DE10243061B4

DE10243061B4 - Verbundmotor

Info

Publication number: DE10243061B4
Application number: DE10243061A
Authority: DE
Inventors: Benno Buchelt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2002-09-16
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: AT410965B; DE10243061A1; ATA11842000A

Abstract

Verbundmotor bestehend aus einer Hubkolbenmaschine, in welcher der Hochdruck- Hochtemperaturteil des thermodynamischen Kreislaufes stattfindet und einer aus zwei Gehäuseeinheiten mit je einem Rotor bestehenden Kreiskolbenmaschine System Oldham Franchot mit Polkreisverhältnis 2:1 für den Niederdruckteil des Kreisprozesses, wobei eine Einheit mit der Breite (bC) als Ladekompressor für die Hubkolbenmaschine dient und die zweite bei gleichem Querschnitt von Kolben und Gehäusekontur mit der 1,3 bis 3,5 mal so großen Breite (bE) als Expander für die Nachexpansion des aus der Hubkolbenmaschine austretenden Gases dient, und beide Rotoren der Kreiskolbeneinheiten auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und diese gemeinsame Exzenterwelle über ein Getriebe mit der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist, so daß auch die Kreiskolbenmaschine einen wesentlichen Teil der gesamten Nutzleistung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß Führungszahnräder (FZ) des Kreiskolbenaggregats mit ihrem kinematisch bedingten Teilkreisverhältnis 2:1 spiegelbildlich an den zu den äußeren axialen Enden zugewandten Seitenflächen der Kammern der Maschine angeordnet sind, während innen, das...

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung gehört zu den in der Fachliteratur für Verbrennungsmotoren so benannten Verbundmotoren oder Compound-Motoren, wie sie hauptsächlich für Flugzeugantriebe vor dem Erscheinen der Strahltriebwerke konzipiert wurden. Darunter versteht man, wie die 1 typisch zeigt, die Koppelung einer Hochdruck-Hubkolbenmaschine HKM mit im Zylinder erfolgender innerer Verbrennung, mit einer Niederdruck-Gasturbine GT verbunden über ein Schaltgetriebe SG, wobei über beide Maschinen ein einziger Motorkreisprozeß läuft. Diese Anordnung ist ein konstruktives Mittel, um die beiden sonst unvereinbar scheinenden Merkmale, wie geringer spezifischer Verbrauch einerseits und niedriges Leistungsgewicht einer Leichtbaumaschine anderseits innerhalb des gleichen Gesamtaggregates zu vereinen.
Dabei wird die Motorgesamtleistung zum Teil von der Gasturbine und zum Teil von der Hubkolbenmaschine erzeugt. Der Kreisprozeßzyklus geht eindirektional über beide Maschinen. Die Leistungsaufteilung hängt vom Zwischendruck p2L zwischen beiden Maschinen gemäß 2 und 7 ab, wo ein idealisiertes pv-Diagramm dargestellt ist, wobei die Zahlenwerte der Erfindung von einem mit Berücksichtigung der Temperaturveränderlichkeit der Stoffwerte berechneten idealen pv-Diagramm stammen.
Eine erfolgreiche Serienmaschine dieser Bauart war der Wright R3350-Turbo-Compound-Motor des Flugzeuges Lockheed Super Constellation der vierziger und fünfziger Jahre und der Prüfstands- Prototyp "Nomad" von Napier von 1945.
Sämtliche Turboladermotoren und Motoren mit Kolbenladern unterschiedlichster Bauarten (von Rootsladern bis Wankelladern) fallen im Gegensatz zu den Verbundmotoren nicht in das Fachgebiet der Erfindung, weil der Lader keine Leistung abgibt, sondern Im Gegenteil, im Falle von Kolbenladern, Leistung von der Hubkolbenmaschine aufnimmt. Ebenso wenig in das Fachgebiet der Erfindung fallen Maschinen mit Kompression und Expansion in getrennten Kolbenmaschinen und dazwischen liegender Gleichdruck- Brennkammer.
Sparsamster spezifischer Verbrauch bis auf 130 g/kWh herunter ist nur bei größten schweren, langsam laufenden Schiffsmotoren in Kreuzkopf-Bauweise bekannt.
Die Ursachen dafür sind teilweise hohe Verdichtungsverhältnisse bis ε = 28 : 1 und gleichzeitig hohe Verhältnisse von Hub/Bohrung von bis zu 3:1, um trotz hohem ε flache ungünstig scheibenförmige Brennräume zu vermeiden. Dabei explodiert das Leistungsgewicht der Schiffsmaschinen. Im Gegensatz dazu ist der Verbundmotor ein Konzept, diesen niedrigen Verbrauch der Schiffsmaschinen mit geringem Gewicht und hohen Drehzahlen zu realisieren.
Stand der Technik der Verbundmotoren
Es wird zwischen tatsächlich gebauten Verbundmotoren und ähnlichen Ideen der Patentliteratur unterschieden:
A) Stand der Technik tatsächlich gebauter Verbundmotoren:
Die 1 zeigt schematisch den "Nomad"-Flugmotor von Napier aus dem Jahre 1945, der als gebauter Prototyp am Prüfstand einen spezifischen Verbrauch bE von 210 g/kWh aufwies.
Tatsächlich in Serienproduktion in den vierziger Jahren war der spezifisch sehr sparsame Flugmotor R-3350-34 von Wright, eingebaut in den Flugzeugtyp "Super Constellation" von Lockheed.
Dabei ist die Gasturbine GT nicht nur Lader, sondern auch Nutzleistungsmaschine, weil sie wegen der Getriebekoppelung SG mit dem Hubkolbenmotor HKM wesentlich mehr Abgasenergie aus dem Hubkolbenmotor umsetzen kann, als zum bloßen Antrieb des eigenen Kompressors notwendig ist. Die Brennkammer der Gasturbine wird durch den Hubkolbenmotor ersetzt. Die beiden Einzelmaschinen haben für sich allein geringere Druck- und Verdichtungsverhältnisse, was bei der Kolbenmaschine kurze Hübe, hohe Drehzahlen und kleine Abmessungen ermöglicht, trotz der Kreisprozeß-Eckdaten eines Hochwirkungsgrad- Schiffs- Größtmotors. Zusammen besitzen beide Maschinen trotz hoher Drehzahlen und niedriger Einzel- Verdichtungsverhältnisse das hohe Verdichtungsverhältnis einer langhubigen langsam laufenden schweren Schiffsmaschine. Es gilt: ε_GES = ε_L·ε_M mit Index "L" für die Ladergasturbine und Index "M" für den Hubkolbenmotor.
2 zeigt mittels eines idealisierten p,v-Diagrammes den Grund für die Sparsamkeit plus Leichtigkeit derartiger Maschinen: der Niederdruckteil mit seinen großen spezifischen Gasvolumina wird durch die relativ kleine und leichte Gasturbine abgedeckt, die dank ihrer hohen möglichen Drehzahl ohne große Abmessungen haben zu müssen, bis auf den Druck der Umgebung entspannen kann. Dieser Vorteil ist notwendig, um den Einschnitt in der Diagrammfläche (Punkte 4, 3L, 2L in 2) durch die unvermeidlichen Überström- Drosselverluste wettzumachen. Durch die hohe Aufladung ist die Hubkolbenmaschine kleiner, leichter, kurzhubiger und daher rasch laufend realisierbar.
Als Landfahrzeugmotor mit zeitlich stark wechselnden Drehzahlen und wechselnden Drehmomenten auf Hügelstraßen ist eine Kombination HKM + GT schlecht geeignet. Dafür müßte zusätzlich zum Schaltgetriebe zwischen HKM und GT genau genommen alle Leitschaufeln und alle Laufschaufeln von Kompressor und Turbine der GT drehbar regelbar sein und das bei einer vielstufigen axialen Gasturbine. Für eine derartige Drehbarkeit von Leit- und Laufschaufeln ist nur eine reine Axialturbine geeignet, das würde Abschied heißen von den sonst bei Abgasturboladern üblichen preiswerten Radialturbinen und Radialkompressoren. Das Betriebsverhalten eines Verbundmotors mit Gasturbine im Vergleich zum erfindungsgemäßen Motor mit 2:1-Kreiskolbenmaschine anstatt mit Gasturbine zeigt schematisch die 3 mittels eines Diagramms von Drehmoment über der Drehzahl, kurz M über n:
Über der Momentenlinie eines vergleichbaren Saugmotors SM befindet sich die einer Hubkolbenmaschine mit Gasturbine (HKM + GT) oder mit Turbolader.
Wegen der Getriebekoppelung mit der HKM ist die vorteilhafte Drehmomentlinie einer Zweiwellen- Gasturbine nicht möglich. Das Aggregat HKM + GT verhält sich bei Abweichungen vom Auslegepunkt ähnlich ungünstig wie ein Motor mit hoher Abgasturboaufladung mit dem Momenten- Mangel im niederen Drehzahlbereich, da der Druck der Niederdruck- Strömungsmaschine annähernd mit dem Quadrat der Drehzahl sinkt und umgekehrt bei hohen Drehzahlen für den Kolbenmotor viel zu hoch wird. Die bekannte Bypass- Regelung BR ist nur eine Behelfs- Schutzmaßnahme.
Kurz: Kolbenmaschine und Strömungsmaschine passen mit ihren M,n-Kennlinien sehr schlecht zusammen. Der Startvorgang wird bei einem aufgeladenen Compound-Dieselmotor mit Gasturbine wegen des Nichtvorhandenseins von Ladedruck der Turbomaschine bei kleinsten Drehzahlen zu einem Konstruktionsproblem. Bei Anwendung im Flugbetrieb (gebaute Motoren von Napier und Wright) sind diese Nachteile nicht gravierend, da der Betriebspunkt vom Auslegepunkt nur wenig abweicht.
Bei der erfindungsgemäßen Maschine gemäß vorliegender Anmeldung hingegen ladet eine Kolbenmaschine die andere Kolbenmaschine, wodurch das hohe Drehmoment bis in den niedersten Drehzahlbereich voll erhalten bleibt.
B) Stand der Technik mit Verbundmotorideen und ähnliche Maschinen seit 1979:
EP 0 013 180 A1 (Erfinder Craig Chilton HILL- 1979/USA), kombiniert wie meist üblich einen Hubkolbenmaschinen (HKM)- Hochdruckteil mit einem Gasturbinen (GT)-Niederdruckteil. Damit besteht ein großer Gegensatz zu dem vorliegenden Erfindungsgegenstand, bei welcher der Niederdruckteil wegen Aufrechterhaltung des Drehmomentes im unteren Drehzahlbereich und zur Erzielung hoher Ladedrücke eine Kolbenmaschine ist, wobei innerhalb der Kategorie Kolbenlader dafür eine Kreiskolbenmaschine (KKM) mit Polkreisverhältnis 2:1 und zweieckigem Kolben mit Dichtleisten bestmöglich geeignet ist.
HILL befaßt sich im Detail nur mit dem Hochdruckteil allein und obliegt dabei sehr schweren physikalischen Irrtümern, weil er die Massenbilanz entlang der Zustandspunkte seines von ihm angeregten Kreisprozesses nicht berücksichtigt, so daß die von ihm angeführten Vorteile der besonderen Ventilsteuerung seines Hochdruck-Hubkolbenmotors nicht im geringsten zutreffen.
CH 664 193 A5 (Erfinder Dr. H.C. Felix WANKEL- 1982/OE) ersetzt einen Abgasturbolader eines Hubkolbenmotors durch zwei innerachsige Rotationskolbeneinheiten wobei beide Maschinen auf der gleichen Welle sitzen, eine als Kompressor dient und die andere als Abgas- Expansionsmotor, der den Kompressor treibt. Dabei ist dieses Gerät wie ein Turbolader nur über die Gasströme mit der Hubkolbenmaschine in Verbindung. Es gibt also keine mechanische Verbindung über Zahnradverbindung zwischen Niederdruck und Hochdruckmaschine, im Sinne des Gegenstands des Anspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung. In diesem Sinne ist die Maschine von Wankel kein "Verbundmotor" wie das anmeldungsgemäß vorgeschlagene Aggregat, bei welchem auch die gleichzeitig als Lader dienende Niederdruckmaschine Nutzleistung abgibt und nicht nur die Hochdruckmaschine.
Für reine Aufladezwecke wie bei Wankel genügt, wie die 3 der CH 664 193 A5 zeigt, ein querschnittsgleicher Expander, dessen Gehäuse annähernd gleich breit ist wie das des Kompressors.
Das Kreiskolbenaggregat System Oldham/Franchot, gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 mit "zwei Rotoren" für Kompressor und getrenntem Expander, gehört nach der von Wankel in seinem Buch "Die Einteilung der Rotations-Kolbenmaschinen" 1963 geschaffenen Terminologie gleichfalls zu der von Wankel in Anspruch 1 der CH 664 193 A5 erwähnten Kategorie "Innenachsige Kreiskolbenmaschinen", ist aber gegenüber Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung hinsichtlich der Hauptmerkmale

• über Getriebe mit einer HKM verbunden, also keine vom HKM- Motor mechanisch "unabhängige Anordnung" wie in Wankels Anspruch 1
• und ferner durch einen gegenüber dem Kompressor 1,3 fach bis 3,5 fach breite ren Expander bei gleichem Querschnitt im Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung gekennzeichnet, eine Idee, die bei Wankel nicht vorkommt, und bei Wankel wegen der fehlenden Getriebeverbindung zum Hochdruckmotor auch sinnlos wäre
• und in seiner Kinematik von jener Wankels in der CH 664 193 A5 insbesondere in der Frage der Abdichtung grundverschieden.

Diese im obigen zweiten Punkt erwähnten um ein Vielfaches unterschiedlichen Breiten haben bei dem in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen KKM- Aggregat nur dann einen physikalischen Sinn, wenn es das über Getriebe mit der Hochdruckmaschine verbunden ist und nicht etwa "mechanisch unabhängig ist", wie bei Wankel. Nur dann, wenn aus dem Abgasstrom des Hochdruckmotors mehr Energie als zum bloßen Antrieb des Laderkompressors notwendig ist, entnommen werden soll, weil diese Überschußenergie über Zahnräder an den Hochdruckmotor abgegeben werden kann, kommt dem Merkmal der wesentlich größeren Breite des Expander-Kreiskolbenaggregates wie in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung Bedeutung zu. Wankel vermeidet mittels komplexer Hüllkurvenkinematik mit entsprechenden Zahnradgetrieben zur Führung seiner Rotorteile schleifende Dichtleisten, wozu aber bei einer Ladermaschine, die wesentlich geringeren Temperaturen und Drücken ausgesetzt ist, als problemlos laufende Wankel- Ottomotoren von Mazda der Gegenwart, kein Anlaß besteht. Die Spaltdichtungen von Wankel in der CH 664 193 A5 müssen wegen der unvermeidlichen Zahneingriffsspiele der Führungsverzahnungen groß sein und stellen wegen ihrer Form unfreiwillige Lavaldüsen dar, welche die Leckverluste fördern.
FR 2 777 943 A1 (Erfinder Andre Louis KOVACS – 1998/FR). Die in diesem Patent dargestellte Maschine ist kein Verbundmotor im Sinne der übergeordneten Fachkategorie- Zuordnung der vorliegenden Anmeldung, weil die Hochdruckmaschine fehlt. Würde man die gesamte Maschine von Kovacs als Niederdruck- Aggregat auffassen und über Zahnräder mit einer bei Kovacs nicht vorhandenen Hochdruckmaschine verbinden und einen thermodynamischen Kreislauf über beide Maschinen laufen lassen, dann wäre Kovacs erst in der Kategorie der Verbundmotoren. Die bloße Aufteilung von Kompression und Expansion auf zwei getrennte Hubkolben- oder Kreiskolben- Aggregate ergibt noch keinen Verbundmotor im klassischen Sinn von Napier und Wright, wie gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung.
Dadurch entfällt bei Kovacs die hohe Gesamtverdichtung und damit der in vorliegender Anmeldung angestrebte hohe Wirkungsgrad bei gleichzeitig niedrigem Leistungsgewicht worin der grundsätzliche Sinn eines Verbundmotors besteht.
Der vorliegende Anmeldungsgegenstand wäre erst dann annähernd mit der von Kovacs vergleichbar, wenn man bei diesem Anmeldungsgegenstand die Hochdruck-Hubkolbenmaschine weglassen würde und durch eine annähernd mit Gleichdruck arbeitende Brennkammer ähnlich der eines Flugtriebwerkes ersetzen würde. Dann bleibt immer noch der fundamentale Unterschied der Art der angewandten Kreiskolbenmaschine. Eine wesentliche Aussage der vorliegenden Anmeldung besteht darin, daß eine 2:1-Kreiskolbenmaschine vom System Oldham-Franchot bestmöglich als Niederdruckmaschine für einen Verbundmotor geeignet ist, der als Landfahrzeug ständig wechselnden Belastungen unterliegt. Die 3 des Patentes von Kovacs zeigt zwar auch eine Kreiskolbenmaschine mit Polkreisverhältnis 2:1 und einwandfreier Kinematik, erzeugt jedoch ähnlich der Anmeldung CH 664 193 A5 von Wankel einen Hüllkurvenspalt des Kolbens ohne Dichtleisten gegenüber dem Gehäuse, der auf Grund seiner Form unbeabsichtigt zur Leck- fördernden Lavaldüse zwischen den Kammern der Kreiskolbenmaschine wird. Damit ist ohne Dichtleisten vor allem bei der niedrigen Startdrehzahl keine ausreichende Verdichtung für ein Dieselverfahren zu erzielen.
Nur ein Dieselverfahren kommt bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbundmaschine mit hoher Gesamtverdichtung in Frage.
Die für die vorliegende Anmeldung sehr wichtige hohe volle Verdichtung bei geringsten Starterdrehzahlen in Verbindung mit dem Diesel- Verbrennungsverfahren kann nur mit einer 2:1-Kinematik nach Oldham-Franchot mit gleitenden Dichtleisten erzielt werden. Diese Kinematik hat bereits bei einem Verhältnis von Dichtleisten Radius „R" zu Exzenterradius „e" von nur R/e = 5 bereits ein hohes theoretisches Verdichtungsverhältnis von ε = 75 im Gegensatz zum klassischen 3:2-Wankel, der bei einem größeren Verhältnis R/e = 7 erst ein Verdichtungsverhältnis von ε = 17,7 aufweist, bei Verwendung als Kompressor also einen großen „schädlichen Raum" besitzt. Den verschiedenen Breiten von Kompressor und Expander der 2:1-Maschine von Buchelt in Verbindung mit sonst gleichen Querschnitten zum Zweck der Rücksichtnahme auf verschiedene spezifische Volumina der Gase in Kompressor und Expander entsprechen bei Kovacs nicht nur gleichfalls verschiedene Breiten sondern auch verschiedene Querschnitte von Kompressor und Expander laut den 1, 2 und 5 der FR 2 777 943 A1 und außerdem noch verschiedene variable Drehzahlverhältnisse, erzielt durch komplizierte Differential- Planetengetriebe laut Prinzipskizze 5 von Kovacs zum Zweck der Anpassung an den Volumenstrom des Verbrennungsgases bei Teillast und Überlast.
Die schlechte Eignung der 3:2-Kinematik für in getrennten Maschinen erfolgende Kompression und Expansion versinnbildlichen wohl unfreiwillig die beiden folgenden Patente, die in Zielsetzung und Konstruktionsmittel sehr viel anders zur vorliegenden Anmeldung liegen:
US 5,410,998 (Erfinder: Marius A. PAUL und Ana PAUL USA 1993) gehört nicht zur Kategorie „Verbundmotoren" definiert im Oberbegriff des vorliegenden Anspruches 1. Die US 5,410,998 besitzt eine kontinuierliche äußere Gleichdruck- Verbrennung mit einer Brennkammer wie eine Gasturbine und weist zu diesem Zweck zwei 3:2-Wankel-Aggregate für getrennte Verdichtung und Expansion mit den oben unter „ FR 2 777 943 A1 (Kovacs-FR) geschilderten Nachteilen auf, wobei die Konzeptskizze 20 des Patentes von Paul eine funktionsunfähige Maschine darstellt, was leicht zu erkennen ist, wenn man sich die beiden Wankel- Rotoren aus der gezeichneten Totpunktlage der 20 der US 5,410,998 weiter gedreht vorstellt, weil sich dann hohe Druck der gerade höchstverdichtenden Kammer, ohne Arbeit zu leisten, direkt in den Auspuff verabschieden kann.
Der Anspruch 1 von M. und A. Paul befaßt sich mit dem Geeignetmachen des für bloße Kompression und bloße Expansion in getrennten Aggregaten wenig geeigneten 3:2-Wankel-Konzeptes mit konstruktiv fragwürdigen Mitteln.
WO 86/03558 (Erfinder: Bryan J. DAVIES, Geoffrey Ph. DANES, Australien 1985):
Die in dieser Anmeldung gezeigte Maschine ist keine klassische Verbundmaschine der Fachgebietskategorie, zu welcher die vorliegende Anmeldung zuzuordnen ist, und die aus einem Hochdruckteil und einem Niederdruckteil besteht, die mittels Getriebe verbunden sind, um die Vorteile „niedriger Kraftstoffverbrauch" einerseits und „ niedriges Leistungsgewicht" anderseits vereinen zu können, was bei Davies nicht zutrifft.
Die Maschine von Davies ist ein üblicher Wankelmotor mit Polkreisverhältnis 3:2, während Buchelt nachweist, daß bei einer Verbundmaschine die Niederdruckmaschine idealerweise eine 2:1-Kreiskolbenmaschine sein soll, mit laut vorliegender Anmeldung zu dieser Maschine verschieden breiten Gehäusen für Kompression und Expansion.
Das einzige besondere Merkmal am gewöhnlichen bekannten Wankelmotor der WO 861 035 58 von Davies ist die separierte Brennkammer, deren Volumen Davies von jenem der üblichen Brennraummulde bei 3:2-Wankelmotoren abziehen müßte, wenn er eine angestrebte Verdichtung einhalten will, ein Faktum, auf das er mit keinem Wort in seiner WO 86/035 58 eingeht, ebenso wenig auf die bei seiner Konstruktion zu erwartenden sehr hohen Strömungsverluste in den Bypasskanälen.
Die Ansprüche von Davies befassen sich mit der extern außerhalb der Trochoide angeordneten Brennkammer, während in der Konstruktion von Buchelt die Verbrennung in der Hochdruck- Hubkolbenmaschine durch direkte Dieseleinspritzung erfolgt.
Zielsetzung, Konstruktion und Ansprüche der WO 86/035 58 sind zur vorliegenden Anmeldung verschieden.
DE 100 26 458 A1 (Erfinder Hermann GOLLE, Deutschland, 2000) offenbart einen Gegenkolbenmotor, der jedoch nicht mit einer 2:1-Kreiskolbenmaschine vom Typ Oldham-Franchot kombiniert ist. Auch die Kreuzkopfgestaltung ist sehr unterschiedlich zum Anmeldungsgegenstand.
DE 198 27 250 A1 (Erfinder Herbert KERN; Deutschland, 1998) fällt betreffend 14 in die Kategorie „Turbocompound- Motoren",

– das sind Kombinationen v. Gasturbinen und Kolbenmotoren- welche dem Anmeldungsgegenstand fernliegen. Der Grund hierfür ist die nicht zusammen passende Drehmomentkennlinie von Strömungsmaschine einerseits und Kolbenmotor anderseits.

DE 198 12 800 A1 (Erfinder Zochev Donkov, Deutschland 1998) betrifft einen Gegenkolbenmotor, aber keinen Verbundmotor wie die vorliegende Anmeldung. Die schematisch angedeutete Strömungsmaschine in 1 ist ein Abgasturbolader, der nicht über Zahnräder mit der Kurbelwelle verbunden ist. Der Abgasturbolader hat ein ungünstiges Betriebsverhalten und erreicht gegenüber der 2:1-Kreiskolbenmaschine des Anmeldungsgegenstandes nur einen geringen Ladedruck.
DE 30 00 145 A1 (Erfinder Hermann Kempter, Deutschland 1980):
Hier wird zwar zur Erzielung hoher Ladedrücke eine Kreiskolbenmaschine eingesetzt, aber mit Polkreisverhältnis 3:2-System Wankel mit dreieckigem Kolben und Zweiblatt-Trochoide -, wobei der gleiche Kolben mittels vier Öffnungen im Trochoidengehäuse sowohl von Abgasen angetrieben wird als auch als Verdichter dient. Wegen des großen schädlichen Raumes und wegen der räumlichen Verbindung von Frischladung und Abgas schon innerhalb des Wankelladers kommt es zu einer Vermischung von Ladeluft und Abgas, bevor die Ladeluft die Hubkolbenzylinder erreicht. Diese nachteilbehaftete Anordnung ist zum Anmeldegegenstand unterschiedlich.
DE 27 25 486 A1 (Erfinder: Ernst Kickbusch, Deutschland, 1977):
Diese Druckschrift zeigt als Lader und Expander für eine Hubkolbenmaschine eine 2:1-Kreiskolbenmaschine vom Typ Oldham-Franchot und beinhaltet auch eine mehr als doppelt größere Breite des Expanders verglichen mit der Breite des Kompressors. Nicht überein stimmen nachfolgende konstruktive Merkmale des 2:1-Aggregats: Wesentlich ist die Kombination des bekannten Motors mit einem hydraulischen Drehmomentwandler nach Föttinger in der üblichen Verbindung mit Zahnradgetriebe.
Konstruktive Unterschiede des Anmeldungsgegenstands zu der Entgegenhaltung sind:

1. Das bekannte 2:1-Aggregat ist zur Abgabe großer Leistungen und Drehmomente im Verbund ungeeignet, was laut Beschreibung auch gar nicht beabsichtigt ist, da das gesamte Drehmoment mittels dünnem Wellenende durch das kleine feststehende Führungszahnrad für das doppelt so große innenverzahnte Kolbenzahnrad hindurch geführt wird, und durch seine Bohrung nur dünne Wellen durchzuführen erlaubt. Im Gegensatz zur bekannten dünnen Abtriebswelle ermöglicht der zentrale dicke Lagerzapfen der vorliegenden Anmeldung mit den beidseitigen Nadellagern L1 (10) die Übernahme von bis zur halben Leistung des Verbundaggregates, während bei der bekannten Triebwerkseinheit mittlere Lager vollständig fehlen und das gesamte 2:1-Aggregat nur zwischen zwei wegen des kleinen Führungszahnrades kinematisch bedingten dünnen äußeren äußeren Lagern mit ungünstig großem Lagerabstand hängt.
2. Diese kinematisch bedingt dünnen äußeren Lagerzapfen an den beiden äußeren Enden des 2:1-Aggregates sind bei dem Anmeldungsgegenstand im Gegensatz zum Stand der Technik zweifach gelagert und nähern sich dadurch dem Festigkeitsfall eines in einer Wand eingespannten Trägerendes, zu sehen als Lager L2 und L3 in 10.
3. Die Ein- und Auslässe von Kompressor und Expander befinden sich in den Seitenwänden des Gehäuses 1 der bekannten Triebwerkseinheit. Dadurch wird die Strömung von Luft und Gas zwischen dem 2:1-Aggregat und der Hubkolbenmaschine periodisch unterbrochen und ungünstige Longitudinalschwingungen in den Verbindungskanälen angeregt, die den Motor im oberen Drehzahlbereich drosseln. Bei dem Anmeldungsgegenstand sind hingegen Ein- und Auslaßkanäle am Umfang der 2:1-Trochoide angeordnet, was ununterbrochen stetiges Einströmen Ausströmen beim Kompressor C und Expander Exp ermöglicht, wodurch derart konstruierte Kreiskolbenmaschinen turbinenähnlich in höchste Drehzahlbereiche vorstoßen.

DE 27 23 153 A1 (Erfinder Otto Schlapp, Deutschland 1977):
Hier wird an den beiden Kurbelenden einer Hubkolbenmaschine auf einer Seite ein Drehkolben- Kompressor für die Vorverdichtung und auf der anderen Seite ein Drehkolben- Expander für die Nachexpansion angeordnet. Die Drehkolbenmaschine hat mit der 2:1-Kreiskolbenmaschine nach Oldham-Franchot praktisch nichts gemeinsam und ist wegen fehlender Seitendichtungen und wegen der radialen Schwingungen des Dichtleistenschiebers für hohe Drehzahlen ungeeignet und bei hohen Lade- und Expansionsdrücken großer Reibung in den Führungen und Verkantungsgefahr ausgesetzt. Kompressor- und Expanderkolben sind gleich breit.
WO 97/41338 A1 (Anmelder VOLVO, Erfinder Jan Arnell, Schweden SE 1996):
Dieses Veröffentlichung befaßt sich mit Details der Leistungsübertragung zwischen Arbeits- Gasturbine und Kurbelwelle einer Kolbenmaschine. Es sind keine Kreiskolbenmaschinen zur Verbesserung der Drehmoment-Kennlinie im unteren Drehzahlbereich wie beim Anmeldungsgegenstand vorgesehen.
US 2,585,968 (Erfinder Heinrich Schneider, Anmelder: Schneider Brothers Company, Hamilton in Ohio, USA 1944)
Auch dieses Patent befaßt sich mit der Kombination von Gasturbinen und Kolbenmotoren. Die ungünstig parabolisch mit der Drehzahl ansteigende Drehmoment-Funktion einer Einwellenturbine soll mittels eines hydraulischen Drehmomentwandlers in einen günstigeren fallenden Verlauf verwandelt werden. Es wird im Vergleich zum Anmeldungsgegenstand nur eine geringe Aufladung erzielt.
Das Konzept der Erfindung:
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leistungsfähigen, robusten Verbundmotor zu schaffen, der insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Verbundmotor gelöst, der die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Mit dieser konstruktiven Lösung wird ein Verbundmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 realisiert, mit dem eine Vereinigung von geringem spezifischem Kraftstoffverbrauch um 130 g/kWh, geringem Leistungsgewicht um 1kg/kW, kleinen Abmessungen, hohen Drehzahlen günstigem Drehmomentverhalten bei Wechsellasten und problemloses Startverhalten erreicht werden kann.
3 zeigt als vorteilhafte Auswirkung eine Kennlinie einer Kolbenmaschine (HKM) kombiniert mit einer 2:1-Kreiskolbenmaschine als fast parallel nach oben verschobene Kennlinie HKM + 2:1-KKM bezogen auf den vergleichbaren Saugmotor SM, mit dem hohen Drehmoment zum Beschleunigen im unteren Drehzahlbereich. Zugleich signalisiert 3 die deutlich größeren erzielbaren Ladedrücke von HKM + 2:1-KKM als bei der Kombination HKM + GT (Gasturbine).
Rein sachlich läßt sich das 2:1-Konzept deuten als die Erweiterung der bekannten Wankel- Reihe nach ganz unten mit dem Polkreisverhältnis
mit n als ganze Zahl, wobei das Verhältnis
(Oldham-Franchot) länger bekannt war.
Das Betriebsverhalten der Kombination HKM + KKM ist bei der vorliegenden Anmeldung wie bei einem Saugmotor, das heißt die Maschine startet leicht, reagiert elastisch auf Belastungswechsel und „hängt" am Gaspedal. Sie wäre daher für Fahrzeuge mit wechselnder Belastung, wie Geländefahrzeuge, Schnellboote und für Schienentriebwagen geeignet.
4 zeigt eine Kombination einer Kreiskolbenmaschine mit dem Polkreisverhältnis von 2:1 (Verhältnis von abrollendem Polkreis gegenüber feststehendem Polkreis) kurz mit 2:1-KKM bezeichnet, die über ein Getriebe mit einer beliebigen Hubkolbenmaschine HKM gekoppelt ist, vorzugsweise mit einer Zweitaktmaschine (2T) mit Gleichstromspülung, mit vorauseilenden Auslaßzeiten, und wie 4 schematisch zeigt, mit gleichmäßig kühlenden Einlaßkanälen E im Zylinderkopf und Drall- Auslaßkanälen A mit Sammelspirale am unteren Ende des Zylinders. Es existiert dazu analog wie zu den 8 bis 12 ein durchkonstruierter Entwurf.
Mit der 2:1-KKM ist die Aufgabe des Vorverdichtens und des Nachexpandierens auf verschiedene Rotoren in der Weise aufgeteilt, daß wie bei einer Gasturbine eines klassischen Compound- Motors eine Expansion bis auf fast dem Druck der Umgebung möglich wird, dieser Wirkungsgradvorteil der Gasturbine also beibehalten wird.
Dies wird bei dem gattungsgemäßen Verbundmotor dadurch erzielt, daß die Rotorbreiten in einem Verhältnis bE zu bC (4 und 10) so stehen, daß dieses Verhältnis gleich oder kleiner dem Verhältnis der spezifischen Volumina v3L zu v2L (7) ist, wobei eine Abweichung von diesem Verhältnis nach unten von bis zum 0,5-fachen dieses theoretischen Verhältnisses erfolgen kann. Diese Abweichung nach unten berücksichtigt die geringe Arbeitsfläche K (schwarz gekennzeichnet in 7), wegen der ein unnötig breiter Kolben vermieden wird.
Zum Verständnis des gattungsgemäßen Verbundmotors folgt noch eine Begründung der Auswahl für die 2:1 Kreiskolbenmaschine im Vergleich zu anderen Kolbenmaschinen:
Ein Kolbenaggregat muß für den Niederdruckteil des Kreisprozesses nach 7 für gute Wirkungsgrade eine stetige innere Verdichtung aufweisen. Daher scheiden Drehkolbenaggregate aus. Ein Hubkolbenaggregat scheidet angesichts der großen spezifischen Volumina im Niederdruckteil wegen zu großer Abmessungen aus. Die Wankel-Reihe ist zwar wesentlich kleiner und leichter als Hubkolbenmaschinen gleicher Leistung und weist nur rotierende Massenkräfte allein auf, so wie den Vorteil von stetigem Strömen in den Ansaug- und Auslaßkanälen. Anderseits hat aber die Wankel-Reihe Polkreisverhältnis mit 3:1 beginnt und mit 4:3, 5:4 usw. fortsetzt, als Kompressoranwendung trotz Entfall der Brennraummulde bei übliche Verhältnissen von R/e (= Dichtleistenradius zu Exzenterradius) ein zu geringes Verdichtungsverhältnis, und daher einen unnötig großen schädlichen Raum. Der übliche 3:2-Wankel weist bei R/e = 7 ein Verdichtungsverhältnis ohne Brennraummulde von etwa ε = 17 auf, was für den Betrieb als Kompressor ungünstig klein ist. Bei Vergrößerung von R/e, was eine Abhilfe wäre, wird die Maschine bei gleichbleibendem Kammervolumen undiskutabel groß.
Daher wurde eine 2:1-KKM nach Oldham-Franchot aus der Zeit vor Wankel ausgewählt, die bei einem Verhältnis von R/e = 5 bereits ein theoretisches Verdichtungsverhältnis von etwa ε = 74 aufweist, so daß der schädliche Raum beim Kompressorbetrieb und beim Expanderbetrieb gering ist.
Zu Anspruch 1 (kennzeichnender Teil):
Zur Durchführung einer Konstruktion eines nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeten Verbundmotors sind mindestens zwei Rotoren notwendig. Die Mehrfach- Rotorenausführung von 2:1-KKM gilt wegen des kleinen Durchmessers des feststehenden Führungszahnrades, das die Durchführung einer ausreichend dicken Exzenterwelle verhindert, normalerweise als nicht möglich, wenn man die gleichen Baukonzepte mit der wiederholt axial versetzten Rotoreinheit anwenden will, wie bei den relativ zahlreichen ausgeführten 3:2-Wankelmotoren.
Für den Fall von zwei Rotoreinheiten gibt es die Lösung nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1: Es wurden die beiden Rotoren auf der gemeinsamen Exzenterwelle EXZ so angeordnet, daß die Führungsverzahnungen auf den nach den äußeren Enden zugewandten Seiten der Kolben liegen. Innen, zwischen den Rotoren 2:1-C und 2:1-EXP ist dann ein massiver Lagerbock L mit großen Lagern L1 möglich, in den auch dickere Verbindungsstücke einer in Längsrichtung möglicherweise geteilten Exzenterwelle münden können, wie dies 10 am Beispiel eines durchkonstruierten Motors zeigt.
Vom zentralen Lagerbock aus wird das Drehmoment der 2:1-KKM, das immerhin gleich groß sein kann, wie das der HKM, mittels Zahnradtrieb Z auf den gemeinsamen Leistungsausgang P übertragen, sichtbar in den 5, 9 und 10.
Diese Art der Realisierung einer Übertragung großer Drehmomente aus einer 2:1-Kreiskolbenmaschine mit zwei Rotoren heraus beinhaltet Anspruch 1.
Zu Anspruch 2:
Während der zentrale Lagerbock L mit den beiden Lagern L1 (Nadellager in 10) bei sehr geringen Ladedrücken die beiden Kreiskolben links und rechts fliegend tragen könnte, ist bei Ausschöpfung des Ladedruckpotentials bis 11 bar eine äußere Abstützung der beiden Kolben notwendig. Die äußeren Führungszapfen können, bedingt durch das kleine feststehende Führungszahnrad (feste Polkurve) nur relativ dünn sein, weil sie, wie 10 zeigt, durch das kleine Führungszahnrad hindurch führen müssen. Um trotzdem biegesteife äußere Lagerzapfen zu erzielen, sind diese doppelt in den Lagern L2 und L3 (10) gelagert, den Festigkeitsfall „Trägerende in Wand eingespannt" annähernd.
Die Verbundmaschine als ideale erfindungsgemäße Anwendung für 2:1-Kreiskolbenmaschinen:
Die Anwendung der 2:1-KKM als Niederdruck- Aggregat in einem Verbundmotor ist thermisch und verschleißmäßig gesehen wesentlich problemloser als jede bisher stattgefundene Anwendung eines 3:2-Wankels als Ottomotor. Festigkeitsmäßig gesehen ist jedoch das erfindungsgemäße Merkmal der Ansprüche 1 und 2 notwendig für eine brauchbare Anwendung der 2:1-Maschine als Niederdruckmaschine mit zwei Rotoren in einem Verbundmotor: Die 8 bis 12 zeigen am Beispiel eines 1200 kW Motors eine durchkonstruierte höchste Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Konzeptes.
Die Thermodynamik wurde nach einem Programm, das die stetige Veränderung der thermodynamischen Stoffwerte mit der Temperatur berücksichtigt, für verschiedene Ladedruckverhältnisse p2L/p1L berechnet. Der Ladedruck p2L = 11 bar der Konstruktion nach den 8 bis 12 ergab eine Übertritts-Gastemperatur von der HKM zur KKM von etwa 1500°C, das ist etwa 60% der Verbrennungstemperatur eines Ottomotors und es ergab sich auch der Übertrittsdruck von p2L = 11 bar, der zugleich der höchste in der KKM vorkommende Druck ist und fällt damit auch wesentlich geringer aus als der Zünddruck von etwa 50 bar eines Ottomotors. Es sind also trotz Einsatz der Kreiskolbenmaschine in einem Diesel- Gesamtkonzept mit 28-facher Verdichtung keine Wankel-typischen Dichtleistenprobleme zu erwarten.
Die für die Verbrennung ungünstige Form des minimalen Volumens Vmin. jeder KKM der Wankelreihe als deren untersten Ausläufer man auch das Oldham-Konzept auffassen kann, spielt bei dieser Anwendung im Verbundmotor keine Rolle, da die Verbrennung in der Hubkolbenmaschine stattfindet und dort wegen der geringen Teilverdichtung etwas über nur 5 der HKM in sogar in einem besonders günstig geformten kugelähnlichen Brennraum vor sich geht.
Es gibt keinen einstufigen Strömungsmaschinen- Radiallader, der 11 bar Ladedruck erreicht. Für die Drehzahlregelung kombiniert mit Masseflußregelung müßten bei Turboladern und Gasturbinen alle Leit- und Laufschaufeln von Kompressor und Turbine verstellbar sein, das heißt, es müssen vielstufige Axialmaschinen angewandt werden, da Radialmaschinen besonders bei hohen Druckverhältnissen sehr schlecht regelbar sind, um den gleichen Wirkungsgradbereich zu besitzen, wie ihn die betreffend M, n-Kennlinie die zur HKM passende 2:1-KKM-Maschine auf natürliche Art ohne Regelungsmaßnahmen aufweisen kann.
Zu Anspruch 3:
Durch die bei diesem Verbundmotorkonzept HKM + 2:1-KKM erzielbaren außerordentlich hohen Ladedrücke steigt das Druckniveau der Hubkolbenmaschine gleichfalls hoch an. Es werden daher die Winkelausschläge der Pleuelstangen hohe Kolbenreibung verursachen. Daher wurde das Kreuzkopfkonzept der Schiffsmaschinen erfindungsgemäß raumsparend in Zylinder und Kolben integriert.
Der Zylinder dient im unteren Teil als Kreuzkopflaufbahn, während der untere Teil des Kolbens 19 in 11 und 12 als Kreuzkopf dient. Die restliche Ergänzung 20 auf die Kolbenlänge K in 11 stellt den Leistungsteil dar und im Falle des gezeichneten 2T-Diesel ist der Leistungsteil der typisch hohe Steuerteil des Kolbens. Dieser Steuerteil besitzt zwei Hohlräume 21, die durch den Stützkegel für den Kolbenboden entstehen. Die Herstellung des Kolbens im Falle des gezeigten Beispieles erfolgt durch eine Kombination von Titanium- und Stahl-Feingußteilen die durch Elektronenstrahlschweißung miteinander verbunden werden. Die Hohlräume 21 werden durch kleine Verschlußstopfen teilweise mit Natriumpulver gefüllt, das im Betrieb flüssig wird und infolge der hin- und hergehenden Schüttel-Bewegung den internen Wärmetransport im Kolben zu den unteren Kreuzkopfregionen bewirkt. Dieses von der Ventiltechnik her bekannte Konstruktionsmittel ermöglicht eine dünnwandige Leichtbaustruktur des Kolbens.
Der Kreuzkopf wird durch Spritzöl gekühlt und durch aus dem hohlen Pleuel austretendes Öl.
Auswirkung eines 2:1-KKM-Aggregates innerhalb einer Verbundmaschine auf die Konstruktion der dazu passenden Hubkolbenmaschine:
Der in dem gezeigten Beispiel einer 1200 kW Zweitakt-Dieselmaschine besitzt nur eine einzige Zylinderröhre mit zwei Kolben im Gegensatz zu den 12 Zylindern mit 48 Ventilen der vergleichbaren 1100 kW- Panzermotoren.
Dies kommt daher, daß die Ladedrücke eines erfindungsgemäßen KKM-Aggregates Mit rund 11 bar sehr hoch sind, dadurch also die HKM klein wird und außerdem die KKM etwa die halbe Leistung erzeugt, so daß wenige Zylinder bei der HKM ausreichen, um die andere Hälfte der Leistung zu erbringen. Die Beibehaltung der üblichen Vielzylinderkonzepte wäre teuer und technisch sinnlos wegen der sich ergebenden kleinen Schnapsglasgröße der Zylinder bei 11 bar Ladedruck
Außerdem stellt bekanntlich geringe Zylinderzahl für ein gegebenes Gesamt-Hubvolumen eines der Mittel zur Verringerung des Verbrauches dar, wegen der geringeren wärmeabgebenden Oberfläche und wegen der geringeren Kolbenreibungsfläche.
Anderseits ist hohe Zylinderzahl bei gegebenem Gesamthubvolumen ein bekanntes Mittel zur Senkung des Leistungsgewichtes, wie die Flugmotoren der vierziger Jahre beweisen. Wenn nun hier ein 1200 kW- Motor mit nur zwei äquivalenten Zylindern in einer Röhre trotzdem ein niedriges Leistungsgewicht aufweist, dann ist das kein Widerspruch zur bekannten Ähnlichkeitsmechanik, da diese nur innerhalb einer Kategorie ähnlicher Motoren gilt und nicht zwischen unähnlichen verschiedenen Motorkonzepten.
Zu Anspruch 4:
Gemäß Anspruchs 4 ist ein Bereich des günstigen Nachlaufwinkels der Exzenterwelle gegenüber der in der 8 den Auslaß A steuernden linken Kurbelwelle der Gegenkolbenmaschine für den Fall definiert, daß die Kreiskolbenmaschine mit einer 1-Röhren-Gegenkolbenmaschine kombiniert wird.
Die Ausführung einer Gegenkolbenmaschine mit nur einer Röhre nach Prinzip von Junkers in Verbindung mit dem 2:1-Kreiskolbenaggregat als Leistung beitragende Niederdruckmaschine hat besondere Bedeutung: Das vorentwurfsmäßig durchkonstruierte Beispiel, dargestellt in den Schnittzeichnungen der 5, 8, 9 und 10 hat bei gleichem Umrißquadervolumen wie der komplexe Panzermotor MB 880 des „Leopard" von Daimler Benz (ein 12- Zylinder V-Motor mit 48 Ventilen) 1200 kW Leistung, gegenüber den 1100 kW des MB 880.
Die Drehmomentgleichmäßigkeit des Einröhrenzweitakters ist dank der Versetzung der Kurbelwellen (primär aus Gründen der Erzielung vorauseilender Auslaßzeiten) und dank des phasenverschobenen Leistungsanteiles des 2:1-Aggregates sogar gleichmäßiger als bei einem herkömmlichen Vierzylinder-4T-Reihenmotor. Daher stammt die Bedeutung dieser strukturmäßig relativ einfachen Konfiguration.
Bei Kombination mit herkömmlichen Mehrzylindermotoren spielt die direkte Abstimmung von Aus- und Einlaßzeiten zwischen 2:1-Kreiskolbenaggregat und Hubkolbenmaschine eine untergeordnete Bedeutung, da das Volumen Verbindungsleitungen eine Pufferfunktion übernimmt und zum Start geregelt mit Druckluft aufgefüllt werden muß (4).
Figurenübersicht
1 zeigt schematisch den historisch besetzten Begriff „Verbundmotor" oder „Compound-Motor" als über Schaltgetriebe SG erfolgende Kombination Hubkolbenmotor HKM und Gasturbine GT.
2 zeigt das dazugehörige schematische pv-Diagramm zum Verständnis des kombinierten Kreisprozesses.
3 zeigt schematisch das Verhalten von Drehmoment über der Drehzahl eines Vergleichs- Saugmotors SM, einer Kombination von HKM und GT und schließlich einer Kombination von HKM und erfindungsgemäßer 2:1-Kreiskolbenmaschine, kurz mit HKM + 2:1-KKM bezeichnet.
4 symbolisiert die Kombinationsmöglichkeit der erfindungsgemäßen 2:1-KKM mit einer beliebigen Hubkolbenmaschine, vorzugsweise jedoch mit einem 2T-Motor mit Gleichstromspülung von E nach A und mit dem Erfindungsmerkmal, daß die Breite des Nachexpander- Rotors bE größer ist als die Breite bC des Vorkompressor- Rotors.
5 zeigt eine schematische Phantom- Perspektive des in den weiteren 8, 9, 10, 11, 12, gezeigten durchkonstruierten Motors für 1200 kW Gesamtleistung. Hervorgehoben sind die erfindungsgemäßen Verschiedenheiten der Breiten bE und bC von Kompressorrotor 2:1-C und Expanderrotor 2:1-E, die in der Kreiskolbenmaschine KKM auf einer gemeinsamen Exzenterwelle EXZ sitzen und über Zahnräder Z mit den beiden Kurbelwellen KW1 und KW2 einer Zweitakt-Gegenkolbenmaschine nach Konzept Junkers verbunden sind. Sichtbar sind der Auslaßkolben AK und der Leistungsabtrieb P.
6 zeigt schematisch die Regelung und einen möglichen typischen Weg von Luft und Verbrennungsgas innerhalb einer erfindungsgemäßen Maschine, hier am Beispiel der Kombination mit einem Gegenkolbenmotor. Der Weg der Luft beginnt mit dem Luftfilter F den Rückschlagventilen VE1 (das man auch weglassen könnte) und VE2 vor und nach dem Kompressorrotor 2:1-C, führt dann zum Motor mit den Einlaßschlitzen E und den Auslaßschlitzen A, die zeitlich gestaffelt durch die Einlaßkolben EK und Auslaßkolben AK gesteuert werden und eine Gleichstromspülung dadurch bewirken, daß die Kurbelwellen KW1 und KW2 unter geringem Verzicht auf einen perfekten Massenausgleich 1. und 2. Ordnung von der spiegelbildlichen Anordnung mit Stellung in den oberen Totpunkten im Sinne der eingetragenen Drehrichtungen um +Δα für den zeitlich voreilenden Auslaßkolben AK und um –Δα für den nacheilenden Einlaßkolben EK abweichen. Ein deutlich sichtbarer Überströmkanal mit dem mittels Membran gesteuerten Regelventil VE3 regelt den Luftmassefluß vom Kompressor zum Motor während der Kraftstoffmassefluß in bekannter Weise durch die in 10 sichtbare Pumpdüse EP für etwa 1800 b Einspritzdruck geregelt wird. Ein drehbares Drosselventil VE4, auch in 8 sichtbar, dient beim Startvorgang der Auffüllung des Leitungsvolumens der Verbindungsleitungen zwischen Kreiskolbenmaschine und Hubkolbenmaschine mit Druckluft. Zum gleichen Zweck kann auch das Ventil VE5 beim Startvorgang herangezogen werden, das aus einem Druckspeicher Druckluft in die Verbindungskanäle zur Unterstützung des Startvorganges einfließen läßt. Die Abgase gehen nach dem 2:1-Expander in den Auspuff und in diverse Schalldämpfer.
7 zeigt das idealisierte pv-Diagramm eines erfindungsgemäßen Verbundmotors, das mit Berücksichtigung der stetigen Temperaturabhängigkeit der thermodynamischen Stoffwerte in eine genauere Berechnung des theoretischen Wirkungsgrades η theor. umgesetzt wurde, wobei in erster Linie der Ladedruck p2L von 5 bar bis 18 bar variiert wurde. Die gewählten konstanten Vorgaben für den in den 8 bis 12 gezeigten durchkonstruierten Motor waren:
Relativer Luftüberschuß λ = 1,5, Zündhöchstdruck p3 = 155 bar, effektive Gesamterdichtung mit Berücksichtigung der Schlitzhöhen der HKM ε_eff = 28 = v1L/v2 und der Zustand im Punkt 1 L am Beginn der Verdichtung.
Dabei ergab sich eine schwache, annähernd linear verlaufende Wirkungsgradzunahme in Richtung höherer Ladedrücke, die bei einem idealen Gas mit konstanten Werten für cp, cv und kappa auf Grund der Hyperbeleigenschaften von Isentropen und Isothermen konstant verlaufen würde. Bei etwa 12 bar Ladedruck durch den Kreiskolbenkompressor teilt sich die Nutzleistung zu etwa gleichen Teilen auf die Kreiskolbenmaschine und auf die Hochdruck-Hubkolbenmaschine auf.
Das ideale pv-Diagramm eines vergleichbaren Saugmotors mit gleicher Gesamtverdichtung und gleichem Zündhöchstdruck zeigen die Zustandspunkte 1L, 2L, 2, 3, 3', 4 und 4S. Im Vergleich zu diesem Saugmotor geht beim Verbundmotor die Drosselfläche DV verloren.
Dafür gewinnt man 1.) die Fläche der vollständigen Expansion von 4S weiter auf fast den Umgebungsdruck p1L, und 2.) eine Rückgewinnungsfläche RG als Folge der Drosselung DR, so daß der Wirkungsgradvergleich mit Einbeziehung von Gütegrad η_G für Strömungs- und Wärmeverluste und mit Einbeziehung des mechanischen Wirkungsgrades η_M so aussieht:
Vergleichs- Saugmotor

η_theor. = 0,71- berechnet mit Temperatur-veränderlichen Stoffwerten, η_G = 0,856- Annahme, η_M = 0,95- Annahme

Erfindungsgemäßer Verbundmotor:

η_theor. = 0,79 berechnet mit Temperatur-veränderlichen Stoffwerten, η_G = 0,886- Annahme, η_M = 0,95- Annahme

Der hohe Gütegrad η_G für den Verbundmotor erklärt sich mit der Kleinheit der wärmeabgebenden Oberflächen der hoch aufgeladenen Hubkolbenmaschine mit der geringen Vergleichs- Zylinderzahl von 2 des Einröhren- Gegenkolbenmotors.
Für 1200 kW vergleichbare Panzermotoren haben 12 Zylinder mit viel Kolbenreibfläche und viel Wärme abgebender Fläche und 48 Verlust erzeugende Ventile, deren Strömungs- Machzahlen Drehzahlerhöhungen vorzeitig begrenzen.
Ferner kann man bei einem erfindungsgemäßen Verbundmotor mit Ausführung nach 8 bis 12, ausgestattet mit Gleichstromspülung, rotationssymmetrischen Einlaßschlitzen und Auslaßschlitzen mit Drallkanälen, Verteil- und Sammelspiralen im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren von einer sehr guten aerodynamischen Führung sprechen.
Bei einer mittleren Kolbengeschwindigkeit von 23 m/s beträgt die Einlaßmachzahl 0,93 und die Umfangsgeschwindigkeit des annähernden Festkörperwirbels im Zylinder beim Ladungswechsel 20 m/s, was mittels kunstvollen Dralleinlaßkanälen für Ventile noch nie erreicht wurde.
Der hohe mechanische Wirkungsgrad η_M in der Größe der Werte für Schiffs- Größtmotoren erklärt sich durch das Vorhandensein von Kreuzköpfen in beiden Vergleichsmotoren.
Mit der Annahme eines Ausbrenngrades von annähernd „1" ergeben sich folgenden Gesamtwirkungsgrade:
Vergleichs- Saugmotor:

η_ges = 0,6

Erfindungsgemäßer Verbundmotor:

η_ges = 0,67, was einem spezifischen Verbrauch von 125 gr/kWh entspricht und die höchste Erwartung darstellt.

Zum Vergleich der Leistungsgewichte:
Der Vergleichs- Saugmotor ist wegen der großen Verdichtung im gleichen Zylinder und wegen des großen Hub/Bohrung – Verhältnisses zur Vermeidung einer ungünstig scheibenförmiger Brennraumform bei hoher Verdichtung ein großer, schwerer Langsamläufer, während der Verbundmotor aus zwei schnell laufenden Aggregaten mit kleinen Abmessungen besteht, also nicht nur sparsamer sondern auch kleiner und leichter ist.
8 zeigt ebenso wie die 9 bis 12 den für 1200 kW durchkonstruierten Vorentwurf eines erfindungsgemäßen Kreiskolben-Aggregates kombiniert mit einem Gegenkolbenmotor. 8 stellt den in 10 definierten Schnitt S1-S1 dar. Zu dieser Figur passende Aussagen wurden bereits unter 6 und 7 gemacht.
Der Zylinderdurchmesser beträgt 90 mm.
Der Winkelversatz von Kompressorkolben 2:1-C und Expanderkolben 2:1-EXP beträgt 45° in Abstimmung mit dem Versatz der Kurbeln des Hubkolbenmotors von gleichfalls 45°, was gemäß den kinematischen Gesetzen für 2:1-Maschinen einen Versatz der Exzenterzapfen von 90° ergibt. 8 zeigt einen Nacheilwinkel der Exzenterwelle gegenüber der den Auslaß steuernden linken Kurbelwelle des Gegenkolbenmotors von 100°, wobei der Drehwinkel im Drehsinn von OT der Hubkolbenmaschine, bzw. OT der Kreiskolbenmaschine definiert ist.
In 10 sind jedoch die laut 8 um 90° versetzten Exzenterzapfen zur besseren Sichtbarmachung der Struktur der geteilten Exzenterwelle EXZ um 180° versetzt gezeichnet, wodurch auch die Ausgleichsgewichte an den äußeren Enden in die Zeichenebene fallen, die in Wirklichkeit räumlich versetzt sind.
9 zeigt den in 8 markierten Schnitt S3-S3 durch den Gegenkolbenmotor HKM des 1200 kW- Beispiels wobei in diesem Fall die Lei stungsaufteilung zwischen HKM und KKM bei 11 bar Ladedruck zufällig gleich ist, das heißt je 600 kW ausmacht. Die Kurbelwellen KW 1 und KW2 sind mit ihren Hauptlagerzapfen zur Erhöhung der Biegefestigkeit bei hohen Drehzahlen beidseitig vom Pleuel je zweifach gelagert. Der Leistungsabtrieb liegt bei P. Freie Wellenenden werden zum Antrieb der gleichfalls durchkonstruierten Hilfsmaschinen herangezogen, der Kühlwasserpumpe 10, des Generators 11 und der Treibstoffzubringerpumpe 12, der Hochdruckölpumpe 14 und der Absaugölpumpe 15, die über eine Getriebe 13 angetrieben werden. Der für hohe Startermomente aufkommende Starter steht über ein Getriebe 17 und Freilauf 16 in Verbindung mit der Kurbelwelle KW1.
10 zeigt den in 8 markierten Schnitt S2-S2, der den Längsschnitt durch die Kreiskolbenmaschine 2:1-KKM beinhaltet so wie den Querschnitt durch die Hubkolbenmaschine HKM mit Einspritz-Pumpdüse EP und das Zahnradgetriebe Z, welches die beiden Kurbelwellen und die Exzenterwelle Exz verbindet.
Man erkennt die nach außen gedrehten Führungsverzahnungen FZ der der beiden Kreiskolbenrotoren, damit im Zentrum ein genügend starrer Lagerbock L mit relativ dicken Einmündungen der beiden Teile der aus Montagegründen geteilten Exzenterwelle Exz möglich wird.
Man erkennt auch die dem größeren spezifischen Volumen der heißen Motorabgase entsprechend größere Breite bE des Expanderrotors 2:1-EXP im Vergleich zu geringen Breite bC des Kompressorrotors 2:1-C. Man beachte auch, daß die durch den kleinen Teilkreis des im Gehäuse feststehenden Führungszahnrades der 2:1-Maschinen dünn ausfallenden Endzapfen der Exzenterwelle zur Erhöhung der Starrheit zweifach gelagert sind, wodurch am Übergang zum jeweiligen Exzenterzapfen eher eine Starrheit fördernde Schubspannung und weniger Biegespannung auftritt.
Nur auf diese im Anspruch 2 festgelegte erfindungsgemäße Art ist es möglich, aus einer Zweirotoren-2:1-KKM ein hohes Drehmoment heraus zu übertragen.
11 und 12 zeigen die in Beschreibung und Anspruch 3 ausführlich festgelegte Idee den unteren Teil 19 der Kolbenlänge K in einen Kreuzkopf zu verwandeln, der über Druckölkanäle 29 und Schmiertaschen 23 und über die Öldichtringe 22, 24 und 27 verfügt und dessen Ölschwemme durch die Entlastungsnut 25 und durch den Ölabstreifer 26 und 27 vom Leistungs- und Steuerteil 20 des Kolbens weitgehend ferngehalten wird, wobei die Höhe des Teiles 20 bei einem 4-Takt-Kolben im Gegensatz zum gezeichneten 2-Takt-Kolben geringer ausfallen wird. Die Hohlräume 21 werden in Anlehnung an die von Ventilen her bekannte Kühltechnik
durch in der Zeichnung nicht sichtbare kleine Verschlußstopfen teilweise mit Natrium gefüllt, das im Betrieb flüssig wird und durch die Schüttelbewegung des Kolbens Wärme vom Kolbenboden weg in den Bereich des Kreuzkopfes transportiert, der wiederum durch Öl, das aus dem hohlen Pleuel austritt, gekühlt wird. Ölabflußschlitze 31 stellen den Ölabfluß aus der Entlastungsnut 25 sicher, während der Hohlraum 32 mit unter Überdruck stehendem Kühlwasser erfüllt ist, das durch die hohlen Stege – sichtbar im Zylinderschnitt der 10 – in den Mantel um den Zylindermittelteil gelangt. Insgesamt ergibt sich ein von gewohnten Proportionen stark abweichender Kolben.

Claims

Verbundmotor bestehend aus einer Hubkolbenmaschine, in welcher der Hochdruck- Hochtemperaturteil des thermodynamischen Kreislaufes stattfindet und einer aus zwei Gehäuseeinheiten mit je einem Rotor bestehenden Kreiskolbenmaschine System Oldham Franchot mit Polkreisverhältnis 2:1 für den Niederdruckteil des Kreisprozesses, wobei eine Einheit mit der Breite (bC) als Ladekompressor für die Hubkolbenmaschine dient und die zweite bei gleichem Querschnitt von Kolben und Gehäusekontur mit der 1,3 bis 3,5 mal so großen Breite (bE) als Expander für die Nachexpansion des aus der Hubkolbenmaschine austretenden Gases dient, und beide Rotoren der Kreiskolbeneinheiten auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und diese gemeinsame Exzenterwelle über ein Getriebe mit der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist, so daß auch die Kreiskolbenmaschine einen wesentlichen Teil der gesamten Nutzleistung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß Führungszahnräder (FZ) des Kreiskolbenaggregats mit ihrem kinematisch bedingten Teilkreisverhältnis 2:1 spiegelbildlich an den zu den äußeren axialen Enden zugewandten Seitenflächen der Kammern der Maschine angeordnet sind, während innen, das heißt zwischen den beiden Rotoren (2:1-C) und (2:1-EXP) sich ein Lagerbock (L) mit Zahnrad-Leistungsabtrieb (Z) zum Hubkolben-Verbrennungsmotor befindet, wodurch kein Drehmoment durch die beim 2:1-Konzept sehr kleinen, stillstehenden und mit der Seitenwand fest verbunden Führungszahnräder (FZ) hindurch führenden Wellenteile der Exzenterwelle übertragen werden muß, obwohl die beiden Rotoren auf einer gemeinsamen Exzenterwelle arbeiten.
Verbundmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß äußere Wellenenden der Exzenterwelle jeweils zweifach gelagert sind (L2, L3).
Verbundmotor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hubkolben des mit dem Kreiskolbenaggregat über Getriebe gekoppelten Hubkolben-Verbrennungsmotors für ein infolge der hohen Ladedrücke des Kreiskolbenaggregats bis 18 bar und einem Spitzendruck-Niveau bis 190 bar mit einem die sonst durch die hohen Gasdrücke hervorgerufenen Kolbenreibungsverluste mindernden Kreuzkopf ausgelegt ist, und zwar derart, daß dieser Kreuzkopf im verlängerten Kolben und im entsprechend verlängerten Zylinder integriert ist, derart, daß in die gesamte Kolbenlänge (K) ein Fortsetzungs-Kolbenteil mit gleichem Nenndurchmesser den verlängerten Motorzylinder als Führung benützenden Kreuzkopfteil (19) darstellt, dem Schmier-Drucköl (29) über in den Kreuzkopfteil eingearbeitete Schmiertaschen (23) zugeführt wird, und daß dieses aus der Kreuzkopf-Gleitfläche austretende Schmieröl in der Öldruck-Entlastungsnut (25) über Abstreifer (26, 27) und über Abflußschlitze (31) wieder abgeführt wird, wodurch das Schmieröl des Kreuzkopfteiles vom Leistungs- und Steuerteil (20) des Kolbens weitgehend ferngehalten wird.
Verbundmotor nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiskolbenmaschine mit einem 1-Röhren-Gegenkolbenmotor kombiniert ist, daß der Nachlaufwinkel der Exzenterwelle gegenüber der die Auslaßschlitze (A) steuernden Kurbelwelle des Gegenkolbenmotors um ca. 100° (8) in der gleichen Drehrichtung nacheilt und daß Ein- und Auslässe am Umfang der Gehäuseeinheiten angeordnet sind.