DE3635615A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit Einlaßkammerteil, Kompressionskammerteil, Verbrennungskammerteil und Auslaßkam­ merteil, die zwischen einem Rotationskolben, einem Rotations­ zylinder und einer starren Kammerschale ausgebildet sind.

Die im folgenden beschriebene Erfindung läßt sich in die gän­ gigen Motorarten nicht einordnen. Sie hat noch am ehesten mit einem sogenannten Kreiskolbenmotor etwas zu tun.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim sogenann­ ten Wankelmotor noch erforderliche Antischwungeinrichtung zu beseitigen und im übrigen einen besseren Wirkungsgrad bei besserer Lösung der Dichtungsprobleme als beim Wankelmotor zu erreichen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß überraschend da­ durch, daß bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genann­ ten Art der Rotationskolben als Welle mit Kreisringquerschnitt ausgebildet ist und im Kerngehäuse Schalen für sternförmig radial angeordnete federbeaufschlagte Stufenkolben aufweist.

Vorzugsweise sind vier solcher Stufenkolben vorgesehen.

Zweckmäßig sind die Schaufelkolben selbst innen gerippt, be­ stehen aus drei Teilen, wobei der mittlere Kolben auf beiden Seiten gerippt ist. Diese Kolbenteile verlaufen also parallel, auch in den vorspringenden bzw. eingebuchteten Teilen und können sich gegeneinander verschieben.

Der Motorblock besteht also aus drei Teilen, nämlich dem Ro­ tationszylinder, der gleichzeitig als Antriebswelle, Pleuel­ stange und Kurbelwelle dient;
Dann den Kammerschalen, die auch (allerdings nicht im folgen­ den) als Zylinderköpfe zu bezeichnen wären. Die Kammerschalen sind spiegelbildlich angeordnet. Auf die beim Kreiskolbenmo­ tor der Wankelbauart noch notwendige Antischwungeinrichtung kann also mit Erfolg verzichtet werden. Die Schaufelkolben der oben erwähnten Art übernehmen die Aufgabe üblicher Kolben.

Der Motor arbeitet nach dem bekannten Viertaktprinzip. Er kann als 2, 3 und 4 "zylindriger" Motor gebaut werden, natür­ lich auch als Kombination oder Vielfaches hiervon, d.h. als 6, 8, 9 oder 10-Zylinder (beim Wankelmotor ist die Beschrän­ kung auf 3zylindrige bzw. Multifikationsfaktor 3 die Begren­ zung).

Die Leistung des Motors nach der Erfindung ist hoch, bei gleichzeitig hoher Drehzahl und hohem Drehmoment; die Lebens­ dauer ist lang, da keinerlei hin- und hergehende Teile (wie beim Hubkolbenmotor noch erforderlich) vorhanden sind.

Ein besonderes Anwendungsgebiet wegen des geringen Gewichts und Volumens ist die Flugzeugindustrie. Aufgrund der eigenar­ tigen Konstruktion ist eine Kühlung des Motors auch mit Luft möglich.

Vorzugsweise sind die einzelnen Schaufelkolben gegeneinander selbständig beweglich und tragen an ihrer Spitze kreiskopfar­ tige Abrundungen im Querschnitt.

Völlig ungewöhnlich bei Motoren dieser Art ist ein Durchlaß­ kanal zwischen Kompressionskammerteil und Verbrennungskammer­ teil.

Das Volumen des Kompressionskammerteils zu dem des Verbren­ nungskammerteils kann etwa 10 : 1 betragen.

Zweckmäßig ist der Durchlaßkanal an seinem verbrennungskam­ merseitigen Ende durch ein Rückschlagventil, das gleichzeitig als Einlaßventil dient, verschlossen.

Das Gehäuse für die verschiedenen Kammern besteht aus in der Mittelebene geteilten zwei Teilen: im Bereich der Trennebene ist dieser zunächst komplementär zum Rotationskolbenumfang ausgebildet (also rein zylinderartig) und an den von der Mit­ telebene am weitesten entfernten Bereichen sind die Kammer­ teile ellipsenförmig ausgebildet. Das heißt, an die zylindri­ sche Schale (Kugelteil) ist ein (innen) elliptisch ausgebil­ deter Kammerteil angesetzt, und dies spiegelbildlich auf bei­ den Seiten.

Die Kammern können aus Gußeisen bestehen, wobei die elliptisch geformten Teile innen geschliffen und hart verchromt sein können.

Es ist aber auch möglich, daß die gußeiserne Schale innen mit einer zweiten angepaßten Schale aus Chromvanadium versehen wird.

Die Kolben sind - zumindest für die Anfangsphase des Betriebs - federbeaufschlagt. Die Federn stützen sich an einer mitti­ gen Kreuzabstützung ab.

Die von den Halbschalen gebildete Kammer weist die Form eines senkrecht zur Längsachse an beiden Enden senkrecht abge­ schnittenen Ellipsoids auf.

Der Rotationszylinder, beispielsweise aus Gußeisen, mit bei­ spielsweise geschliffener Obermantelfläche, die hart ver­ chromt ist, geht der Länge nach durch bzw. liegt in den bei­ den durch Schrauben verbunden Kammerschalen. Er ist mit der Antriebswelle starr verbunden und beherbergt in Längsrichtung im Kern die Gehäuseschalen für Feder und Schaufelkolben, die kreuzweise aus den vorgesehenen Schlitzen aus dem Rotations­ zylinder herausragen oder in den Gehäuseschalen wie eine Zieharmonika gleiten. Hinsichtlich der aus mehreren Teilen bestehenden Schaufelkolben können diese gegeneinander ver­ stellt werden. Die Feder ist nur für die Überwindung des An­ fangswiderstands der Kolben notwendig; im Betrieb werden die Schaufelkolben durch Zentrifugalkraft zur Kammerschaleninnen­ fläche, und zwar senkrecht zu dieser, gepreßt bzw. je nach Stellung des Kolbens in den Rotationszylinderkern hineinge­ schoben.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine arbeitet wie folgt: Bewegt sich der Rotationszylinder im Uhrzeigersinn, so werden die Schaufeln gegen die Kammerschalen senkrecht gepreßt und aus dem Vergaserkanal kommende, mit Brennstoff vermischte Luft wird in die Einlaßkammer hineingesaugt. Der Vorgang dauert so lange, bis die nächsten Schaufelkolben diesen Kanal verschlossen haben. Das hierdurch angesaugte Brennstoffluft­ gemisch wird in der Kompressionskammer verdichtet und durch den Durchlaßkanal in die Verbrennungskammer hineingepreßt. In diesem Augenblick wird der Durchlaßkanal durch die Rück­ schlagklappe verschlossen. Jetzt kann die Zündkerze in an sich bekannter Weise das komprimierte Brennstoff-Luft-Gemisch zünden. Der Erfolg ist folgender: Die Schaufelkolben werden in Richtung der Auslaßkammer getrieben bzw. geschleudert. Die nachfolgenden Schaufelkolben schieben dann die Abgase über den Auspuffkanal in den Auspuff. Dieser Vorgang wiederholt sich jetzt ständig gemäß dem Viertaktprinzip.

Natürlich ist es auch möglich, in der Kompressionskammer le­ diglich Luft zu komprimieren und dann in die Verbrennungskam­ mer in an sich bekannter Weise Brennstoff einzuspritzen.

In der Achsrichtung, in der die beiden Schalenteile durch Schrauben miteinander verbunden sind, läuft der Rotationszy­ linder wie ein echter Zylinder in den Kammerschalen, so daß in diesen Bereichen eine absolute Kompressionsdichtigkeit hervorgerufen wird.

Die Kompressionskammer hat dabei fast das zehnfache Volumen wie die Brennkammer. Interessantere Dichtungsausbildungen sind natürlich möglich. Alle bisher bei Kreiskolbenmotoren eingesetzten Materialien können als Dichtungsmaterialien Ver­ wendung finden.

Betrachtet man einen Schnitt durch die Mittelebene der Brenn­ kraftmaschine, so geht der Kreisbogen der Schalen, der im Be­ reich der Mittelebene vorhanden ist, in eine (aufgesetzte) Ellipse oder Parabel über. Die obere Kammerhälfte ist re­ symmetrisch zur unteren Kammerhälfte.

Wenn oben von der Form eines abgeschnittenen Ellipsoids der Kammer in Längsrichtung gesprochen wurde, so hat der Kolben (bis auf die Kammerfreiräume an seinen Enden) komplementäre Gestalt hierzu, also ebenfalls praktisch die Form eines senk­ recht zur Achse abgeschnittenen Ellipsoids.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 eine Stirnansicht des neuartigen Motors;

Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Ebene B-B in Fig. 2 er­ kennen läßt;

Fig. 4 ein Längsschnitt durch Fig. 2 zeigt;

Fig. 5 einen Schaufelkolben in der Ansicht;

Fig. 6 einen Schaufelkolben im Querschnitt;

Fig. 7 einen Schaufelkolben im stillen Schnitt; und

Fig. 8 ein Detail zu Fig. 5 zeigt.

Der neuartige und an sich mit keinem der bisherigen Motoren vergleichbare Motor 10 hat bestenfalls gewisse Ähnlichkeiten mit dem sog. Wankelmotor. Längs einer Ebene ist der Motor geteilt und umfaßt obere und untere Halbschalen 12 und 14, vorzugsweise aus gußeisernem Material. Mittig ist ein soge­ nannter Rotationszylinder 32 fest verbunden mit der Antriebs­ welle 18 gelagert. Auspuff 20 und Vergaser 22 sind nur sche­ matisch angedeutet. Hinter dem Gehäuse des Motors sitzt auf der Antriebswelle 18 die Schwungscheibe 24.

In den folgenden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Be­ zugszeichen bezeichnet.

In der Seitenansicht der Fig. 2 erkennt man, daß die Halb­ schalen 30 im Bereich der Trennmittelebene 18 durch Schraubbefestigungen 26 gehalten sind und der Motor ruht auf schematisch angedeuteten Füßen 28.

Eine wesentlich bessere Vorstellung vermittelt bereits Fig. 3, wo man erkennt, wie in den Halbschalen 12 und 14, jeweils mit Wasserkühlung spiegelbildlich ausgebildete Kammerscha­ len 30 vorgesehen sind. Innerhalb der Kammerschalen dreht ein rotationssymmetrischer sogenannter Rotationszylinder 32, der im Querschnitt Ringform aufweist. In Radialschlitzen 34 im Rotationszylinder 32 sind kreuzweise Schlitze, im Ganzen also vier Schlitze 34′, 34′′, 34′′′, 34′′′′ eingebracht, in denen noch genau zu beschreibende Kolben 36 gegen Vorspannung von Federn 38 sitzen. Die Kolben sind innerhalb der Schlitze in Dichtungen 40 jeweils geführt. Vergaser und Auspuff sind nur angedeutet, genauso wie die Wasserzirkulation oder die durch­ gehenden Wasserbohrungen 42 zwischen den beiden Halbschalen. Die Kolben werden weiter unten noch genauer beschrieben. Im Inneren der Schalen schließt sich an einen Schalenteil 80 mit Kugelschalengestalt ein parabelförmiger oder elliptischer Kammerteil 44 an. Wichtig ist, daß die Kammer innen ein Ellip­ soid ist bzw. im Querschnitt parabelförmig ist und quasi die Kugelschalenrundung verlängert oder sich an dieser anschließt. Durch die Kolben in Zuordnung zu dem Rotationszylinder werden gebildet: Eine Einlaßkammer 46, eine Kompressionskammer 48, eine Verbrennungskammer 50 und eine Auslaßkammer 52.

Betrachtet man die Kammern 46; 48 einerseits, die Kammern 50; 52 andererseits, die spiegelbildlich bezüglich der Längsmit­ telebene angeordnet sind, so sieht man (bei fehlenden Kolben würde es sich ja lediglich um zwei Kammern handeln), daß in der oberen Kammer der Kolben 36 die Einlaßkammer 46 von der Kompressionskammer 48, in der in der Zeichnung unteren Kammer der gegenüberstehende Kolben die Verbrennungskammer 50 von der Auslaßkammer 52 trennt. Die kreuzweise in Schlitzen ge­ führten Kolben drehen sich aufgrund der Drehrichtung des Ro­ tationszylinders 32 in Uhrzeigerrichtung; sie sind radial nach außen beweglich.

Ersichtlich nehmen im Uhrzeigersinn die Einlaßkammern, be­ ginnend von der Schnittstelle von Kugelschale und Ellipse bzw. Parabel aufgrund der Kolbenbewegung in dem Ausmaß zu, wie das Volumen der Kompressionskammer 48 aufgrund der Kol­ benbewegung abnimmt.

Das gleiche gilt für das Größerwerden des Volumens der Ver­ brennungskammer 50 bei abnehmendem Volumen der Auslaßkammer 52.

Die Kolben sind, wie erwähnt, federbeaufschlagt. In der Fig. 3 sind die Federn 38 im ausgefahrenen Zustand, die senkrecht hierzu liegenden Federn 38 im völlig zusammengedrückten Zu­ stand gezeigt. Sorgfältig sind die Schlitzführungen sowie die Dichtungen für die Schaufelkolben ausgebildet.

Kompressionskammer 48 und Verbrennungskammer 50 sind über ei­ nen Durchlaßkanal 54 verbunden, an dessen Ende ein nicht dar­ gestelltes Rückschlag- und Einlaßventil 56 vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch den Rotationszylinder mit Schaufelkolben 36. Man erkennt, daß im Inneren des Zylin­ ders 32 die Antriebswelle 18 gelagert ist und im Schaufelkol­ ben 36 in Verlängerung der Welle 18 sich die Federn 38 gegen eine Kreuzlangwelle 58 abstützen, wobei einmal die Federn in der Ansicht, einmal (die um 90° versetzt angeordnete) in der Ansicht gezeigt sind. Der Kolben 36 ist als Ganzes, also nicht gegliedert, dargestellt. Einzelheiten zeigen die folgen­ den Figuren: Der Rotationszylinder trägt umlaufende Abdich­ tungen 60, im dargestellten Beispiel 3 Abdichtungen, die bei­ spielsweise als Segerringe in Nuten liegen können. Die Ab­ dichtung erfolgt gegen die feststehende Kammerschale 30. Wei­ tere umlaufende, der Parabel folgende Dichtungen 62 sind an den Enden zwischen Schaufelkolbenteil und Drehwellenteil vor­ gesehen.

Die Kolbenringe 60 können auch als segmentartige Kolbenringe ausgebildet sein.

Anstelle der Federn und der Kreuzabstützung kann auch eine andere Konstruktion, nämlich eine hilfsgesteuerte Öldruckan­ ordnung vorgesehen sein. Die hierzu notwendige Fremdenergie ist minimal, da die Federn (und damit der Öldruck) lediglich zum Anlaufen erforderlich sind. Aufgrund der Zentrifugalkraft werden im Betrieb die Kolben, ohne daß Federkraft oder sonsti­ ge Fremdkraft erforderlich wäre, nach außen gedrückt.

Der in der letzten Figur nur schematisch angedeutete Schau­ felkolben ist genauer in Fig. 5 erkenntlich, wobei jede der Schaufeln aus drei Kolben (siehe Fig. 3) aufgebaut ist. Über die Längserstreckung (Längsschnitt des Rotationszylinders) besteht der Schaufelkolben aus einer Reihe von Elementen, die unterschiedlich lang sind und sich der Bogengestalt bzw. Ge­ wölbegestalt, die auch elliptisch sein kann, der Halbschalen­ innenwandung 30 anpassen. Segmentartig sind die einzelnen Teile des Schaufelkolbens 58 zusammengesetzt und folgen an ihrem oberen Rand der Kontur der Kammerschale.

Der obere Teil der Kanten der Schaufeln kann auch elliptisch geformt sein. Wie die Oberkanten der Schaufeln selbst ausge­ bildet sind, zeigt Fig. 7. Fig. 7 zeigt im Schnitt, wie der Kopf der Schaufelkolben (zwei äußere Schaufelkolben 64, ein mittlerer Schaufelkolben 66) oben im Querschnitt hammer­ kopfartig ausgebildet sind. Diese Hammerkopf- oder Kugelkopf­ form 68 trägt dazu bei, daß diese Kante sich bei Drehung des Rotationszylinders gegen die Innenfläche der Kammerschalen 30 richtig anpaßt, wobei ja die Schaufeln selbst aus Chrom­ vanadium bestehen. Wichtig ist die abgerundete Gestalt des Kugel- oder Hammerkopfes.

Fig. 6 läßt erkennen, daß die beiden äußeren Kolben nach in­ nen Rippen 72 tragen, wobei die Rippen in Längsrichtung ver­ teilt sind und von oben nach unten bzw. im Einbauzustand von innen nach außen verlaufen. Dementsprechend komplementär ist der mittlere Kolben auf beiden Seiten gerippt (Rippen 70 z.B.). Während ihrer Bewegung verstellen sich durch Gleiten gegen­ einander die drei Kolben gegeneinander. Die Abdichtung und die Anpassung an die nicht-runde Kammerwandung in ihrem elliptischen Teil ist dadurch gewährleistet. Die Verzahnung der einzelnen Kolben untereinander macht Fig. 6 deutlich; die Schmierung erfolgt von außen (nicht dargestellt). Fig. 5 kann auch als Schnitt durch die Mitte der Fig. 6 angesehen werden.

Fig. 8 zeigt ein Detail zu Fig. 5. Man erkennt wie der Kolben 36 bei 72 über eine den Hammerkopf 68 übergreifende Dichtung 62 gegen die Kammerschale abgedichtet ist. Die Befestigung des Rotationszylinders am Federgehäuse ist bei 76 ersichtlich. Rundfedern 78 verstärken den Dichtungseffekt. Die gleiche Dichtung ist an der abgelegenen Seite des Schaufel­ kolbens vorgesehen.

Die Abdichtung der verschiedenen Kammern besteht also aus drei Teilen, nämlich segmentartigen Kolbenringen 60 (an den beiden Enden des Rotationszylinders). Diese sind so angeord­ net, daß sie durch Fliehkraft gegen die Kammerschale 30 ge­ drückt werden. Sie sind quer zur Rotationszylinderlängs­ achse in Nuten angeordnet und mit der Längsabdichtung 40 verzahnt. Die stabförmigen Dichtungen sind entlang den Kolbenschlitzen so angeordnet, daß sie durch Fliehkraft gegen die Schale 30 gedrückt werden. Die für die seitliche Abdichtung vorgesehenen Rundfedern 78 werden gegen den Kolben 36 gepreßt. Das komprimierte Fluid kann nicht entweichen, wegen des Einpassens in die im Kolben­ gehäuse 34 hierfür vorgesehene Nut.

Um den seitlichen Druck in Längsrichtung des Schaufelkolbens aufzunehmen, ist die bewegliche segmentartige Kolbenklammer 62 vorgesehen. Sie sitzt einerseits auf dem Kolbenrandkopf in einer dafür vorgesehenen Nut und ist so eingepaßt, daß sie einerseits mit dem Schaufelkolben eine Art Halterung bildet, andererseits durch einen Bolzen 74 in eine hierfür vor­ gesehene Nut in der Dichtung 40 gelenkartig verankert ist, so daß bei hubartiger Bewegung der Kolben diese Dichtung auf dem Kolbenrand mitgezogen wird; sie ist dauernd durch diese Bewegung an die Kammerschale beaufschlagt. Ein Ent­ weichen des komprimierten Fluids an dieser Stelle wird also unmöglich gemacht.

Claims (15)

1. Brennkraftmaschine mit einem Einlaßkammerteil, Kompressions­ kammerteil, Verbrennungskammerteil und Auslaßkammerteil, die je zwischen einem Rotationskolben, einem Rotationszylinder und einer starren Kammer­ schale ausgebildet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotationszylinder als Welle mit Kreisring­ querschnitt (32) ausgebildet ist und im Kern Gehäuseschalen bzw. ausgekleidete Schlitze (34′,..., 34′′′′) für sternförmig angeordnete federbeaufschlagte radiale Schaufelkolben (36) aufweist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelkolben selbst aus drei Teilen (64; 66; 64) bestehen, von denen die äußeren (64) in Längsrichtung gesehen Innenrippen (72; 68) tragen, wobei der dritte mittlere Kolben (66) auf beiden Seiten gerippt ist (70).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die drei Teile des Kolbens auf ihren sich gegen­ überstehenden Flächen im Schnitt senkrecht zur Kolbenach­ se gesehen mauerzackenartig ineinandergreifend und inei­ nandergleitend geführt sind.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaufelkolben gegeneinan­ der selbständig beweglich sind und an der Spitze im Quer­ schnitt Köpfe (68) kreisartigen Querschnitts haben.

5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kompressionskammer­ teil (48) und Verbrennungskammerteil (50) ein Durchlaß­ kanal (54) vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen von Kompressionskammerteil (48) zu dem des Verbrennungskammerteils (50) in etwa 10 : 1 beträgt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchlaßkanal (54) an seinem verbren­ nungskammerseitigen Ende durch ein Einlaß- und Rückschlagventil (56) verschließbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse für die verschie­ denen Kammern (48; 50; 52; 46) aus zwei in der Mittelan­ triebsebene geteilten Kammerteilen (30; 30) besteht, im Bereich der Trennebenen zunächst komplementär zum Rota­ tionskolbenumfang ausgebildet ist (80; 80) und in den von der Mittelebene am weitesten entfernten Bereichen ellip­ senförmig (46; 48 bzw. 50-52) ausgebildet ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kammern spiegelbildlich angeordnet sind.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen der Kammern aus Gußeisen bestehen, wobei der elliptisch geformte Teil innen geschliffen und hart verchromt ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gußeisernen Schalen innen mit einer zweiten angepassten Schale aus Chromvanadium versehen sind.

12. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Obermantelfläche des Ro­ tationszylinders geschliffen und hartverchromt ist.

13. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationszylinder als An­ triebswelle, Pleuelstange und Kurbelwelle dient.

14. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Rotationszylin­ ders eine Kreuzabstützung (58) für die Federn (38) vorge­ sehen ist.

15. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Halbschalen gebil­ dete Kammer die Form eines zur Längsachse an beiden Seiten senkrecht abgeschnittenen Ellipsoids aufweist.