DE4105960A1 - Radialkolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Bei dem typischen Vertreter von Verbrennungsmaschinen, dem Otto-Motor, wird die erzeugte Kolbenkraft auf eine Kurbelwelle übertragen und so ein Drehmoment erzeugt. Nachteil dieser Gattung sind die schwer beherrschbaren Massenkräfte, oszillierende Massenkräfte und Massenmomente, schlechte Wirkungsgrade mechanisch und thermisch.

Umlaufmotore, bei der die Kurbelwelle still steht und der Motor sich dreht, brachten Schwierigkeiten mit den umlaufenden Massen, aber auch mit der Brennstoffzufuhr. Die Kreiselkolbenmaschine läßt sich so bauen, daß keine Massenkräfte in Erscheinung treten. Neuere Konstruktionen, bei denen außerhalb des Motors das Gas kontinuierlich erzeugt wird, sind noch nicht praktisch erprobt; zeigen aber einen Trend zur erhöhten Wirtschaftlichkeit auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Wegfall der Kurbelwelle und Pleuel eine symmetrische Drehbewegung zu erzeugen ähnlich dem Prinzip des E.-Motors. Übernommen wird nur der Kolben im Zylinder mit der Folge, daß jeweils zwei Kolben paarweise gegenüberliegend angeordnet sein müssen. Durch solch eine Symmetrie um einen gemeinsamen Mittelpunkt entstehen keine freien Zentrifugalkräfte, da Drehachse und Schwerachse zusammenfallen.

Die freien Massenkräfte der Kolbenpaare um die Drehachse herum verursachen ebenfalls keine Wirkung nach außen, sondern gleichen sich im Innern aus. Auch die Gasströmung verursacht außer dem Drehmoment keinerlei Massenunwucht. Somit wird nur ein schwingungsfreies Drehmoment nach außen übertragen.

Im Hinblick auf die Umweltbelastung durch CO₂-Abgase zeigt diese Erfindung Vorteile durch einen hohen mechanischen und thermischen Wirkungsgrad. Die Einfachheit der Maschine nämlich ermöglicht neben den üblichen Materialien den Einsatz von Keramikmaterial und damit den Verzicht auf Kühlung.

Vorteilhaft wirkt sich auch die zentrale Versorgung mit Brennstoff aus. Das erzeugte Drehmoment mittels einer Turbine hat sich praktisch bewährt. Die Maschine wird als Zweitaktsystem betrieben. Mit z. B. vier Kolben pro Zylinder (eine Erweiterung auf mehr Kolben und Zylinder ist möglich) ist diese Maschine arbeitstechnisch mit einer Achtzylinderzweitakt- oder 16-Zylinder-Viertaktmaschine zu vergleichen.

Diese Aufgaben werden bei dem gattungsgemäßen Radialkolbenmotor erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 den Querschnitt durch den Radialkolbenmotor mit Teilschnitt der Turbine und Lagerung (ventilgesteuerte Ausführung), Blatt 7,

Fig. 2 den Längsschnitt durch den Radialkolbenmotor mit ½-Schnittführung im Kolbenbereich (Ausführung mit Steuerschieber), Blatt 8,

Fig. 3 einen Schnitt im Bereich Kolben-Überströmkanal-Turbine, Blatt 8.

Das Gehäuse des Radialkolbenmotors (1) ist am äußeren Umfang mit zwei Drehmomentstützen versehen, die a) als Rahmenaufhängung dienen und b) das Gegenmoment zum Drehmoment des Radialkolbenmotors bilden. Im Innern hat das Gehäuse (1) eine Ellipsenform (2). Die beiden Symmetrieachsen x+y bilden den Ellipsenmittelpunkt. Um diesen Mittelpunkt rotiert der Radialkolbenzylinder (3). Die Zentrierung des Radialkolbenzylinders (3) zum Gehäuse (1) wird über Kugellager (5) hergestellt, die in den Gehäuselagerdeckeln (16) gelagert sind. Radialkolbenzylinder (3) Gehäuse (1) Innendurchmesser.

Im Radialkolbenzylinder (3) sind vier Kolben (4) integriert, radial-symmetrisch angeordnet mit dem Brennraum (8) zum Ellipsenmittelpunkt bzw. zum Radialkolbenzylindermittelpunkt hin orientiert. Die vier Kolben (4) an ihrer Zylinderbohrung (7) herkömmlich abgedichtet, beschreiben mit Hilfe der Kolbenzentrifugalkraft zwangsläufig bedingt die elliptische Laufbahn (2), wenn der Radialkolbenzylinder (3) rotiert. Zwischen den beiden Symmetrieachsen x+y führen die Kolben (4) eine Hubbewegung aus, die zur Verdichtung des aufbereiteten Brennstoffes im gewölbten Brennraum (8) führen. Die vier Kolben (4) haben sogenannte Überströmkanäle (13), die bei der Hubbewegung konstant mit den Leitkanälen (14) im Radialkolbenzylinder (3) in Verbindung stehen. Leitkanäle (14), Überströmkanäle (13) und Brennraum (8) bilden den Verdichtungsraum bei jedem Kolben (4).

Die Leitschaufeln (15) der Turbine herkömmlicher Art sind in den Gehäuselagerdeckeln (16) so integriert, daß sie einen gleitenden Übergang bilden zu den Leitkanälen (14). Spaltverluste zwischen Lagerdeckel (16) und Drehkolbenzylinder (3) im Bereich der Gasströmung werden durch Ringdichtungen (17) vermieden. Die Leitschaufeln (15) sind entgegen üblicher Art im statischen Teil des Radialkolbenmotors untergebracht, jeweils im Arbeitsbereich, wo das Drehmoment erzeugt wird. Das Drehmoment wird erzeugt, indem der Ausgang der jeweils mit Gas beaufschlagten Leitschaufeln (15) durch eine synchronlaufende Scheibenabdeckung (23) geschlossen wird. Der durch die Arbeitskolben (4) vorgetriebene Radialkolbenzylinder (3) öffnet mit der synchronlaufenden Abdeckung (23) die Leitschaufeln (15), und das angesammelte Gas strömt über einen Ringkanal (20) aus. Die Brennstoffversorgung des Radialkolbenmotors erfolgt über das Zentrum des Radialkolbenzylinders (3).

Es gibt zwei Möglichkeiten der Steuerung:

• a) Je Kolben (4) ein Ventil (10) herkömmlicher Art und eine gemeinsame feststehende Nockenwelle (11), dem Verbrennungsablauf entsprechend gestaltet, mit um die Nockenwellenbohrung (24) herum angebrachten Luftkanälen (21), die mit den Ventilkanälen (22) verbunden sind. Eine Abgasturbine könnte die Luftzufuhr verstärken.
  Die Nockenwelle (11) ist in der Nockenwellenbohrung (24) gelagert einerseits und anderseits außen am statischen Teil des Radialkolbenmotors, am Gehäuselagerdeckel (16).
  Der Radialkolbenzylinder (3) rotiert also um die feststehende Nockenwelle (11) und steuert so die Ventile (10) entsprechend dem Verbrennungsablauf. Die Brennstoffzufuhr erfolgt über Einspritzdüsen (19) und zentrischer Zuleitung (18) mit Einspritzpumpen herkömmlicher Art zu den Brennräumen der Kolben (4).
• b) Im Zentrum (9) des Radialkolbenzylinders (3) wird ein Steuerschieber (12) statisch gelagert ähnlich der Nockenwelle (11), das die Ventilfunktion ersetzt, indem es über entsprechende Öffnungen verfügt, die entsprechend den Steuerzeiten die Verbrennungsluft zu den Brennräumen (8) freigibt. Auch hier rotiert der Radialkolbenzylinder (3) um den feststehenden Steuerschieber (12). Die Brennstoffzufuhr erfolgt wie bei "a", könnte jedoch jetzt durch das Steuerschiebergehäuse (12) geführt werden, so daß die Gegenseite frei ist für das Anbringen einer Kupplung an den Radialkolbenzylinder (3).

Der Radialkolbenmotor arbeitet nach dem Zweitaktverfahren. Als Dieselausführung würde sich das Zweitaktprinzip folgendermaßen darstellen lassen: Stellung der gegenüberliegenden Kolben auf der Koordinate Y-Y.

Die angesaugte Luft erreicht hier die höchste Verdichtung. Etwa 6 Grad vor dem IT (innerer Totpunkt) beginnt die Kraftstoffeinspritzung. Bei IT beginnt auch das Medium Gas über den Leitkanal in die Turbine zu strömen und erzeugt das Drehmoment. Dieser Arbeitsgang endet etwa 10 Grad vor ÄT (äußerer Totpunkt). Zugleich wird Frischluft angesaugt, und ab X-X-Koordinate verdichtet bis etwa 6 Grad vor IT. Dieser Vorgang erfolgt zweimal je Kolben (4). Das heißt, bei vier Kolben erfolgen acht Arbeitsgänge pro Umdrehung, die zusammen etwa 640 Grad Arbeitsphase erzielen und somit eine kontinuierliche Gaserzeugung gewährleisten.

Zwischen den beiden Symmetrieachsen x+y führen die Kolben (4) Hubbewegungen aus, die zu Verdichtung des aufbereiteten Brennstoffes führen. In diesem Fall haben die Kolben (4) einen integrierten kugeligen Verdichtungsraum (6), der zum Zylindermittelpunkt hin mit einem Rückschlagventil (25) versehen ist. Im Bereich der Symmetrie X-X haben die beiden Kolben (4) über den zentralen Steuerschieber (12) durch ihre Hubbewegung Luft und Brennstoff angesaugt in den Ansaugeraum (26). Bei der folgenden Kompression im Bereich der Symmetrie x y strömt das Brennstoff-Luft-Gemisch über das im Kolben (4) integrierte Rückschlagventil (25) in den kugeligen Verdichtungsraum (6), kommt zur Explosion (beim Diesel durch Selbstzündung) und strömt wie bereits beschrieben in die Leitschaufeln (14). Hierbei ist es möglich, gleichzeitig mit dem Arbeitstakt das neue Gemisch anzusaugen, um nach einer 180-Grad-Drehung erneut einen Arbeitstakt zu vollziehen.

Ein Ausführungsbeispiel wird durch Fig. 4-6 dargestellt. Die Numerierung wurde aus den vorherigen Skizzen übernommen und erweitert.

Es zeigt

Fig. 4 den Querschnitt durch den Radialkolbenmotor mit Teilschnitt der Turbine und Lagerung, Blatt 11,

Fig. 5 den Längsschnitt durch den Radialkolbenmotor mit ¼-Schnittführung im Kolben mit integriertem kugeligem Brennraum mit Rückschlagventil (Ausführung mit Steuerschieber), Blatt 12,

Fig. 6 einen Schnitt im Bereich Kolben-Überstrom­ kanal-Leitkanal-Leitschaufel-Ringkanal (Blatt 12).

Claims (13)

1. Radialkolbenmotor als Antriebsart für Automobile, Motorräder, Fluggeräte und sonstige schienen- und nichtschienengebundene Zuggeräte. Anzutreiben mit Benzin, Diesel, Gas oder sonstige Kraftstoffe. Von einem Gehäuse (1) umgeben, mit einer elliptischen Lauffläche (2) auf der Innenseite des Gehäuses (1) zentrisch im statischen Gehäuse (1) mittels Lager (5) gelagert, ein sogenannter Zylinder (3) symmetrisch bestückt mit Kolben (4) radial im Zylinder (3) angeordnet, welche bei Rotation des Zylinders (3) durch die aus ihrer Masse entstehende Fliehkraft an die Lauffläche (2) vorbeigleiten oder vorbeilaufen mit Rollen und bei einer Umdrehung des Zylinders (3) je Kolben (4) vier Hubbewegungen erzeugen. Auf der radial zur Drehachse hin gerichteten Kolbenseite entsteht durch Bohrungen (7) im Zylinder (3), welche die Kolben (4) aufnehmen, ein Verdichtungsraum (8), der aus dem Zentrum (9) des Zylinders (3) versorgt wird.

2. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elliptische (oder ein anderes Vieleck) Gehäuse (1) die Funktion einer Kurbelwelle übernimmt.

3. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (4) paarweise gegenüberliegend geführt in beliebiger Anzahl durch ihre Fliehkraft an die elliptische Bahn gedrückt, einen Hubweg beschreiten, ohne daß ein weiteres mechanisches Teil erforderlich ist.

4. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine feststehende Nockenwelle (11) vom Zylinder (3) umkreist wird und so vom Zentrum (9) des Zylinders (3) die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile (10) bewirkt.

5. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1+4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Nockenwelle und Ventile ein feststehender Steuerschieber (12) die Funktionen übernimmt.

6. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (4) Überströmkanäle (13) aufweisen, die so verlaufen, daß bei der Hubbewegung immer eine Verbindung zu den Leitkanälen (14) im Zylinder (3) besteht.

7. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1+3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (4) mit Rollen oder Gleitschuhlager bestückt sind, die hohe Umfangsgeschwindigkeit auf der elliptischen Bahn zulassen.

8. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkanäle (14) im Zylinder (3) so angeordnet sind, daß sie mit den Leitschaufeln (15) und der Abdeckung (23) ein wirksames Drehmoment erzeugen, in dem die Leitschaufeln abgedeckt werden, die jeweils gerade mit Gas beaufschlagt werden.

9. Radikalkolbenmotor nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (15) so angeordnet sind, daß sie einen Winkel auf dem Teilbereich (16) beschreiben, der den Arbeits- und Spülluftbereich erfaßt.

10. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Konstruktion durch ihre Symmetrie ein schwingungsarmes Gebilde ist, wenig bewegliche Teile hat und dadurch aus Keramikwerkstoff erstellt werden kann, welches den Wirkungsgrad thermisch und mechanisch erheblich verbessert gegenüber einer wassergekühlten Version aus den üblichen Werkstoffen.

11. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (4) über einen vorzugsweise kugeligen Verdichtungsraum (6) verfügen, der zum Ansaugeraum (26) hin mit einem Rückschlagventil (25) versehen ist, welches bei der Expansion verhindert, daß das Gas-Luft-Gemisch zurückströmt in den Ansaugeraum (26).

12. Radialkolben (4) nach Anspruch 11, so gekennzeichnet, daß der Verdichtungsraum (6) im Kolben (4), bestehend aus Überströmkanälen (13) und Leitkanälen (14), kleiner ist als der Ansaugeraum (26).

13. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Kraftstoff und Luft von den durch Zentrifugalkraft auseinanderstrebenden Kolben (4) in den Ansaugeraum (26) gesaugt werden und durch die dann folgende Gegenläufigkeit der Kolben (4) der Übergang des Gemisches in den Verdichtungsraum erfolgt.