeführt.

Beim Verdichtungstakt verbleibt in dem Raum der Ansaugscheibe von Mitte bis Ende des Überganges vom Zwischenraum zum Kolben eine Restluftmenge, die bereits verdichtet ist aber nach dem Schließen der Schieberöffnung nicht mehr in den Kompressionsraum gedrückt werden kann. Diese Luftmenge kann zu verschiedenen Funktionen verwendet werden:

• 1. Sie kann über einen Kanal im Ansaugkolben in den bereits geschlosse­ nen Ansaugraum für die zweite Brennkammer geführt werden und verdichtet dort die bereits angesaugte Luft. Dadurch wird diese Luft im Verdichtungs­ takt höher verdichtet und erzielt in der zweiten Brennkammer eine höhere Leistung.
• 2. Sie kann in einer Zwischenkammer gespeichert werden und nach der Zün­ dung über einen Schlitz mit dem bereits geöffneten Kompressionsraum ver­ bunden, dort nachverbrannt werden und zu einer Drucksteigerung führen.
• 3. Sie kann in einer Zwischenkammer gespeichert werden und kurz vor Abschluß des Arbeitstaktes als Spülluft die verbrannten Gase aus dem Kom­ pressionsraum verdrängen.

Zum gleichen Zeitpunkt entsteht in der Arbeitsscheibe, sobald der Schie­ ber aus dem Gehäuse in den Zwischenraum der Arbeitsscheibe gedrückt wird, der Arbeitsraum. Bis zum Zündzeitpunkt wird dieser Raum mit dem Ansaug­ raum der Ansaugscheibe verbunden und füllt sich mit Frischluft, die beim Einströmen der hochkomprimierten Gase nachträglich verbrennt.

Alternativ kann dieser Raum auch mit dem Verdichtungsraum verbunden werden, dabei entsteht vor dem Zündzeitpunkt der gleiche Druck wie im Kompressions­ raum. Die hierbei vorhandene größere Luftmenge, die bereits verdichtet ist, wird ebenfalls nachträglich verbrannt und erzielt eine erhebliche Leis­ tungssteigerung.

In beiden Fällen werden die Verbindungsschlitze durch den Kolben der An­ saugscheibe geöffnet und geschlossen.

Die Arbeitsscheibe dieses Motors kann 2-stufig ausgeführt werden. Die in der 1. Stufe nur teilentspannten Gase werden in der 2. Stufe restlos ent­ spannt. Dadurch wird der Arbeitsablauf günstiger und die Verbrennungsener­ gie noch besser ausgenutzt.

Die Arbeitsscheibe der 2.Stufe ist genau so ausgebildet wie die der ein­ stufigen Ausführung. Die Absperrschieber, die keinen Hohlraum haben, wer­ den durch die Schieber der 1. Stufe gesteuert, also mit gleichem Hub. Da das Volumen der 2. Stufe erheblich größer als das der 1. Stufe sein muß, wird die Höhe entsprechend geändert. Der Anbau der 2. Stufe kann sowohl neben als auch über der 1. Stufe erfolgen. Das teilentspannte Gas der 1. Stufe wird über ihren Auslaßschlitz in den Einlaßschlitz der 2. Stufe ge­ führt. Der Schieber bildet den rückwärtigen Abschluß des Arbeitsraumes, auf seiner Rückseite wird das beim vorherigen Takt entspannte Gas in die Abgasleitung geführt.

In den nachfolgenden Zeichnungen wird die Wirkungsweise des Motors erklärt und Konstruktionsmöglichkeiten gezeigt.

Zeichnung Nr. 1 ist die schematische Darstellung der Wirkungsweise eines Motors mit 2 Brennkammern, Figur A zeigt die Ansaugscheibe, Figur B die Arbeitsscheibe.

In Figur A hat die Ansaugscheibe (1) einen Kolben (11) und einen Zwischenraum (12). Der Schieber (8) ist in den Zwischenraum gefahren und der Kolben drückt das beim vorherigen Takt angesaugte Gemisch in den Kompressionsraum (40) des Schiebers. Auf der Rückseite wird über den Einlaß (17) erneut Gemisch angesaugt, das beim nächsten Takt verdichtet wird. Nach einer Wellendrehung von 180° wechseln die Funktionen.

Figur B zeigt die Arbeitsscheibe in zeitgleicher Stellung. Der Schie­ ber (20) der 2. Brennkammer ist in den Zwischenraum (14) gefahren und läßt die gezündete, hochkomprimierte Luft aus dem Kompressionsraum (41) in den Arbeitsraum strömen und auf den Kolben (13) wirken. Auf der Rückseite wird das beim vorherigen Takt entspannte Gas über den Auslaß (39) abgeleitet. Der Schieber (8) ist in die Brennkammer zurückgezogen und der Auslaß (18) geschlossen. Nach einer Wellendrehung von 180° wechseln auch hier die Funktionen, sodaß bei der Drehung von 2 × 180° insgesamt 2 Arbeitstakte ausgeführt wurden.

Zeichnung Nr. 2 stellt einen Schnitt durch den Motor in Ebene der Brennkammer dar.

Die Ansaugscheibe (1) sitzt mit der Arbeitsscheibe (2) in den Gehäusen (3) und (4) auf der gemeinsamen Welle (5), die in der Fußplatte (6) gelagert ist. In der Brennkammer (7) ist der Schieber (8) beweglich ge­ lagert, der an den Stirnseiten Dichtungsprofile (9) hat, die durch Federn (10) an die Lauffläche gedrückt werden.

Zeichnung Nr. 3 zeigt in Figur C einen Horizontalschnitt durch den Motor und die Brennkammer, während Figur D einen senkrechten Schnitt durch die Brennkammer darstellt.

In Figur C befindet sich rechts die Ansaugscheibe mit dem Kolben (11) und dem Zwischenraum (12) und links die Arbeitsscheibe mit dem Kolben (13) und dem Zwischenraum (14). Der Schieber (8) der Brennkammer (7) befindet sich im Mittelpunkt des Überganges vom Kolben zum Zwischenraum.

Beide Öffnungen sind geschlossen, somit entspricht diese Stellung dem Zündzeitpunkt. An den Stirnseiten sind Dichtungsprofile (9) mit den Federn (10) angebracht. In den Zwischenraum (12) wird über den Einlaß (17) Luftgemisch gesaugt, während die verbrannten Gase über den Auslaß (18) abgeleitet werden.

Der Schlitz (15) dient zum Überströmen der verdichteten Restluft in den bereits geschlossenen Ansaugraum, während über den Kanal (16) der entstehende Arbeitsraum Frischluft ansaugt.

Figur D stellt einen Schnitt durch die Brennkammer (7) mit dem Schie­ ber (8) dar, dessen Hohlraum (40) den Kompressionsraum bildet.

Die Zeichnung Nr. 4 stellt einen Schnitt durch die radial wirkende Ausführung dieses Motors dar.

Figur E zeigt einen Schnitt durch den ganzen Motor. Im feststehenden Mittelring (29) sind Brennkammern und Schieber eingebaut. Die Ansaug­ scheibe mit Kolben (22) und Zwischenraum (23) ist unter dem Mittelring angeordnet, während die Arbeitscheibe mit Kolben (24) und dem Zwischen­ raum (25) über dem Mittelring angeordnet ist.

Figur F zeigt einen Schnitt durch die Brennkammer in vergrößerter Darstellung. Der Schieber (27) mit dem Dichtungsprofil (28) bewegt sich in der Brennkammer (26). Die Stellung entspricht dem Zündzeit­ punkt.

Zeichnung Nr. 5 zeigt die Wirkungsweise der 2-stufigen Ausführung in schematischer Darstellung.

Figur G stellt die Ansaugscheibe dar, die die gleiche Wirkungsweise wie bei der 1-stufigen Ausführung hat.

Figur H zeigt die Arbeitsscheibe der 1.Stufe. Die Wirkungsweise entspricht ebenfalls der 1-stufigen Ausführung, jedoch anstelle der Auslaßöffnungen (18) und (39), die direkt in den Auspuff führen, sind hier die Öffnungen (33) und (35) vorhanden, die mit den Einlaß­ öffnungen (34) und (36) der Arbeitsscheibe (30) der 2. Stufe verbun­ den sind. Die Schieber der 2. Stufe (31) und (32) sind ohne Hohlraum ausgebildet und wirken wie die 1. Stufe. Die restlos entspannten Gase werden über die Auslaßöffnungen (37) abgeleitet.

Zeichnung Nr. 6 stellt einen Schnitt durch den ganzen Motor zwischen den beiden Scheiben dar. Die Fußplatte (6) trägt den ganzen Motor, die Verbindung der beiden Scheiben besteht aus den beiden Brennkammern (7) und (19).

Claims (17)

1. Kraftmaschine mit umlaufenden Kolben, selbsttätig wirkend, ein- oder zweistufig, nach dem 4-Takt-Verfahren als Saug-, Einspritz- oder Diesel­ motor arbeitend dadurch gekennzeichnet daß beide Scheiben zentrisch gelagert sind, auf einer gemeinsamen Welle sitzen, in getrennten Gehäusen laufen, am Umfang ein oder mehrere Kolben und gleichgroße Zwischenräume haben und durch ein oder mehrere Brenn­ kammern verbunden sind in denen je ein Schieber in axialer Richtung bewegt wird.

2. Kraftmaschinen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß der axiale Abstand der Laufflächen beider Scheiben immer konstant bleibt und die Übergänge zwischen Kolben und Zwischenräumen symmetrisch sind.

3. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die Länge der Brennkammer genau dem Abstand beider Scheiben, die Länge des Schiebers jedoch dem Abstand der Laufflächen beider Scheiben entspricht. Bei Drehung der Scheiben führt der Schieber in der Brenn­ kammer eine axiale Bewegung aus, die die selbsttätige Steuerung ergibt.

4. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß der Schieber mit einem Hohlraum versehen ist der als Kompressions­ raum dient und eine Öffnung zur Ansaugscheibe und eine zur Arbeitsscheibe hat und die Form des Schiebers so ausgebildet ist, daß genau in der Mit­ telstellung zwischen Kolben und Zwischenraum beide Öffnungen geschlossen sind.

5. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß beim Erreichen der Mittelstellung des Schiebers die im Verdichtungs­ raum verbliebene, bereits komprimierte Luft über einen Schlitz im Ansaug­ kolben in den bereits geschlossenen Ansaugraum geführt wird und dort die angesaugte Luft vorverdichtet.

6. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die komprimierte Luft aus Anspruch 5 in einen Zwischenspeicher gelei­ tet und nach der Zündung im Kompressionsraum und Öffnung des Schiebers zum Arbeitsraum mit dem Kompressionsraum verbunden und nachträglich ge­ zündet wird.

7. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die komprimierte Luft aus Anspruch 5 in einen Zwischenspeicher gelei­ tet und nach Beendigung des Arbeitstaktes, kurz vor Schließung des Schie­ bers die verbrannte Luft aus dem Kompressionsraum verdrängt.

8. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß der Arbeitsraum, der sich vor Erreichen des Zündzeitpunktes in der Arbeitsscheibe bildet mit dem Ansaugraum verbunden wird und sich mit Frischluft füllt, die im weiteren Verlauf des Arbeitstaktes verbrennt.

9. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß der Arbeitsraum, der sich vor Erreichen des Zündtzeitpunktes in der Arbeitsscheibe gebildet hat mit dem Verdichtungsraum verbunden und mit Luft gefüllt wird, die den gleichen Druck wie die des Kompressionsraumes hat und nach Öffnen des Kompressionsraumes sich selbst entzündet und dabei eine erhebliche Leistungssteigerung erzielt.

10. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die Arbeitscheibe 2-stufig ausgebildet, und das in der 1. Stufe nur teilentspannte Gas über den Auslaß in den Einlaß der 2. Stufe geführt wird. Die zweite Stufe entspricht im Aufbau der 1. Stufe, jedoch mit ver­ größertem Volumen und einem Schieber, der keinen Hohlraum hat und durch den Schieber der 1. Stufe gesteuert wird.

11. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die Ansaug- und Arbeitsscheibe übereinander angeordnet und durch einen feststehenden Mittelring getrennt sind, in dem die Brennkammer ein­ gebaut ist. Konstruktion, Ausführung und Abmessungen der Scheiben, Brenn­ kammer und des Schiebers sinngemäß wie in Anspruch 2 bis 10 beschrieben, jedoch erfolgen alle Veränderungen und Bewegungen in radialer Richtung.

12. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß 2 Motore nach Anspruch 11 nebeneinander, nur durch eine Mittelwand getrennt, angeordnet werden und in einem gemeinsamen Gehäuse laufen, die Kolben der Motore aber um 90° versetzt sind.

13. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß beide Scheiben einen gemeinsamen Rotationskörper bilden und in einem gemeinsamen Gehäuse laufen.

14. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß mehrere Motore auf einer gemeinsamen Welle sitzend hintereinander angeordnet sind.

15. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß zwei Ansaugscheiben und zwei Arbeitsscheiben übereinander angeordnet sind, die jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse laufen und durch mindestens 2 Brennkammern verbunden sind.

16. Kraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet daß die selbsttätige Steuerung durch eine Fremdsteuerung ersetzt werden kann.

17. Kreiskolbenmaschine mit Fremdantrieb entsprechend den Hauptansprüchen als Pumpe oder Kompressor ausgebildet dadurch gekennzeichnet daß beide Scheiben mit einem Ansaug- und einem Auslaßschlitz versehen sind, die jeweils durch ein Rückhalte- bzw. Rückschlag-Ventil abge­ sichert sind.