AT509096A1

AT509096A1 - Zweitakt kreiskolben verbrennungsmotor

Info

Publication number: AT509096A1
Application number: AT19152009A
Authority: AT
Inventors: Franz Ing Kutschi
Original assignee: Franz Ing Kutschi
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-15

Abstract

Die Erfindung Betrifft einen Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor, mit einem feststehenden Umschliessungskörper dessen epitrochoiedenförmige Mantelfläche zusammen mit den Seitenwänden einen Innenraum begrenzt, welcher senkrecht zu den Seitenwänden von der Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben drehbar gelagert ist, und die bogenförmigen Kolbenflanken des dreieckigen Kreiskolbens die beiden Engstellen der Epitrochoide des Gehäuses ständig dichtend berühren. Es ist vorgesehen, dass in der ersten Seite (R) des Gehäuses (1) der Einlasskanal (14), der Gasinjektor (16), und die Zündkerze (17) im ersten Viertel, und der Auslasskanal (13) im zweiten Viertel im Bereich der Engstelle (2) der Epitrochoide (3) und das in der zweiten Seite (L) des Gehäuses (1) der Einlasskanal (14), der Gasinjektor (16), die Zündkerze (17) sowie der Auslasskanal (13) zweimal gespiegelt, am Umfang der Epitrochoide (3) angeordnet sind, wodurch gleichzeitig in der ersten rechten (R) und in der zweiten linken (L) Seite des Gehäuses (1) ein eigenständiger Kreisprozess mit Zweitaktprinzip ablaufen kann.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor, mit einem feststehenden Umschliessungskörper dessen epitrochoiedenförmige Mantelfläche zusammen mit den Seitenwänden einen Innenraum begrenzt, welcher senkrecht zu den Seitenwänden von der Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben drehbar gelagert ist, dessen Drehzahl durch ein Getriebe, das aus einem am Kolben befestigten Innenzahnrad und einem an der Seitenwand feststehenden Ritzel besteht, in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Exzenterwelle steht, und die bogenförmigen Kolbenflanken des dreieckigen Kreiskolbens die beiden Engstellen der Epitrocholde des Gehäuses ständig dichtend berühren.. Die Anmeldung beschreibt einen neuen turbinenartigen Motortyp für den es eigentlich keinen vergleichbaren Stand der Technik gibt, da bekannte Kreiskolbenmotore nach dem Wankelprinzip immer nur mit drei Arbeitskammern und nur im Viertaktprinzip arbeiten. Andere Zweitakt Kreiskolbenmotore wie zu Beispiel aus DE 102 52 684 Al oder DE 10 2004 040 260 A1 bekannt ist, arbeiten mit anderen Konstruktionen und nach anderen Arbeitsprinzipien und Kreisprozessen. Es wird daher Bezug genommen auf den Stand der Technik des Wankelmotors wobei die Vorteile des Wankelmotors gegenüber dem Hubkolbenmotor auch für den erfindungsgemäßen Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor gelten. Nachteilig am Wankelmotor ist, dass ein ungünstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Brennraumvolumen besteht, was zu größeren Wärmeverlusten führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich durch die einstellende Quetschströmung im Bereich der Einschnürung der Gemischanteil oberhalb der Zündkerze nur schwer bis gar nicht entzündet und unverbranntes Gemisch ausgelassen wird. Weiters sind hohe Verdichtungen wie sie für einen Diesel betrieb notwendig sind, nicht oder nur schwer erreichbar und der spezifische Kraftstoffverbrauch im vergleich zum Viertakthubkolbenmotor ist um ca. 15 % höher. Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor

Blatt: 2 zu schaffen, der die oben erwähnten Nachteile in einfacher und kostengünstiger Weise beseitigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird Erftndungsgemäß vorgeschlagen, dass in der ersten Seite (R) des Gehäuses der Einlasskanal, der Gasinjektor, und die Zündkerze im ersten Viertel, und der Auslasskanal im zweiten Viertel im Bereich der Engstelle der Epitrochoide und das in der zweiten Seite (L) des Gehäuses der Einlasskanal, der Gasinjektor, die Zündkerze sowie der Auslasskanal zweimal gespiegelt, am Umfang der Epitrochoide angeordnet sind, wodurch gleichzeitig in der rechten (R) und in der linken (L) Seite des Gehäuses ein eigenständiger Kreisprozess mit Zweitaktprinzip ablaufen kann.

Dadurch ergibt sich der Erfindungsgemäße Vorteil, das ein wesentlich besseres Verhältnis zwischen Oberfläche und Brennraumvolumen besteht, das in der Verbrennungs- und Exspansionsphase keine Quetschströmungen auftreten und das Verbrennungsgemisch daher vollständig verbrannt wird, das keine hohen Verdichtungen notwendig sind. Als weiter Vorteilhaft erweist es sich, dass bei jeder Exzenterwellenumdrehung zwei Takte stattfinden wodurch ein gleichförmiges Drehmoment erreicht wird und durch die exakte Dosierung des Verbrennungsgases oder der Verbrennungskraftstoffes der spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den Öffnungen der Einlasskanäle ein oder mehrere Einlassventile angeordnet sind wodurch eine optimale Füllung der Arbeitskammern gewährleistet wird. Durch die mechanisch, elektromotorisch oder elektromagnetisch betätigten Einlassventile wird ein optimaler Ladungswechsel erreicht, wobei auch eine variable oder vollvariable Ventilsteuerung möglich ist. . Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einbringung des Verbrennungsgases oder des Kraftstoffes in die Arbeitskammem oder in die Einlasskanäle vorzugsweise durch elektronisch gesteuerte Gasinjektoren mit einem Rückschlagventil oder mit Kraftstoff - Einspritzdüsen erfolgt, wodurch eine exakte Dosierung des • · * ♦ * « • I «I « » ♦ · I * *♦ · # ♦ * · ♦ ♦ * * » «

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Verbrennungsgases oder Kraftstoffes zur Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs möglich ist, Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass erfindungsgemäß die Verdichtung der Verbrennungsluft, vorzugsweise mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter erfolgt und die Verdichtung Drehzahlunabhängig genau auf den Kreisprozess eingestellt werden kann. Zur optimalen Steuerung der Ladungswechsel im Zweitaktprinzip sind die Öffnungen des Einlasskanals durch die Vorderkante einer Kolbenflanke und die Öffnungen des Auslasskanals durch die Hinterkante einer Kolbenflanke, bei einer vorgegeben Stellung des Kreiskolbens begrenzt. Zur Ausnützung der Abgasenergie ist erfindungsgemäß die Anordnung einer Abgasturbine mit einem Generator vorgesehen. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, wenn der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor als Mehrscheibenläufer ausgeführt wird, wobei vorzugsweise das weitere oder jedes zweite Gehäuse und die zugehörige Bxzenter um 90° versetz angeordnet sind, wodurch ein noch gleichförmigeres Drehmoment entsteht und eine wesentliche Gewichtsreduzierung erreicht wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum betreiben eins Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotors, ist vorgesehen, dass gleichzeitig in der rechten Seite (R) des Gehäuses ein eigenständiger Kreisprozess mit Zweitaktprinzip und in der linken Seite (L) des Gehäuses ein eigenständiger Kreisprozess mit Zweitaktprinzip ablaufen, wobei der erste Takt in einer ersten Arbeitskammer mit Einlassen von verdichteter Verbrennungsluft und verdichtetem Verbrennungsgas, Zünden. Verbrennen und Expantieren und der zweite Takt in einer zweiten Arbeitskammer mit Auspuffen des Abgases, getrennt stattfindet.

Der erfindungsgemäße Kreisprozess arbeitet nach dem Zweitaktprinzip und findet in zwei getrennten Arbeitskammem statt. Im 1.Takt läuft die Vorderkante der Kolbenflanke an der vorderen Einlasskante vorbei und es gelangt bei geöffneten Einlassventil und geöffneten Gasinjektor verdichtete Verbrennungsluft und verdichtetes Verbrennungsgas in den von der

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Kolbenflanke gebildeten Arbeitsraum. Erreicht die Vorderkante der Kolbenflanke eine vorgegebene Stellung, schließt das Einlassventil und der Gasinjektor und das Gas -Luftgemisch wird von der Zündkerze gezündet. Durch die bei der Verbrennung freiwerdende Energie und Expansion des Verbrennungsgases wird am Kreiskolben nutzbare Arbeit verrichtet. Die Expansion dauert so lange bis die Vorderkante der Kolbenflanke den Auslasskanal fteigibt. Danach erfolgt im 2. Takt das Ausschieben des Abgases und es dauert so lange bis die Hinterkante der Kolbenilanke die Vorderkante des Auslasskanals erreicht und den Auslasskanal geschlossen hat. Der erfindungsgemäße Kreisprozess des Kreiskolben - Verbrennungsmotors mit einem Zweitaktprinzip beträgt auf die Exzenterwelle bezogen genau 540 ° und die zwei Takte benötigen auf den Kreiskolben bezogen genau 240°. Das bedeutet, es dauert eineinhalb ExzenterwelleDumdrehungen bis eine Kolbenflanke alle zwei Takte durchlaufen hat. Wegen der an zwei Kolbenflanken immer gleichzeitig ablaufenden Takte finden daher bei jeder Exzenterwellenumdrehung zwei Takte statt. Dadurch dass der Kreiskolben drei Kolbenflanken aufweist finden bei einer Kreiskolbenumdrehung von 360° und bei drei Exzenterwellenumdrehungen von 1080° sechs Takte statt. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass die zwei Takte vollständig getrennt voneinander stattfinden, wobei in einer Arbeitskammer nur Einlassen, Zünden, Verbrennen und Expandieren und in der zweiten Arbeitskammer nur Auspuffen erfolgen, und das kein Spülvorgang notwendig ist mit welchen unverbranntes Gemisch ausgelassen wird. Das erlindungsgemäße Verfahren entspricht den derzeitigen,, Downsizing“ Bestrebungen, bei dem Motore mit kleineren Hubräumen gleiche Werte wie Hubraumgrößere Motoren erreichen. Es werden dadurch Ziele wie, Verbrauchs - und CO 2 Reduktion, Gewichtsreduktion, geringerer Hubraum und Ausgleich der Drehmomentschw'äche gegenüber konventionellen Motoren erreicht.

Eine bevorzugte nicht einschränkende Ausfiihrungsform der vorgelegten Erfindung wird beispielshalber und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. • · · · · • · · * »ll** · ··*··»· ·«

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Es zeigen in einer schematischen Darstellung: Fig.J und Fig.2 in einen Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor in geschnittener Vorderansicht, ohne Schraffur des Gehäuses, und Fig,3 einen Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor im Querschnitt,

Wie aus Fig.l ersichtlich ist, weist der erfindungsgemäße Zweitakt Verbrennungsmotor im Wesentlichen ein Gehäuse (1) mit einer epitrochoidenförmigen Mantelfläche (3) und einem auf einer Exzenterwelle (18) drehbar angeordneten dreieckigen Kreiskolben (7) mit den bogenförmigen Kolbenflanken (4), (5) und (6) auf. Wie dargestellt sind im Gehäuse (1) am Umfang der Mantelfläche (3) in der rechten Seite (R) und in der linken Seite (E) zweimal gespiegelt, die Einlasskanäle (14) mit den Einlassventilen (15), die Auslasskanäle (13) sowie die Gasinjektoren (16) mit Rückschlagventil (21) und die Zündkerzen (17) angeordnet. Genauer betrachtet sind, zwei Arbeitskammem für den eigenständigen Kreisprozess Rechts, erster Takt Einlass und Gemischbildung (10), und zweiter Takt Auspuffen(12), und die zwei Arbeitskammem für den eigenständigen Kreisprozess Links, erster Takt Expansion (11) und zweiter Takt Auspuffen (12) dargestellt, welche durch die dichtende Berührung der Kolbenflanken (4), (5) und (6) mit der Engstelle (2) der Mantelfläche (3) gebildet werden. Es ist weiters ersichtlich das auf der rechten Seite des Gehäuses (1) das Einlassventil (15) und der Gasinjektor (16) für die Verbrennung und Expansion geschlossen sind, und auf der linken Seite verdichtete Verbrennungsluft (8) und verdichtetes Verbrennungsgas (9) durch die geöffneten Einlässe in den Arbeitsraum gelangen und das verdichtete Gas - Luftgemisch (10) bilden.Fig.2 zeigt den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor in einer für die Begrenzung der Öffnungen der Einlasskanäle (14) und der Öffnungen der Auslasskanäle (13) bestimmenden Arbeitsstellung des Kreiskolbens (7), wobei ersichtlich ist, dass die Kolbenflanken (5) und (6) die Engstelle (2) der Mantelfläche (3) dichtend berühren und in dieser Stellung fünf Arbeitskammem bilden, nämlich zweimal Einlass, zweimal Auslass und einmal Expansion. Wie dargestellt, decken in dieser » ·« ·

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Kolbenstellung die Kolbenflanke (6) die Öffnung des Einlasskanals (14) und die Kolbenflanke (5) die Öffnung den Auslasskanal (13) der rechten Gehäuseseite ab, wobei die Kolbenflanke (4) das Maximum der Expansionskammer (11) bildet. Es ist weiters ersichtlich, dass ab dieser Kolbenstellung auf der rechten Gehäuseseite das Einlassventil (15) für den Einlass von verdichteter Verbrennungsluft (8) geöffnet wird und dass auf der linken Gehäuseseite das Einlassventil (15) und das Rückschlagventil (21) für die Zündung des Gas -Luftgemisches (10) geschlossen sind.

Wie in Fig.3 dargestellt wird die den Einlasskanälen (14) zugefuhrte verdichtete Verbrennungsluft (8) von einem vorzugsweise elektromotorisch angetriebenen Verdichter (19) ständig bereitgestellt und das durch die Auslasskanäle (13) ständig ausgeschobene Abgas (12) vorzugsweise einer Abgasturbine (20) mit einem Generator zugeführt.

Bezugszeichenliste: (1) Gehäuse (2) Engstelle der Epitrochoide (3) Mantelfläche (Epitrochoide) (4) Kolbenflanke (5) Kolbenflanke (6) Kolbenflanke (7) Kreiskolben (8) Verbrennungsluft (9) Verbrennungsgas (10) Gas - Luftgemisch (11) Expansion (12) Abgas (13) Auslasskanal (14) Einlasskanal (15) Einlassventil (16) Gasinjektor (17) Zündkerze (18) Exzenterwelle (19) Verdichter (20) Abgasturbine (21) Rückschlagventil

Claims

Blatt: 8 Patentansprüche 1. ) Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor, mit einem feststehenden Umschliessungskörper dessen epitrochoiedenförmige Mantelfläche zusammen mit den Seitenwänden einen Innenraum begrenzt, welcher senkrecht zu den Seitenwänden von der Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben drehbar gelagert ist, dessen Drehzahl durch ein Getriebe, das aus einem am Kolben befestigten Innenzahnrad und einem an der Seitenwand feststehenden Ritzel besteht, in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Exzenterwelle steht, und die bogenförmigen Kolbenflanken des dreieckigen Kreiskolbens die beiden Engstellen der Epitrochoide des Gehäuses ständig dichtend berühren, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Seite (R) des Gehäuses (1) der Einlasskanal (14), der Gasinjektor (16), und die Zündkerze (17) im ersten Viertel, und der Auslasskanal (13) im zweiten Viertel im Bereich der Engstelle (2) der Epitrochoide (3) und dass in der zweiten Seite (L) des Gehäuses (1) der Einlasskanal (14), der Gasinjektor (16), die Zündkerze (17) sowie der Auslasskanal (13) zweimal gespiegelt, am Umfang der Epitrochoide (3) angeordnet sind, wodurch gleichzeitig in der ersten rechten (R) und in der zweiten linken (L) Seite des Gehäuses (1) ein eigenständiger Kreisprozess mit Zweitaktprinzip ablaufen kann.
2. ) Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einlasskanal (14) ein oder mehrere Einlassventile (15) aufweist.
3. ) Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Steuerung der Einlassventile (15) mechanisch, elektromechanisch oder elektromagnetisch erfolgt. • ·· I · * · · · · * · · i t • · · · * * *·#*··· • I * * 4 * · « • · · · Blatt: 9 4. ) Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, das die direkte Einbringung eines Verbrennungsgases (9) oder eines Kraftstoffes in eine Arbeitskammer vorzugsweise mit elektronisch gesteuerten Gasinjektoren (16) oder mit Kraftstoff - Einspritzdüsen mit einem Rückschlagventil (21) erfolgt. 5. ) Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,2,3, oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Gasinjektoren (16) oder Kraftstoff - Einspritzdüsen in den Einasskanälen (14) vor den Einlassventilen (15) angeordnet sind. 6. ) Verbrennungsmotor nach, oben angeführten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Verbrennungsluft (8) vorzugsweise mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter (19) erfolgt 7. ) Verbrennungsmotor nach oben angeführten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Einlasskanals (14) durch die Vorderkante einer Kolbenflanke und die Öffnung des Auslasskanal (13) durch die Hinterkante einer Kolbenflanke, bei einer vorgegeben Stellung des Kreiskolbens (7), begrenzt sind. 8. ) Verbrennungsmotor nach oben angeführten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas (12) einer Abgasturbine (20) mit einem Generator zugefuhrt wird. 9. ) Verbrennungsmotor nach oben angeführten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotor als Mehrscheibenläufer ausgeführt ist. 10. ) Verbrennungsmotor nach oben angeführten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Mehrscheibcnausfuhrung das weitere oder jedes zweite Gehäuse (1) und die zugehörigen Exzenter der Exzenterwelle (18) um 90 0 versetz angeordnet sind. 11. ) Verfahren zum betreiben eins Zweitakt Kreiskolben Verbrennungsmotors, mit einem feststehenden Umschliessungskörper dessen epitrochoiedenformige Mantelfläche zusammen mit den Seitenwänden einen Innenraum begrenzt, welcher senkrecht zu den Seitenwänden von der Exzenterwelle durchsetzt ist, auf deren Exzenter ein dreieckiger Kolben drehbar gelagert ist, dessen Drehzahl durch ein Getriebe, das aus einem am Kolben befestigten Innenzahnrad und einem an der Seitenwand feststehenden Ritzel besteht, in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Exzenterwelle steht, und die bogenförmigen Kolbenflanken des dreieckigen Kreiskolbens die beiden Engstellen der Epitrochoide des Gehäuses ständig dichtend berühren, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig in der rechten Seite (R) des Gehäuses (1) ein eigenständiger Kreisprozess mit Zweitaktprinzip und in der linken Seite (L) des Gehäuses (1) ein eigenständiger Kreisprozess mit Zweitaktprinzip ablaufen, wobei der erste Takt in einer ersten Arbeitskammer mit Einlassen von verdichteter Verbrennungsluft (8) und verdichtetem Verbrennungsgas (9), Zünden, Verbrennen und Expantieren und der zweite Takt in einer zweiten Arbeitskammer mit Auspuffen des Abgases (12), getrennt stattfindet. 12. ) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreisprozess mit Zweitaktprinzip bezogen auf die Exzenterwelle (18) 540 0 dauert und die zwei Takte bezogen auf den Kreiskolben (7) 240° dauern. • * « · • * « · • * · *·*····· » • ΜΙ ·ΜΙ *· · |« Blatt: 11 13. ) Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Takt in einer von einer Kolbenflankc gebildeten Arbeitskammer, verdichtete Verbrennungsluft (10) und verdichtetes Verbrennungsgas (11) nach schließen des Einlassventils (15) und Rückschlagventils (21), von einer Zündkerze (17) gezündet wird und dort unter Wärmeabgabe und Expansion verbrennt. 14. ) Verfahren nach Anspruch 11,12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Takt das Abgas (12) über den Auslasskanal (13) aus einer von einer Kolbenflanke gebildeten Arbeitskammer ausgedrückt wird.