DE4105960C2 - Radialkolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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 Kraftübertragungsart sind die schwer beherrschbaren Massenkräfte, oszillierende Massenkräfte und Massenmomente und schlechte mechanische und thermische Wirkungsgrade. Weiterhin bekannt ist ein Fliehkolben-Rotationsmotor mit zwei Zylindern nebeneinander um 180 Grad versetzt, auf einer Längsachse mit je einem Kolbenpaar im Zylinder. Die darin beweglichen Kolben drücken sich gegen ein ellipsenförmiges Gehäuse auf der als schiefe Ebene wirkende Lauffläche ab und bringen den Zylinder in Drehung. Entscheidend dabei ist, daß diese Drehbewegung nur funktioniert, wenn um nahe 90 Grad versetzt ein zweiter Zylinder arbeitet, noch besser jedoch wenn weitere Zylinder so versetzt arbeiten. Der Verbrennungsraum liegt hierbei direkt an der Mittenachse, was ein Wärmeproblem darstellt.

Das Viertaktsystem erlaubt dabei einen Arbeitstakt je Kolben und Umdrehung. Eine andere Erfindung arbeitet ebenfalls mit elliptischen oder ähnlichen Nockenlaufbahnen, wobei der innere Zylinder still steht und die gegenüber­ liegenden Kolben, im Brennraum verbunden, äußere Arbeits­ elemente in Drehung versetzen, indem ebenfalls wie bei der vorher beschriebenen Erfindung, die schiefe Ebene und der Versatz der Kolbenpaare, mit mindestens zwei vor­ handenen Zylindern, Voraussetzung sind für eine Drehmomenterzeugung.

Nochmals zusammengefaßt: Beide Verfahren haben als Grundidee radiale Kolben mit Schubstangen auf Rollen die sich an einer sogenannten Nockenlaufbahn abstoßen und einen inneren oder äußeren Zylinder in Drehung versetzen. Das gelingt aber nur durch Versatz möglichst vieler nebeneinander laufender Kolben bzw. Zylinder. Beide benutzen die Mitte des Motors für die Kraftstoffzufuhr, wie auch den Gasaustritt.
Fundstellen: DE 26 52 402 T1
DE 39 07 307 A1

Alle erwähnten Entwicklungen beruhen nach der Lehre der Wärmetechnik, auf der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie. Das Gleichgewicht das sich dabei einstellt ist ein statisches.

Die Umwandlung von Wärme in mechanische Energie kann sich aber auch im Gas selbst vollziehen. Dieser Zustand tritt ein, wenn sich eine Gasmasse bei der Entspannung von einem höheren Druck auf einen niedrigeren Druck ausdehnen kann, so daß die Gasmasse auf eine bestimme Geschwindigkeit gebracht wird. Dadurch wird das Gas zum Träger der mechanischen Energie. In diesem Fall ist das sich einstellende Gleichgewicht ein dynamisches.

Diese Alternative in der Wärmelehre bildet die theoretische Grundlage der Erfindung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, radial wirkende Kolben an einer ellipsenähnlichen Führungsbahn umlaufen zu lassen, um damit Bewegungshübe entsprechend dem "Otto-Motor" zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die Merkmale des einteiligen Patentanspruchs 1 gelöst, soweit sie nicht im vorstehenden Text der Beschreibungs­ einleitung als bekannt herausgestellt sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Es wird ein Verbrennungsvorgang eingeleitet, der nicht dazu dient, daß sich die Kolben an der Führungsbahn abdrücken, um damit Zylinder oder Gehäuse in Drehung zu versetzten, sondern der dazu führt, daß im Brennkammergehäuse verbrannt wird und das Gas aus dem Brennkammerraum über Kanäle herausgeleitet wird in zylinderähnliche Kammern, wo durch Expansion des Gases der Zylinder mit den sogenannten Brennkammergehäusen in Drehung versetzt wird. Dabei erübrigt sich ein Versatz der Brennkammergehäusepaare zueinander.

Vorteil: Ein Zylinder mit zwei Brennkammergehäusepaaren, nach dem 2-Takt-Prinzip arbeitend, ersetzen einen "Viertakt-Otto-Motor" mit 16 Zylinder. Besonders die hierdurch ermöglichte schmale und überwiegend aus Drehteilen bestehende Bauweise ermöglichen einen umfangreichen Einsatz von Keramikmaterial. Keramik zeichnet sich für hohe Temperaturbeständigkeit und große Härte aus; also ideal einzusetzen bei schwingungsarmen dynamisch arbeitenden Aggregaten. Folglich Rohstoffschonend, bei vermindertem Schmiermittelbedarf und Kühlwärmeentzug, hoher Prozeßwärme und gutem thermischen und mechanischen Wirkungsgrad.

Das heißt Verminderung des CO₂ in den Abgasen. Die Überlegungen müssen auf Dieselmotoren beschränkt bleiben, weil mindergekühlte Brennraumwände heißer werden und bei Benzinmotoren klopfende Verbrennungen verursachen. Dagegen kann ein Dieselbrennstoff, gemixt mit alkoholischem Kraftstoff, seine niedrigen Emissionen voll zur Geltung bringen.

Ein Ausführungsbeispiel wird in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Radialkolbenmotor mit Teilschnitt einer Expansionsstufe,

Fig. 2 einen Längsschnitt (Halbschnitt) durch den Radialkolbenmotor, mit Lagerung des Zylinders in dem sich die vier Brennkammergehäuse befinden und

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Brennkammer, den Gaskanälen (rechts und links), die Expansionsstufen (rechts und links), den synchron mit dem Zylinder umlaufenden Schiebern (rechts und links) und versetzt gezeichnet, den integrierten Verbundstufen.

Das Gehäuse (1) des Radialkolbenmotors ist am äußeren Umfang mit zwei Drehmomentstützen versehen, die a) als Rahmenaufhängung dienen und b) das Gegenmoment zum Drehmoment des Motors bilden. Eine Führungsbahn (2) auf der Innenseite des Gehäuses (1) ist so ausgebildet, daß sie die Hubbewegung der vier Brennkammergehäuse (4) bewirkt. Die Drehfrequenz des kugelgelagerten Zylinders (3) erzeugt eine Fliehkraft, welche die Brennkammergehäuse (4) zentrifugieren, so daß diese sich schon bei geringer Drehfrequenz an das Gehäuse (1) anlegen, mit der Folge einer exakten Steuerung. Ein gezielter Verdichtungseffekt ergibt sich dadurch, daß die Führungsbahn (2) im Verdichtungsbereich (Koordinate x-x) erhaben ist. Der rotierende Zylinder (3) ist bestückt mit zwei Brennkammergehäusepaare (4) mit 90 Grad Teilung, die einen vorteilhaften vollkommenen Massen­ ausgleich bilden. Bei großen Durchmessern sind weitere Paare integrierbar. Der Kern des Zylinders ist einerseits An­ triebswelle und andererseits Kanal für die Brennstoffzufuhr. Scheibenförmig im Aufbau, trägt der Zylinder mittig die Brennkammern radial in einer Achse, beiderseits daneben, durch die statischen Expansionsstufen (11) getrennt, die Verbundstufen (12). Fest mit dem rotierenden Zylinder (3) verbunden haben diese Scheibenpaare die Aufgaben a) das aus den Expansionsstufen austretende Gas noch einmal für den Antrieb zu nutzen, b) als Verschluß für die in Aktion stehenden Expanionsstufen und c) an ihrem Umfang den Anker der beiden E-Antriebe (Generatoren) zu tragen.

Die Brennkammergehäuseführungen im Zylinder werden von der Mittenachse aus mit Brennstoff versorgt.

Dazu dient ein Bodenventil (10), daß sich öffnet durch den entstehenden Unterdruck bei nach außen strebenden Brennkammergehäusen. Durch diese Ventilöffnung wird Luft und Brennstoff in die Hubkammer aufgenommen. Beim Komprimieren wird dieses Brennstoff-Luft Gemisch über das im Brennkammergehäuse integrierte Rückschlagventil in die im Brennkammergehäuse integrierte Brennkammer gepreßt. Im Zustand der Kompression sind die von der Brennkammer abgehenden Überströmkanäle (13) durch die statischen Schieber (26) verschlossen. Ebenso schließt das Rückschlagventil. In bekannter Weise, vergleichbar mit einem Vorkammer-Dieselmotor, erfolgt die Expansion. Die Überströmkanäle (13) werden geöffnet und das Gas strömt in die statischen Expansionsstufen (11). Verlassen also den Zylinder (3). Das hier entstehende Drehmoment wird also nicht vom Kolbenweg bestimmt, sondern vom Abstand zwischen Zylindermitte und Expansionsstufe (11). Weiter ist zu bemerken, daß die Brennkammerführung einschließlich des Bodenventils (10) relativ kalt bleibt, weil die Verbrennung im Brennkammergehäuse (4) stattfindet und nicht die heißen Gase aufzunehmen braucht. Nach einer 90 Grad Drehung der Brennkammerpaare ist die Gasexpansion beendet. Die Expansionsstufen (11) werden vom rotierenden Zylinder (3) geschlossen und das Gas in den Expansionsstufen entspannt sich dadurch, daß die Stufen von den synchron laufenden Verbundstufen nacheinander geöffnet werden und das weiter entspannte Gas aufnehmen. Die noch vorhandene Wärmeenergie des Gases unterliegt hier einer Restnutzung, bekannt als Turbocompound-System. Hier sei nochmals gesagt, daß beiderseits des Zylinders (3) die Wärme-Kraft-Koppelung stattfindet.

Da das gesamte Wechselspiel nur zwischen zylinderischen, rotierenden Körpern stattfindet, ist das Abdichtproblem beherrschbar.

Die Einbeziehung zweier Elektro-Antriebe rechts und links des Zylinders bietet sich an, weil es auf relativ große Durchmesser aufbaut und damit auch kompakt integriert werden kann. Es kann als E-Motor oder Generator genutzt werden und dient der Umweltschonung. Auch eine Erweiterung der Zylinderanzahl ist denkbar, um bei einer Hubraumerweiterung den Durchmesser des Radialkolbenmotors nicht zu groß werden zu lassen.

Claims (4)

1. Radialkolbenmotor als Selbst- Zünder konzipiert in Hybridbauweise, von einem statischen Gehäuse (1) umgeben, mit einer innen­ liegenden Führungsbahn (2) ausgestattet, die in ihrer Formgebung so gestaltet ist, daß sie mindestens zwei paarweise gegenüberliegende Brennkammergehäuse (4), radial rotierend in einer Querachse angeordnet, unter der Last aus ihrer Fliehkraft an die Führungsbahn (2) gepreßt, bei ihrem Arbeitsablauf optimal steuert, so daß jede Brennkammer (6) je Umdrehung vier Hübe ausführt, daß die Brennkammergehäuse (4) in einem Zylinder (3) axial und radial geführt und mittels diesem im statischen Gehäuse (1) gelagert sind, daß durch das Zentrum (9) des rotierenden Zylinders (3) Luft (21) angesaugt und Brennstoff eingespritzt (19) wird, jeweils im Ansaugtakt dadurch, daß dabei ein sogenanntes Bodenventil (10) den Bodenbereich (22) der Brennkammergehäuseführung durch systembedingten Unterdruck öffnet und daß die Brennkammergehäuse (4) Gaskanäle (7) aufweisen, die das verdichtete Gas in die beid­ seitig des Zylinders (3) angeordneten, im Arbeitsbe­ reich einerseits geschlossenen Expansionsstufen leiten und nach dem Expansionsprinzip ein Drehmoment erzeugen und daß dann durch Öffnen der Expansions­ stufen (11) die Abgase ausgestoßen bzw. entsorgt werden.

2. Radialkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammergehäuse (4) eine dem Verdichtungsverhältnis angepaßte Brennkammer (6) besitzen, daß die Brennkammern (6) im Eingangskanal ein Rückschlagventil (14) besitzen, welches bei der Zündung den Eingangskanal verschließt, daß die Brennkammer (6) in axialer Richtung des Radial­ kolbenmotors nach beiden Seiten hin Gasaustrittskanäle (7) besitzt, die so verlegt sind, daß während der Umlaufphase eine Verbindung zu den beiden Über­ strömkanälen (13) im Zylinder (3) besteht.

3. Radialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Zylinder (3) auf beiden Außenseiten, im Arbeitsbereich der vier Brenn­ kammergehäuse (4), Überströmkanäle (13) besitzt, die unter einem Winkel von 10-20 Grad zu Mittellinie, ent­ gegen der Drehrichtung des Zylinders, das komprimierte Gas in die beiderseits des Zylinders (3), statisch angeordneten Expansionsstufen (11) überleiten.

4. Radialkolbenmotor nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsstufen (11) im Stadium der Gasaufnahme durch die jeweils gerade im Zustand der Verdichtung stehenden Brennkammergehäuse (4), auf ihrer Gegenseite durch je einen mit dem Zylinder (3) synchronlaufenden Schieber (23) gesperrt sind.