DE3905383A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Kompressor zum Verdichten von Luft, einer an die Druckseite des Kompressors angeschlossenen Brennkammer, in der einge­ leiteter bzw. eingespritzter Kraftstoff mit der vom Kompressor gelieferten verdichteten Luft verbrennt, sowie einem an den Ausgang der Brennkammer angeschlossenen, mit dem Kompressor sowie einem Abtrieb des Motors antriebsverbundenen Expansions­ triebwerk, in welchem sich die Verbrennungsgase unter Leistung mechanischer Arbeit entspannen.

Ein derartiger Verbrennungsmotor wurde bisher als Gasturbine ausgebildet, wobei das als Turbine ausgebildete Expansionstriebwerk und die rotierenden Laderschaufeln des Kompressors auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.

Der Vorzug einer Gasturbine liegt darin, daß der Kraftstoff in der Brennkammer praktisch kontinuierlich bei nahezu gleichbleibendem Druck und gleichbleibender Temperatur und dementsprechend bei optimalen Bedingungen abgebrannt werden kann. Dies hat zur Folge, daß auch bei einem Betrieb mit Dieselöl oder ähnlichen Kraftstoffen im Abgas kaum brennbare Bestandteile, wie Ruß oder Rest-Kohlenwasserstoffe, enthalten sind. Nachteilig an einer Gasturbine ist jedoch der relativ hohe Preis, weil insbesondere die Turbinenschaufeln sowie die Laderschaufeln mit höchster Präzision hergestellt werden müssen, um den hohen Drehzahlen sowie den hohen Temperaturen beim Betrieb einer Gasturbine standhalten zu können.

Aus diesem Grunde werden Gasturbinen außer im Flugzeugbau im wesentlichen nur in Kraftwerken zur Erzeugung elektrischer Energie für den Spitzenbedarf eingesetzt.

Als relativ preiswerte Verbrennungsmotoren stehen im wesent­ lichen nur Kolbentriebwerke zur Verfügung, beispielsweise herkömmliche Dieselmotoren. Hier läuft der Verbrennungsprozeß jedoch intermittierend im Zylinder bei sehr kurzen Verbrennungs­ zeiten ab, wobei Verbrennungstemperatur und -druck unter Umständen stark wechseln.

Dies hat zur Folge, daß unerwünschte Emissionen von Ruß und Rest-Kohlenwasserstoffen in Kauf genomnen werden müssen.

Aufgrund aktueller Schätzungen kann davon ausgegangen werden, daß derzeit die Dieselmotoren von Lastkraftwagen etwa 50 bis 60% der Luftverschmutzungen im Verkehrsbereich erzeugen. Eine Verbesserung der Abgasemissionswerte der Motoren von Lastkraftwagen würde also zu einer erheblichen Verbesserung bei der Luftreinhaltung führen.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, welcher sich einerseits durch einfache und kost­ günstige Konstruktion auszeichnet und andererseits auch bei wechselnder Belastung eine Verbrennung des Kraftstoffes unter annähernd optimalen Bedingungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verbrennungsmotor der eingangs angegebenen Art Kompressor und Expansionstriebwerk als Kolben-Zylinder-Aggregat ausge­ bildet sind.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, daß der Arbeitsprozeß einer Gasturbine grundsätzlich auch mit Kolben­ aggregaten durchgeführt werden kann, indem die Brennkammer mittels eines Kolben-Zylinder-Aggregates mit verdichteter Luft beliefert wird und die in der Brennkammer erzeugten Heiß- bzw. Verbrennungsgase in einem Kolbentriebwerk unter Erzeugung mechanischer Arbeit expandieren können.

Kolbenaggregate sind vergleichsweise preiswert und können mit heutigen Werkstoffen auch sehr hohen Temperaturen stand­ halten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungs­ gemäße Verbrennungsmotor als Schwingkolbenmotor ausgebildet. Dabei kann jeder Kolben des Expansionstriebwerkes mit einem zugeordneten Kolben des Kompressors mittels einer gemeinsamen Kolbenstange verbunden sein, welche gleichzeitig als Abtriebs­ glied des Motors angeordnet sein kann.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß Kompressor und Expansionstriebwerk schlitz­ gesteuert sind, indem am dem jeweiligen Kolben zugeordneten Zylinder innerhalb einer vom Kolben in allen Hubstellungen axial überdeckten Radialebene in Umfangsrichtung nebeneinander ein Einlaß- sowie ein Auslaßschlitz und am Kolbenumfang ein zum jeweiligen Kolbenarbeitsraun offener und am anderen Ende geschlossener Axialschlitz angeordnet sind, welcher durch Drehung des Kolbens um die Kolbenstangenachse zur Überlappung mit den Eingangs- bzw. Ausgangsschlitzen bringbar ist, derart, daß der Axialschlitz während des Einlaßhubes den Einlaßschlitz und während des Ausstoßhubes den Auslaßschlitz überschneidet.

Hier nutzt die Erfindung die Erkenntnis, daß die Kolben eines Schwingkolbenmotors ohne weiteres drehbar angeordnet werden können, derart, daß bei entsprechenden Drehstellungen des Kolbens ein durch den Axialschlitz des Kolbens und den Einlaßschlitz des Zylinders gebildeter Einlaßweg bzw. ein durch den Axialschlitz des Kolbens und den Auslaßschlitz des jeweiligen Zylinders gebildeter Auslaßweg hergestellt und der jeweilige Kolbenarbeitsraum abgeschlossen werden können, indem der Kolben in eine Lage gedreht wird, in der sich der Axialschlitz des Kolbens längs eines völlig geschlossenen Wandteiles des jeweiligen Zylinders erstreckt.

Zweckmäßigerweise sind für das Expansionstriebwerk und den Kompressor jeweils doppeltwirkende Kolben angeordnet, wobei jeweils der dem einen Kolbenarbeitsraum zugeordnete Axial­ schlitz um 180° gegenüber dem dem anderen Kolbenarbeitsraum zugeordneten Axialschlitz versetzt ist.

Die Kolben können von einem zugeordneten Drehantrieb mit gleichbleibendem Drehsinn verstellt werden, wobei die Kolben zwischen den beiden Totpunkten ihrer Hubbewegung jeweils um 180° drehen.

Als Drehantrieb ist ein elektrischer Schrittmotor besonders geeignet, welcher einen auf der Kolbenstange drehfest ange­ ordneten Rotor sowie mehrere axial nebeneinander angeordnete Statorelemente besitzt, die relativ zueinander in Umfangs­ richtung versetzte Magnetfelder zu erzeugen gestatten und dementsprechend den Rotor und damit die Kolbenstange und die daran angeordneten Kolben schrittweise drehen, wenn der Rotor zusamnen mit dem Kolben eine axiale Hubbewegung ausführt.

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor eignet sich besonders gut zur Erzeugung elektrischer Energie, wenn ein Schwinganker- Generator verwendet wird, wobei sich ein außerordentlich einfacher Aufbau erzielen läßt, wenn der Schwinganker auf der Kolbenstange angeordnete scheibenförmige, insbesondere kreisscheibenförmige, Pole besitzt, die mit seitlich neben der Kolbenstange angeordneten Statorelementen zusammenwirken.

Die bevorzugt vorgesehene Ausbildung des Verbrennungsmotors als Schwingkolbenmotor trägt ebenso wie die oben beschrie­ bene Ausbildung des Drehantriebes und des Elektrogenerators dazu bei, daß die Kolben bei ihren Hubbewegungen keinen bzw. allenfalls nur äußerst geringen Querkräften ausgesetzt sind. Aus diesem Grunde eignet sich der erfindungsgemäße Motor besonders gut für einen Aufbau aus keramischem Material. Damit wird der Vorteil erzielt, daß sehr hohe Brenntemperaturen zugelassen und dementsprechend besonders gute Wirkungsgrade erreicht werden können; gleichzeitig kann auf eine Schmierung verzichtet werden.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung vorteil­ hafter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung verwiesen.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Axialschnitt des erfindungs­ gemäßen Verbrennungsmotors mit Elektrogenerator, Drehantrieb und Hubbegrenzung,

Fig. 2 die Arbeitsweise des Expansionstriebwerkes,

Fig. 3 die Arbeitsweise des Kompressors,

Fig. 4 eine Ansicht des Elektrogenerators in Richtung der Kolbenachse und

Fig. 5 einen Radialschnitt des Expansionstriebwerkes mit Füllgradsteuerung.

Gemäß Fig. 1 besitzt der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor zwei doppeltwirkende Kolben-Zylinder-Aggregate 1 und 2, deren Kolben 3 und 4 auf einer gemeinsamen Kolbenstange 5 angeordnet sind. Das Kolben-Zylinder-Aggregat 1 arbeitet als Kompressor, welcher verdichtete Luft einer separaten Brenn­ kamner 6 zuführt, in der über eine Einspritzleitung 7 zuge­ führter Kraftstoff, beispielsweise Dieselöl, kontinuierlich verbrannt wird. Das Kolben-Zylinder-Aggregat 2 arbeitet als Expansionstriebwerk, welches von dem aus der Brennkammer 6 austretenden Heiß- bzw. Verbrennungsgasen durchsetzt wird, wobei sich die Heiß- bzw. Verbrennungsgase unter Leistung mechanischer Arbeit entspannen. Dabei wird die Hubarbeit des Kolbens 4 über die Kolbenstange 5 auf den Kolben 3 sowie den des weiteren auf der Kolbenstange 5 angeordneten Schwinganker 8 eines Elektrogenerators 9 übertragen.

Eine Besonderheit der Kolben-Zylinder-Aggregate 1 und 2 liegt darin, daß dieselben schlitzgesteuert sind, wobei die Schlitz­ steuerung durch eine um die Achse der Kolbenstange 5 drehbare Anordnung der Kolben 3 und 4 ermöglicht wird und die Kolben 3 und 4 mittels eines elektrischen Schrittmotors 10, dessen Rotor drehfest auf der Kolbenstange 5 angeordnet ist, kontinuierlich gedreht werden, und zwar derart, daß die Kolben 3 und 4 zwischen den Totpunkten ihrer Hubbewegung jeweils eine Drehung von 180° ausführen.

Zunächst wird die Wirkungsweise des Kolben-Zylinder-Aggregates 2, welches als Expansionstriebwerk arbeitet, anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Dabei zeigt die Fig. 2 einen Radialschnitt des Kolben-Zylinder-Aggregates 2 entsprechend der Schnittebene II-II in Fig. 1, wobei jeweils verschiedene Drehstellungen des Kolbens 4 dargestellt und die jeweils zugeordneten Hublagen desselben angegeben sind.

Der Zylinder des Kolben-Zylinder-Aggregates 2 besitzt innerhalb eines vom Kolben 4 axial ständig überlappten Bereiches einen in Umfangsrichtung erstreckten Einlaßschlitz 11, welcher mit dem Ausgang der Brennkammer 6 verbunden ist, sowie einen in gleicher Ebene wie der Einlaßschlitz 11 angeordneten Auslaßschlitz 12. Am Kolben 4 sind einander diametral gegenüber zwei Axialschlitze 13′ und 13′′ am Kolben­ umfang angeordnet, wobei der Axialschlitz 13′ zu der in Fig. 1 linken Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylinder- Aggregates 2 offen und zur anderen Kolbenarbeitskamner abgeschlossen ist, während sich der Axialschlitz 13′′ zur in Fig. 1 rechten Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylinder- Aggregates 2 hin öffnet und zur linken Kolbenarbeitskammer abgeschlossen ist. Die Axialschlitze 13′ und 13′′ besitzen eine hinreichende Länge, derart, daß sie bei entsprechender Drehstellung des Kolbens 4 die zylinderseitigen Einlaß- bzw. Auslaßschlitze überschneiden.

In Fig. 2a ist nun die Drehstellung des Kolbens 4 dargestellt, welche in der in Fig. 1 linken Totpunktlage des Kolbens 4 eingenommen wird.

Der Axialschlitz 13′ überschneidet den Einlaßschlitz 11, so daß Verbrennungsgase aus der Brennkammer 6 in die in Fig. 1 linke Kolbenarbeitskamner eintreten können.

Gleichzeitig überschneidet der Axialschlitz 13′′ den Auslaß­ schlitz 12, so daß die in der in Fig. 1 rechten Kolbenarbeits­ kammer aufgenommenen Gase beim nachfolgenden Kolbenhub nach außen ausgestoßen werden können.

Unter dem Druck der Verbrennungsgase in der in Fig. 1 linken Kolbenarbeitskammer wird der Kolben 4 in Fig. 1 nach rechts verschoben, wobei der Kolben 4 gleichzeitig in Fig. 2 im Uhrzeigersinne gedreht wird.

Aufgrund der Drehung des Kolbens 4 wird die in Fig. 1 linke Kolbenarbeitskammer gegenüber der Brennkammer 6 sowie nach außen abgeschlossen, denn der Axialschlitz 13′ verläßt während des Kolbenhubes den Bereich des Einlaßschlitzes 11, welcher in Umfangsrichtung des Zylinders relativ kurz bemessen ist. Die zuvor unter hohem Druck in die in Fig. 1 linke Kolbenarbeitskammer eingedrungenen Verbrennungsgase aus der Brennkammer 6 expandieren sich nach Abschluß der genannten Kolbenarbeitskammer von der Brennkammer 6, wobei der Kolben 4 in Fig. 1 nach rechts verschoben und in die Lage gemäß Fig. 2b gedreht wird.

Die in Fig. 1 rechte Kolbenarbeitskammer bleibt über dem Axialschlitz 13′′ weiterhin mit dem Auslaßschlitz 12 verbunden, so daß das in dieser Kolbenarbeitskammer enthaltene Verbrennungs­ gas weiterhin ausgestoßen wird.

Wenn nun der Kolben 4 seinen in Fig. 1 rechten Totpunkt erreicht, hat der Kolben 4 insgesamt eine Drehung um 180° ausgeführt und die in Fig. 2c dargestellte Lage erreicht, bei der der Axialschlitz 13′ den Auslaßschlitz 12 und der Axialschlitz 13′′ den Einlaßschlitz 11 überschneidet.

Dementsprechend dringen nunmehr die Heiß- bzw. Verbrennungs­ gase aus der Brennkammer 6 in die in Fig. 1 rechte Kolben­ arbeitskammer ein, während die in der anderen Kolbenarbeits­ kammer expandierten Verbrennungsgase nunmehr beim nachfolgenden Rückhub des Kolbens 4 ausgestoßen werden.

Fig. 2d zeigt nun die Drehstellung des Kolbens 4 in dessen Mittellage zwischen seinen beiden Totpunkten im Verlauf des Rückhubes, d.h. der in Fig. 1 nach links gerichteten Hubbewe­ gung. Die in Fig. 1 rechte Kolbenarbeitskammer ist gegenüber der Brennkammer 6 sowie nach außen abgeschlossen; die in dieser Kolbenarbeitskammer eingeschlossenen Verbrennungsgase drücken den Kolben 4 in Fig. 1 weiter nach links, wobei sich die Verbrennungsgase zunehmend expandieren. Die in Fig. 1 linke Kolbenarbeitskammer ist über den Axialschlitz 13′ noch weiterhin mit dem Auslaßschlitz 12 verbunden, so daß die in Fig. 1 linke Kolbenarbeitskammer praktisch drucklos ist. Die in Fig. 2e dargestellte Drehlage entspricht der Drehlage des Kolbens 4 in Fig. 2a, d.h. der Kolben 4 hat wiederum in Fig. 1 seinen linken Totpunkt erreicht.

Der Einlaßschlitz 11 des Kolben-Zylinder-Aggregates 2 ist in Umfangsrichtung des Zylinders relativ kurz bemessen, um die jeweils zuvor über den Einlaßschlitz 11 mit der Brennkammer 6 verbundene Kolbenarbeitskammer für eine gewisse Zeit herme­ tisch abschließen zu können, so daß die Expansionsfähigkeit des die Brennkammer 6 unter hohem Druck verlassenen Ver­ brennungsgases zur Leistung mechanischer Kolbenarbeit ausge­ nutzt werden kann.

Nunmehr wird anhand der Fig. 1 und 3 die Wirkungsweise des als Kompressor arbeitenden Kolben-Zylinder-Aggregates 1 erläutert.

Hier sind in ähnlicher Weise innerhalb eines vom Kolben 3 ständig axial überlappten Bereiches des Zylinders in Umfangs­ richtung nebeneinander der Einlaßschlitz 14 und der Auslaß­ schlitz 15 angeordnet. Am Kolben 3 befinden sich die Axial­ schlitze 16′ und 16′′, wobei der Axialschlitz 16′ in die in Fig. 1 linke Kolbenarbeitskammer des Kolbens 3 mündet, während der Axialschlitz 16′′ nur zur in Fig. 1 rechten Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 hin geöffnet ist.

In der in Fig. 3a dargestellten Drehlage des Kolbens 3 nimmt derselbe seine in Fig. 1 linke Totpunktlage ein, bei der der Axialschlitz 16′ noch den Auslaßschlitz 15 und der Axial­ schlitz 16′′ noch den Einlaßschlitz 14 überschneidet.

Nunmehr verschiebt sich der Kolben 3 in Fig. 1 aus seiner linken Totpunktlage nach rechts, wobei der Kolben 3 in der Ansicht der Fig. 3 gleichzeitig im Uhrzeigersinne gedreht wird. Damit werden beide Kolbenarbeitskammern des Kolben- Zylinder-Aggregates 1 hermetisch abgeschlossen.

Aufgrund der Verschiebung des Kolbens 3 in Fig. 1 nach rechts wird die zuvor über den Einlaßschlitz 14 in die rechte Kolben­ arbeitskammer eingetretene Luft komprimiert, während sich die in der in Fig. 1 linken Kolbenarbeitskammer eingeschlossene Luft zunehmend entspannt.

In der in Fig. 3b dargestellten Mittellage des Kolbens 3 zwischen seinen Totpunktlagen hat sich der Kolben 3 so weit gedreht, daß der Axialschlitz 16′ den Einlaßschlitz 14 über­ schneidet. Somit wird bei der weiteren Hubbewegung des Kolbens 3 in Fig. 1 nach rechts Luft durch den Einlaßschlitz 14 in die sich ständig vergrößernde Kolbenarbeitskammer auf der in Fig. 1 linken Seite des Kolbens 3 eingesogen.

Bei weiterer Verschiebung des Kolbens 3 nach rechts dreht sich derselbe so weit, daß der Axialschlitz 16′′ den mit der Brenn­ kammer 6 verbundenen Auslaßschlitz 15 überschneidet und aus der in der in Fig. 1 rechten Kolbenarbeitskammer des Kolben-Zylin­ der-Aggregates 1 aufgrund der Hubbewegung komprimierte Luft bei der weiteren Hubbewegung des Kolbens in die Brennkamner 6 eingeschoben wird. Dieser Vorgang ist abgeschlossen, wenn der Kolben 3 seine in Fig. 1 rechte Totpunktlage erreicht und sich in die in Fig. 3c dargestellte Stellung weitergedreht hat.

Beim nachfolgenden Rückhub des Kolbens 3, d.h. bei der Bewe­ gung dieses Kolbens in Fig. 1 nach links, dreht sich der Kolben 3 in die in Fig. 3d dargestellte Lage weiter, wobei die in der linken Kolbenarbeitskamner des Kolben-Zylinder- Aggregates zuvor eingesogene Luft zunehmend komprimiert wird und sich die in der rechten Kolbenarbeitskammer befindliche Restluft auf den Umgebungsdruck entspannt.

Beim weiteren Rückhub des Kolbens 3 überschneidet dann aufgrund der ständigen Drehung des Kolbens 3 der Axial­ schlitz 16′ den Auslaßschlitz 15, so daß die zuvor in der linken Kolbenarbeitskammer komprimierte Luft in die Brenn­ kammer 6 ausgeschoben wird. Der Axialschlitz 16′′ überschneidet den Einlaßschlitz 14, so daß sich die sich beim Rückhub des Kolbens 3 vergrößernde rechte Kolbenarbeitskammer mit frischer Luft füllt.

Schließlich erreicht der Kolben 3 die in Fig. 3e dargestellte Lage, welche mit der in Fig. 3a dargestellten Lage identisch ist, d.h. der oben beschriebene Ablauf wiederholt sich usw.

Das als Kompressor arbeitende Kolben-Zylinder-Aggregat 1 verdichtet die Luft mit einem Verdichtungsfaktor von 1:15 bis 1:30.

In der Brennkammer 6, welche mit einer hochtemperatur­ beständigen Auskleidung versehen ist, erfolgt dann die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes, welcher sich in der Regel aufgrund des hohen Brennkammerdruckes und der hohen Brennkammertemperatur selbsttätig entzündet.

Das Volumen der Brennkamner 6 ist so bemessen, daß die Verweilzeit der für die Verbrennung zugeführten verdichteten Luft bei ca. 0,1 sek. liegt und dementsprechend eine vollstän­ dige Verbrennung des Kraftstoffes weitestgehend ohne Ruß- und Kohlenwasserstoffrückstände gewährleistet ist.

Um auch ein Minimum an Stickoxiden zu gewährleisten, wird die Menge des eingespritzten Kraftstoffes so gesteuert, daß eine weitestgehend stöchiometrische Verbrennung erfolgt, d.h. eine Verbrennung ohne Sauerstoffüberschuß, aber auch ohne Sauer­ stoffunterschuß.

Die thermische Energie der sehr heißen, verdichteten Ver­ brennungsgase werden dann im Kolben-Zylinder-Aggregat 2 in mechanische Arbeit ungewandelt. Die dabei gewonnene mechanische Arbeit wird nicht nur zum Antrieb des als Kompressor arbeiten­ den Kolben-Zylinder-Aggregates 1, sondern auch zum Antrieb des Elektrogenerators 9 ausgenutzt.

Der Aufbau des Elektrogenerators 9 wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 4 erläutert, welche ein Schnittbild entsprechend der Schnittebene IV-IV in Fig. 1 zeigt.

Der Generator 9 besitzt einen auf der Kolbenstange 5 fest angeordneten Schwinganker 8, welcher als Permanentmagnet mit kreisscheibenförmigen Polen 17′ und 17′′ ausgebildet ist. Der Schwinganker 8 wirkt mit einem Stator 18 zusammen, welcher einen doppelt U-förmigen Weicheisenkern 19 aus Blechlamellen besitzt. Der Weicheisenkern 19 trägt zwei Feldspulen 20, an denen eine elektrische Wechselspannung abgreifbar ist, wenn sich der Schwinganker 8 innerhalb des Weicheisenkernes hin­ und herbewegt.

Zweckmäßigerweise besitzen die Pole 17′ und 17′′ des Schwing­ ankers 8 und die U-Schenkel des Weicheisenkernes 19 etwa gleiche Abstände voneinander. Dabei sind der Schwinganker 8 und der Weicheisenkern 19 bevorzugt so bemessen, daß die U-Schenkel des Weicheisenkernes 19, welche kreisförmige Öff­ nungen für den Durchtritt der Pole 17′ bzw. 17′′ des Schwing­ ankers 8 aufweisen, in den rechten und linken Totpunktlagen der Kolben 3 und 4 (vgl. Fig. 1) bzw. des Schwingankers 8 eine Lage zwischen dessen Polen 17 und 17′′ einnehmen. Wenn der Schwinganker 8 von der einen Totpunktlage zur anderen Totpunktlage bewegt wird, wird dann in die Feld­ spulen 20 eine elektrische Spannung mit annähernd sinus­ förmigem Verlauf induziert. Die Frequenz der elektrischen Wechselspannung ist dabei doppelt so groß wie die Hubfrequenz der Kolben 3 und 4 bzw. des Schwingankers 8.

Der die Drehung der Kolben 3 und 4 um die Achse der Kolben­ stange 5 bewirkende Schrittmotor 10 besitzt einen auf der Kolbenstange 5 fest angeordneten Rotor, welcher bei Hubbewe­ gungen der Kolben 3 und 4 bzw. der Kolbenstange 5 mit mehreren axial hintereinander angeordneten Statoren 21 und 22 zusammen­ wirkt. Dabei können die Pole des Rotors sowie der Statoren 21 durch Permanentmagneten gebildet sein, während die Pole der Statoren 22 durch die Pole von Elektromagneten gebildet werden, welche jeweils so angesteuert werden, daß sich der Rotor des Schrittmotors 10 bei einer Bewegung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Statoren 21 mit richtigem Richtungssinn weiterdreht. Die Statoren 21 "fixieren" also jeweils die den Totpunkten der Hubbewegung der Kolben 3 und 4 sowie des Rotors des Schrittmotors 10 sowie die der Mittellage zwischen den Totpunkten zugeordneten Drehlagen des Schrittmotors und damit der Kolben 3 und 4, während die Statoren 22 jeweils die rich­ tige Weiterdrehung bewirken.

Um die Hubbewegungen der Kolben 3 und 4 sowie der damit über die Kolbenstange 5 gekoppelten Aggregate zu begrenzen, ist das Kolben-Zylinder-Aggregat 24 (vgl. Fig. 1) vorgesehen. Dabei wirkt ein auf der Kolbenstange 5 angeordneter doppeltwirkender Kolben 25 mit zwei Kolbenarbeitsräumen zusammen, die in der Fig. 1 dargestellten Mittelstellung des Kolbens 25 über axiale Schlitze 26 in der Zylinderwandung mit der Atmosphäre verbunden sind. Bei hinreichendem Hub des Kolbens 25 nach rechts oder links wird jeweils der rechte bzw. linke Kolbenarbeitsraum abgeschlossen, so daß die darin eingeschlossene Luft bei weiterer Hubbewegung zunehmend komprimiert wird und damit der Hubbewegung einen stark ansteigenden Widerstand entge­ gensetzt. Somit wird die Hubbewegung federnd aufgefangen und in ihrer Richtung schließlich umgekehrt.

Grundsätzlich sind jedoch auch andere Anordnungen zur Hub­ begrenzung denkbar. Beispielsweise können auch mechanische Federaggregate vorgesehen sein, die die Kolbenstange 5 in eine Mittellage zu drängen suchen.

Gemäß Fig. 5 kann der Füllungsgrad der mit den Verbrennungs­ gasen aus der Brennkammer 6 belieferten Kolbenarbeitskammern des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 gegebenenfalls mittels einer Schieberanordnung gesteuert werden.

Gemäß Fig. 5 ist in einer im Querschnitt bogenförmigen Kammer 27 innerhalb des Gehäuses des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 ein bogenförmiger Schieber 28 kolbenartig verschiebbar ange­ ordnet. Dabei trennt der Schieber 28 einen mit dem Einlaß­ schlitz 11 verbundenen Teil der Kammer 27 von einem mit einem Kolben-Zylinder-Aggregat 29 verbundenen Teil der Kammer 27 ab. In dem Kolben-Zylinder-Aggregat 29 sowie in dem damit verbun­ denen Teil der Kammer 27 ist ein Druckfluid aufgenommen, derart, daß sich bei Verschiebung des Kolbens des Kolben- Zylinder-Aggregates 29 in Fig. 5 nach rechts der kolbenartige Schieber 28 innerhalb der Kammer 27 entgegen dem Uhrzeiger­ sinne in Richtung des Einlaßschlitzes 11 vorschieben läßt. Wird der Kolben des Kolben-Zylinder-Aggregates 29 in Fig. 5 nach links verschoben, so drückt der Druck der von der Brenn­ kammer 6 komnenden Verbrennungsgase den Schieber 28 im Uhr zeigersinne in Richtung des Kolben-Zylinder-Aggregates 29. Dabei werden ein mehr oder weniger breiter Abschnitt des Ein­ laßschlitzes 11 bzw. mehr oder viele Einlaßöffnungen 30 freigegeben, so daß jeweils eine der Kolbenarbeitskammern des Kolben-Zylinder-Aggregates 1 über einen der Axialschlitze 13′ bzw. 13′′ entsprechend länger oder weniger lang mit der Brennkammer 6 verbunden ist.

Zum Starten des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors kann der Elektrogenerator 9 in grundsätzlich bekannter Weise als Schwingankermotor betrieben werden.

Claims (16)

1. Verbrennungsmotor mit einem Kompressor zum Verdichten von Luft, einer an die Druckseite des Kompressors angeschlossenen Brennkammer, in der eingeleiteter bzw. eingespritzter Kraftstoff mit der vom Kompressor gelie­ ferten verdichteten Luft verbrennt, sowie einem an den Ausgang der Brennkammer angeschlossenen, mit dem Kompres­ sor sowie einem Abtrieb des Motors antriebsverbundenen Expansionstriebwerk, in welchem sich die Verbrennungsgase unter Leistung mechanischer Arbeit entspannen, dadurch gekennzeichnet, daß Kompressor und Expansionstriebwerk als Kolben-Zylin­ der-Aggregate (1, 2) ausgebildet sind.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (4) des Expansionstriebwerkes (2) mit einem zugeordneten Kolben (3) des Kompressors (1) mittels einer gemeinsamen Kolbenstange (5) verbunden ist.

3. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (5) als Abtriebsglied des Motors angeordnet ist.

4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor als Schwingkolben­ motor ausgebildet ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunindest das Expansions­ triebwerk (2) aus keramischem Material hergestellt ist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf bzw. an der Kolbenstange (5) ein Schwinganker (8) eines Elektrogenerators (9) angeordnet ist.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kompressor (1) und Expansions­ triebwerk (2) schlitzgesteuert sind, indem am dem jewei­ ligen Kolben (3, 4) zugeordneten Zylinder innerhalb einer vom Kolben in allen Hubstellungen axial überdeckten Radialebene in Umfangsrichtung nebeneinander ein Einlaß­ sowie ein Auslaßschlitz (11, 12; 14, 15) und am Kolbenumfang ein zum jeweiligen Kolbenarbeitsraum offener und am anderen Ende geschlossener Axialschlitz (13′, 13′′; 16′, 16′′) angeordnet sind, welcher durch Drehung des Kolbens (3, 4) um die Kolbenstangenachse zur Überlappung mit den Einlaß­ bzw. Auslaßschlitzen bringbar ist, derart, daß der Axial­ schlitz während des Einlaßhubes den Einlaßschlitz und während des Auslaßhubes den Auslaßschlitz überschneidet.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für Expansionstriebwerk (2) und Kompressor (1) jeweils doppeltwirkende Kolben (3, 4) angeordnet sind, wobei jeweils der dem einen Kolbenarbeits­ raum zugeordnete Axialschlitz (13′, 16′) um 180° gegenüber dem dem anderen Kolbenarbeitsraum zugeordneten Axial­ schlitz (13′′, 16′′) versetzt ist.

9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (10) den bzw. die Kolben (3, 4) mit gleichbleibendem Drehsinn verstellt, wobei der bzw. die Kolben (3, 4) zwischen den beiden Tot­ punkten ihrer Hubbewegung jeweils un einen Winkel von 180° gedreht werden.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehantrieb ein elektri­ scher Schrittmotor (10) vorgesehen ist, welcher einen auf der Kolbenstange (5) fest angeordneten Rotor sowie mehrere axial nebeneinander angeordnete Statorelemente (21, 22) besitzt, die relativ zueinander in Umfangsrichtung versetzte Magnetfelder zu erzeugen gestatten.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß beidseitig eines umpolbaren Statorelementes (22) Statorelemente (21) mit statischer Feldorientierung angeordnet sind.

12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrogenerator (9) als Einphasen-Synchron-Generator ausgebildet ist.

13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinganker (8) des Elektrogenerators (9) auf der Kolbenstange (5) fest angeordnete scheibenförmige Pole (17′, 17′′) besitzt, deren axialer Abstand etwa dem axialen Abstand der Pole bzw. Polschuhe eines seitlich der Kolbenstange (5) angeordneten Stators (19, 20) mit einer zwischen den Polen bzw. Polschuhen angeordneten Lastwicklung (Feldspule 20) entspricht.

14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (19) des Elektro­ generators (9) einen doppelt U-förmigen Weicheisenkern (19) mit in den U-Schenkeln angeordneten Öffnungen für den Durchtritt der Pole (17′, 17′′) des Schwingankers (8) besitzt.

15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrogenerator (9) mittels einer Spannungsquelle bzw. Batterie als Elektro­ motor zum Starten des Verbrennungsmotors einschaltbar ist.

16. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hubbegrenzung an jeder Kolbenstange (5) ein doppeltwirkendes Kolben-Zylinder- Aggregat (24) zur adiabatischen Gasverdichtung angeord­ net ist, dessen beide Kolbenarbeitsräume in einer Mittelstellung des Kolbens (25) mit der Atmosphäre bzw. einer Gasquelle kommunizieren.