DE69307538T2

DE69307538T2 - Motor

Info

Publication number: DE69307538T2
Application number: DE69307538T
Authority: DE
Inventors: Richard Chin Pang Mui
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2013-11-09
Also published as: JPH09505122A; EP0668962B1; WO1994011624A1; EP0668962A1; DE69307538D1; US5806315A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor, insbesondere vom Typ eines Verbrennungsmotors.
Die meisten Verbrennungsmotoren, besonders für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, sind Motoren des Hubkolbentyps, d. h., bei ihnen ist ein Kolben so angeordnet, daß er innerhalb eines Zylinders eine hin- und hergehende Bewegung ausführt. Sowohl DE-A-2723153 als auch US-A-3903854 beschreiben Verbrennungsmotoren, die eine Drehkolben-Einheit und eine Hubkolbeneinheit haben, die an einen gemeinsamen Antrieb gekoppelt sind. Eine andere Art von Verbrennungsmotor, die gelegentlich eingesetzt worden ist, ist der Drehkolbenmotor, bei dem ein speziell geformter Rotor innerhalb eines "Zylinders" oder einer Trommel angeordnet ist.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde nun ein vollkommen neuer Motorentyp entwickelt, wobei ein Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, der eine Drehkolben-Einheit und eine Hubkolben-Einheit umfaßt, die jeweils an einen gemeinsamen Antrieb gekoppelt sind, wobei sich die Drehkolben-Einheit unterhalb eines Auslasses der Hubkolben-Einheit befindet und mit einem Nachverbrennungsmittel versehen ist, um die abschließend austretenden Abgasemissionen zu kontrollieren. Der Anmelder hat für einen Motor dieser neuen Art den passenden Begriff "Binärmotor" geprägt.
Der gemeinsame Antrieb ist vorzugsweise eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle, es kann aber mit jedweder Art von gemeinsamem Antrieb, der die Hubkolben- und die Drehkolben-Einheit verbindet, gearbeitet werden.
Außerdem umfaßt der Motor vorzugsweise noch wenigstens eine weitere Drehkolben-Einheit, die mit dem Auslaß oder den Auslässen zur Ansaugseite der Hubkolben-Einheit angeordnet ist. Wenn nur eine Drehkolben-Einheit eingesetzt wird, können deren Einlaß oder Einlässe mit dem Ausgang (der Austrittsseite) der Hubkolben-Einheit verbunden werden.
Nach den bevorzugten Ausführungsbeispielen, die unten beschrieben werden, sind Leitungskanäle vorhanden, um Gas zwischen der Drehkolben- Einhett oder den Drehkolben-Einheiten und der Hubkolben-Einheit zu führen. Bei einem ersten dieser Ausführungsbeispiele ist eine erste Drehkolben- Einheit so angeordnet, daß sie der Hubkolben-Einheit Ansaugluft zuführt, und die zweite Drehkolben-Einheit ist so angeordnet, daß sie das Abgas von der Hubkolben-Einheit aufnimmt. Bei dieser Anordnung erfolgt die Verbrennung, abgesehen von der Nachverbrennung, während des Betriebs nur in der Hubkolben-Einheit.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Paar Hubkolben- Einheiten im Wechsel mit einem Paar Drehkolben-Einheiten längs eines gemeinsamen Antriebs angeordnet. Als Alternative dazu könnten aber auch drei oder mehr Hubkolben-Einheiten im Wechsel mit Drehkolben-Einheiten angeordnet werden. Vorzugsweise hat jede dieser Hubkolben-Einheiten ein Paar von in Reihe angeordneten Kolben/Zylindern.
Die Zylinder der Hubkolben-Einheit können in jeder geeigneten Weise angeordnet sein, beispielsweise im Reihenstand, in V-Form, flach (Boxermotor) oder radial. Bevorzugt wird jedoch vor allem die Radialanordnung, besonders bei der Verwendung von drei Zylindern. Die Hubkolben-Einheit kann eine Viertakt- oder eine Zweitakt-Einheit sein (d. h., einen Leistungsimpuls je Takt erzeugen).
In Abhängigkeit von der genauen Konfiguration bieten die Motoren nach der vorliegenden Erfindung gegenüber den herkömmlichen Anordnungen einen oder mehrere Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören hohes Drehmoment, hohe Leistungsabgabe (PS) und niedriger Geräuschpegel, verminderte Umweltverschmutzung, sparsamer Kraftstoffverbrauch und Verringerung des Gewichts oder sogar Ausschaltung einer entsprechenden Schwungscheibe. Motoren nach der vorliegenden Erfindung sind für einen breiten Bereich von Anwendungen geeignet, beispielsweise als Antriebseinheiten in Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen sowie als Mittel zur Bereitstellung von mechanischer Leistung in industriellen Fertigungsprozessen.
Um jeden Zweifel auszuschließen, wird angemerkt, daß sich der Begriff "Hubkolben-Einheit" im Zusammenhang der vorliegenden Offenlegung auf eine Einheit bezieht, welche die allgemeine Bauweise eines Hubkolben- Verbrennungsmotors hat, unabhängig davon, ob die Hubkolben-Einheit tatsäthlich in Betrieb ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf das folgende nicht-einschränkende Ausführungsbeispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen teilweisen Radialquerschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Motors nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 einen Längsschnitt eines ersten Trap-Ventils zum Anschluß an die Abgasteile der Hubkolben-Einheit im Motor nach der Erfindung 1 zeigt;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Motors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, der in einem ersten Modus arbeitet;
Fig. 4 den Motor von Fig. 3 zeigt, der in einem zweiten Modus arbeitet;
Fig. 5 den Motor von Fig. 3 zeigt, der in einem dritten Modus arbeitet;
Fig. 6 den Motor von Fig. 3 zeigt, der in einem vierten Modus arbeitet;
Fig. 7 die Bauweise einer Drehkolben-Einheit, die eine Nachverbrennungsmittel hat, für den Einsatz in einem Motor nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 die Drehkolben-Einheit von Fig. 7 zeigt, wobei die Ventile in einer alternativen Konfiguration angeordnet sind;
Fig. 9A Details einer zweiten Form eines Trap-Ventils am Einlaßteil einer Hubkolben-Einheit im offenen Zustand zeigt und Fig. 9B dasselbe Trap- Ventil im geschlossenen Zustand zeigt; und
Fig. 10 ein Detail des Trap-Ventils zeigt, das in Fig. 9A und 9B gezeigt wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, umfaßt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors nach der vorliegenden Erfindung eine erste Drebkolben-Einheit 1, eine Hubkolben-Einheit 3 und eine zweite Drehkolben- Einheit 5. Um die Erklärung der Funktion jeder dieser Einheiten in Begriffen der Arbeitsweise des Motors als Ganzem zu erleichtern, werden sie in der Zeichnung nebeneinanderliegend gezeigt. In der Praxis aber würde sich die erste Drehkolben-Einheit 1 hinter der Hubkolben-Einheit 3 befinden, und die zweite Drehkolben-Einheit 5 würde sich vor der Hubkolben- Einheit befinden, oder es wäre natürlich auch die umgekehrte Konfiguration möglich.
Die Einheiten sind durch eine gemeinsame Nockenwelle 7 miteinander verbunden. Sie können als ein einziger Motorblock bearbeitet oder als getrennte Einheiten mit den entsprechenden Nockenwellen-Dichtungen mit oder ohne dazwischenliegenden Differentialgetrieben verbunden werden.
Bei den beiden Drehkolben-Einheiten handelt es sich im wesentlichen um den herkömmlichen Wankel-Typ. Also hat die erste Drehkolben-Einheit 1 einen Rotor 9 in einem Gehäuse 11. Das Gehäuse 11 ist mit einem Paar von Lufteinlässen 13, 15 versehen, die mit den im wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Drehkolben-"Zylinders" 17 in Verbindung stehen.
Das Gehäuse ist auch mit einem Paar von Luftauslässen 19, 21 versehen, die ebenfalls jeweils mit den im wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Zylinders 17 in Verbindung stehen, aber im Abstand zu den Lufteinlässen 13, 15 angeordnet sind. Die beiden Auslässe 19, 21 stehen über interne Leitungskanäle (nicht gezeigt) mit den Zylindern 23, 25, 27 der Hubkolben-Einheit in Verbindung.
Die drei Zylinder 23, 25, 27 der Hubkolben-Einheit sind in einer radialen T-Anordnung über einer Ölwanne 29 angeordnet und nehmen entsprechende Kolben 31, 33, 35 auf, die durch entsprechende Gestänge 37, 39, 41 mit der Nockenwelle 7 verbunden sind. Die Zylinder 23, 25, 27 der Hubkolben-Einheit sind über Trap-Ventile, die teilweise herkömmlicher Art sind, aber mit integralen sekundären Trap-Ventilen (Fig. 2) versehen sind, und Leitungskanäle (nicht gezeigt) mit der zweiten Drehkolben-Einheit 5 verbunden. Man zieht es vor, diese Leitungskanäle in einem integralen Motorblock auszuführen, um mögliche thermische Volumenverluste zu senken.
Wie die erste Drehkolben-Einheit 1 hat auch die zweite Drehkolben- Einheit 5 einen Rotor 43 in einem Gehäuse 45. Das Gehäuse 45 ist mit einem Paar von Abgaseinlässen 47, 49 versehen, die mit im wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des "Drehkolben"-Zylinders 51 in Verbindung stehen.
Wiederum ähnlich wie bei der ersten Drehkolben-Einheit 1 hat das Gehäuse 45 der zweiten Drehkolben-Einheit 5 ein Paar von Abgasauslässen 53, 55. Diese Auslässe stehen jeweils mit den oben genannten gegenüberliegenden Seiten von Zylinder 51 in Verbindung, sind aber im Abstand zu den Abgaseinlässen 47, 49 angeordnet. Die Abgasauslässe 53, 55 können beim Betrieb mit einem Abgaskrümmer des herkömmlichen Typs, der aber, wie offensichtlich ist, auf die besondere Konfiguration des Motors abgestimmt ist, verbunden werden.
Man kann also feststellen, daß die erste Drehkolben-Einheit 1 und die zweite Drehkolben-Einheit 5 im allgemeinen ähnlich sind. Die drei Flanken 57, 59, 61 des Rotors 9 der ersten Einheit 1 sind jedoch vollkommen glatt, um Sickern zu vermeiden. Dagegen sind die drei Flanken 63, 65, 67 des Rotors 43 der zweiten Einheit 5 mit Aussparungen (nicht gezeigt) versehen, um den sehr hohen Drücken standzuhalten, die während des Betriebs in dieser zweiten Einheit auftreten. Diese Aussparungen bilden in der zweiten Drehkolben-Einheit kontrollierte Einlaßöffnungen, z. B. zum Einspritzen von flüssigen oder gasförmigen Substanzen, um die Neutralisation von unverbranntem Kraftstoff oder toxischen Gasen zu unterstützen. Die Aussparungen in der ersten Drehkolben-Einheit können ebenfalls mit solchen kontrollierten Einlaßöffnungen versehen werden. Diese Aussparungen können elektronische Sensoren aufnehmen.
Der Rotor und/oder Zylinder kann außerdem mit einem Überzug aus einem "katalytischen" Material wie Platin versehen werden, um die Ausschaltung von unverbranntem Kraftstoff oder toxischen Gasen zu unterstützen.
Beim Einlaßkrümmer des Motors handelt es sich um einen herkömmlichen Typ mit Drosselmechanismus und einem regelbaren Schieber. Nur die Zylinder der Radialeinheit 3 sind mit Zündkerzen (nicht gezeigt) versehen, da in den Drehkolben-Einheiten keine Verbrennung stattfindet. Angesichts der hohen Verdichtungsverhältnisse, die in den Zylindern der Radialeinheit (Hubkolben-Einheit) auftreten, wird eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs bevorlugt. Die Kühlung erfolgt in herkömmlicher Weise durch herkömmliche Wasser-Pumpsysteme.
Fig. 2 zeigt die Bauweise eines der Abgasventile 71 der Hubkolben- Einheit 3. Ein herkömmlicher Typ eines Ventiltellers 73 sitzt (in der geschlossenen Position) auf einem Ventilsitz 75. Der Ventilteller 73 besteht aus einem Stück mit einer Welle 77, die koaxial innerhalb eines hohlen Stützrohres 79 verläuft und die in einem sekundären Trap- Ventilteller 81 endet. In der geschlossenen Position stößt der Trap- Ventilteller an eine rückwärtige Fläche 83 des Ventilsitzes 75 an. Die Teller des Haupt- und des sekundären Ventus sind in der Verbindungsmuffe 85 federgespannt.
Es wird nun die Arbeitsweise des Motors nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Sie schließt die normalen Elemente eines Viertaktzyklusses ein, also Ansaugen, Kompression, Verbrennung und Ausschieben. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Hubkolbenmotoren werden diese aber nicht alle in den Zylindern 23, 25, 27 der Hubkolben-Einheit 3 ausgeführt.
Das Ansaugen erfolgt in der ersten Drehkolben-Einheit 1, aber das komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch wird nacheinander in den Zylindern 23, 25, 21 der Hubkolben-Einheit 3 verdichtet und verbrannt. Die Abgase werden auf die zweite Drehkolben-Einheit 5 übertragen, wo zusätzliche flüssige oder gasförmige Substanzen hinzugefügt werden, um das Neutralisieren von unverbranntem Kraftstoff oder von toxischen Gasen zu unterstützen, und wo die letzte Phase des Viertaktzyklusses, das Ausschieben der Abgase, erfolgt.
Die erste (Ansaug-) Drehkolben-Einheit 1 ist mit Innenverzahnung versehen und bietet ausgezeichnete Möglichkeiten, die in die Hubkolben-Einheit 3 eingespritzte Luft am Ende der üblichen Kompressions-/Verbrennungsphasen, sowohl im oberen als auch im unteren Abschnitt der Rotorumdrehung, unter Druck zu setzen. Die Einspeisung in jeden aufeinanderfolgenden Abschnitt beginnt sogar schon, bevor die im vorangehenden auf der gegenüberliegenden Seite des "Zylinders" abgeschlossen ist. Folglich werden mit dieser Arbeitsweise vier Einspeisungen bei drei Ansaugaktionen in sich zeitlich überlagernder Form erreicht. Dadurch wird ein im wesentlichen konstanter Strom einer kontinuierlichen Zufuhr von Aufladeluft zur Hubkolben-Einheit 3 geschaffen, um ein hohes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, und das selbst bei niedrigen oder Leerlauf-Drehzahlen des Motors. Mit zunehmender Motordrehzahl erhöht sich jedoch das Verdichtungsverhältnis.
Nach der Verbrennung, die nur in der Hubkolben-Einheit 3 erfolgt, werden die sich schnell ausdehnenden und heißen Abgase sofort nach Verlassen der Abgasventile der Hubkolben-Einheit 3 unter Druck in die zweite Drehkolben-Einheit 5 eingeführt. Die integralen sekundären Trap- Ventile verhindern, daß das ausgedehnte Gas das Abgasventil zurück zum Inneren des Zylinders hin unter Druck setzt.
In der Phase des Ausschiebens wird die Bewegung des Rotors 43 der zweiten Drehkolben-Einheit 5 durch die unter unglaublich hohem Druck stehenden Abgase weiter gespeist. Diese Wirkung trägt zur Abgabe einer Leistung von signifikantem Ausmaß an die Kurbelwelle bei. Zwischen diesen beiden Ausschiebungsphasen kann ein großer Teil, wenn nicht das meiste des unverbrannten Kraftstoffs oder anderer unerwünschter Gase ausgeschaltet werden und sogar der Einsatz eines externen Katalysators vollkommen überflüssig gemacht werden.
Das Zusammenwirken der Anzahl der Aktionstakte kann mit der Anzahl der Zylinder oder der Zeitsteuerung der Verbrennung koordiniert werden, um einen ruhigen Betrieb zu optimieren, oder es kann auf Wunsch anderweitig abgestimmt werden.
Fig. 3 bis 6 zeigen verschiedene Betriebsmodi eines zweiten Ausführungsbeispiels eines binären Motors nach der Erfindung, wobei dieser Motor mit dem Ziel entwickelt wurde, die Sauberkeit zu verbessern. Die Konstruktion weist einige unkonventionelle Merkmale auf, wie sie vorher noch nie bei der Konstruktion von Motoren angewandt worden sind.
Dieser neue Motor ist anders als jeder herkömmliche Verbundmotor, der nur eine marginale Leistungssteigerung herbeiführen kann. Dieser Motor wird die Vorstellungen von Verbundmotor-Einheiten verändern. Er ist kompakt, sparsam, stark, zuverlässig, kann mit verschiedenen Typen von Kraftstoff gefahren werden und hat die Kapazität zum Variieren des Hubvolumens. Er kann außerdem ebenso wie der binäre Grundmotor eine zusätzliche Antriebseinheit einschließen. Die unterschiedlichen Betriebsmodi können während der Arbeit des Motors durch automatische Steuerung (z. B. durch Mikroprozessor) oder von Hand geschaltet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden, wie das gezeigt wird, ein Motor 101, zwei Paare von entsprechenden gegenüberliegenden Hubkolben- Einheiten 103, 105 (161, 165), die jeweils zwei Kolben (107, 109 bzw. 111, 113) haben, im Wechsel zwischen einem Paar von Drebkolben-Einheiten 115, 117 (163, 167) längs einer gemeinsamen Antriebswelle 119 angeordnet. Folglich sind insgesamt vier Hubkolben und zwei Rotoren 121, 123 vorhanden. Selbstverständlich sind auch andere Hubkolben-Anordnungen und deren Kombinationen möglich, beispielsweise die "V"- oder die Radialkonfiguration, sowie andere Anordnungen von gegenüberliegenden Kolben und auderen ähnlichen Typen mit mehr als jeweils vier Hubkolben-Einheiten und Rotoren.
Der Motor dieses zweiten Ausführungsbeispiels ist ein Viertaktmotor, und die Leistungsabgabe erfolgt vor allem von den Hubkolben. Als Kraftstoff wird Benzin verwendet (Diesel und andere Typen sind ebenfalls möglich).
Die Abgasauslässe der Hubkolben-Einheiten 161, 165 sind mit entsprechenden Abgas-Trap-Ventilen 126, 130 und 134, 138 versehen. Auch die Auslässe der Hubkolben-Einheit 105 sind mit entsprechenden Trap-Ventilen 132, 134 und 136, 138 versehen.
In den Motorköpfen der Drehkolben-Einheiten sind zwei Paare von Einlaß-Drehschiebern 125, 127 bzw. 129, 131 angeordnet. Ebenso sind an den Auslaßöffnungen der Drehkolben-Einheiten zwei Paare von Drehschiebern 133, 135 bzw. 137, 139 angeordnet.
Wenn es angezeigt erscheint, können je Zylinder mehrere Einlaß- und Auslaßventile verwendet werden. Diese Ventile können nach jedem Wirkverfahren arbeiten, z. B. als mechanisches, hydraulisches oder elektronisches System, wie das für die Anforderungen der jeweiligen Anwendung am geeignetsten ist. Die Hauptfunktion der Trap-Ventile in den Einlässen besteht darin, zu öffnen und zu schließen, um den Strom von Luft oder von Luft-Kraftstoff-Gemischen zur Verbrennung zu den Hubkolben zuzulassen oder zu unterbinden. Es ist auch möglich, daß jedes dieser Einlaßventlle einzeln gesteuert wird und eine unterschiedliche Ventilöffnungsdauer hat, wozu die Profile der Nockenerhebung variiert werden, wenn mit zwei oder mehr Einlaßventilen je Zylinder gearbeitet wird. Diese Funktionen sind von außerordentlicher Bedeutung, um die sehr breite Vielfalt von einzigartigen Betriebsmodi zu ermöglichen, wie sie nur von einem binären Motor geleistet werden kann. Beim eigentlichen Betrieb arbeiten die Trap-Ventile gleichzeitig mit den Drehschiebern der Abgasrotoren, um auf jeden gewünschten Modus umzuschalten. Das kann automatisch durch eine Steuerung mit Mikroprozessor erfolgen.
Die anderen Trap-Ventile der Abgasöffnungen arbeiten auf Grund des Drucks des eintretenden Gases, und es ist eine schwache Rückstellfeder vorhanden, um nach dem Ausschieben Gegendrücke aus dem Vorgang der Nachverbrennung zu vermeiden. Andere Steuerungen werden nicht gebraucht. Die Möglichkeit, jede beliebige Zahl von Zylindern oder Rotoren abzuschalten oder zuzuschalten, gestattet es, daß ein solcher Motor einen größeren herkömmlichen Motor ersetzen kann, ohne daß Kompromisse bei der abgegebenen Leistung eingegangen werden müssen.
Wie bei herkömmlichen Verbundmotoren werden die Abgase so geführt, daß sie bestimmte Aufgaben ausführen, die Abgasrotoren dieses binären Motors aber sind anders, da sie die Leistung stärker steigern und außerdem andere neuartige Funktionen ausführen.
Jeder der Zylinder der Hubkolben-Einheiten (141, 143 bzw. 145, 147) ist mit einem entsprechenden Lufteinblaselement 149, 151 und 153, 155 versehen. Der Einlaßstrom wird mit durchgezogenen Linien und der Auslaßstrom mit unterbrochenen Linien bezeichnet.
Während der vollständigen Phase des Ausschiebens der Hubkolben- Einheiten blasen die entsprechenden Lufteinspritzelemente 149, 151 und 153, 155, die hinter der Abgasöffnung angebracht sind, ständig frische Luft ein. Das führt dazu, daß das Abgas während des Übergangs in den internen Leitungskanälen ständig oxidiert wird, um die drei am besten bekannten Schadstoffe im Abgas, d. h., Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, stark zu verringern. In diesem besonderen Zustand werden Kohlenwasserstoff in Wasser umgewandelt, Kohlenmonoxid in Kohlendioxid und Stickoxide in Ammoniak. Während es leichter ist, die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid umzuwandeln, kann es sein, daß Stickoxide auf Grund der rasch abnehmenden Temperaturen zwischen dem Zeitpunkt des Zündens und dem Moment der Oxydation und auf Grund des Vorhandenseins von überschüssigem Sauerstoff zurückverwandelt werden. Gegen Ende der Ausschiebephase sollten die Spitzen des Rotors sich vorzugsweise dem oberen/unteren Totpunkt oder dem TCD/BDC im Rotorgehäuse annähern. Etwa in der Hälfte zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt befindet sich eine Kraftstoffdüse, und kurz dahinter wird an einer Zündkerze eine geringe Menge an Wasserstoff-Kraftstoff in das Abgasgemisch gespritzt, das anschließend durch die Zündkerze gezündet wird. Ein anderes Verfahren der Zufuhr von Wasserstoff-Kraftstoff ist das Einspritzen durch eine Schnellmisch- oder Vormischkammer, die sich in der Position der normalen Ansaugöffnung an der Seitenwandöffnung des Rotorgehäuses befindet.
Die resultierende Explosion führt dazu, daß ein größerer Druck auf den Rotor ausgeübt wird, besonders an der Spitze, so daß eine große Menge an Energie und Leistung auf die Kurbelwelle 119 übertragen wird. In dieser Phase der Nachverbrennung tritt ein merklicher Anstieg in der Temperatur der Gase auf. Diese hohe Temperatur und der Verbrauch des verbleibenden Sauerstoffs gewährleisten, daß Ammoniak erhalten bleibt und nicht sehr schnell wieder in Stickoxide zurückverwandelt wird. Diese Wirkung tritt nur ein, wenn sich das Abgas in der Drehkolben-Einheit befindet, sonst nicht. Die Qualität der Emissionen dieses Motors ist viel sauberer als die jedes bisher bekannten. Für den Fall aber, daß die Sauberkeit absolut sicher sein muß, kann auch ein Katalysator einbezogen werden. Außerdem könnte wie beim ersten Ausführungsbeispiel wenigstens eine der Drehkolben-Einheiten mit einem katalytischen Überzug versehen werden.
Es gibt vier Betriebsmodi, die im folgenden als die Modi "A" bis "D" bezeichnet werden.
Der Grundaufbau des Motors wird in jeder der Fig. 3 bis 6 dargestellt. Dieser binäre Motor hat als Luftzuführungseinheit 157 entweder einen Rotationskompressor, ein Aufladegebläse oder einen Turbolader. Bevorzugt wird ein Rotationskompressor. Die Luft wird dann über einen Schieber 159 zur Regulierung des Drucks in eine Überdruckkammer eingeführt, wobei aber eine Zuführung unter Kompression nicht unbedingt erforderlich ist. Der Modus "A", der in Fig. 3 dargestellt wird, ist der normale Betriebsmodus, bei dem die vier Hubkolben der beiden Hubkolben-Einheiten mit den beiden Drehkolben-Einheiten zusammenwirken. Alle Trap-Ventile sind in der offenen Stellung, und auch die Drehschieber sind bei diesem Betriebsmodus offen.
Dieser Modus wird für starke Last, Beschleunigung oder Betrieb mit hoher Drehzahl bevorzugt. Die Nachverbrennungsmittel sind in Betrieb und glätten die Abgabe oder reine Leistung.
Modus "B" wird in Fig. 4 erklärt. Während der Arbeit des Motors und in festgelegten Drehzahlbereichen oder bei geringeren Lasten schaltet der Motor automatisch in dem Modus "B". Das gewährleistet den wirtschaftlichen Betrieb des Motors.
Es ist zu beachten, daß diese Funktionen in der Zeichnung in der ersten Hubkolben-Einheit 161 und in der ersten Drehkolben-Einheit 163 dargestellt werden. Gleichzeitig sind die Trap-Ventile in der zweiten Hubkolben-Einheit 165 geschlossen, während die in der zweiten Drehkolben- Einheit 167 leerlaufen.
Aus Gründen der Klarheit ist zu beachten, daß die erste Hubkolben- Einheit 161 diejenige ist, in der sich die Kolben 107, 109 befinden. Die erste Drehkolben-Einheit 163 enthält den Rotor 121. Die zweite Drehkolben- Einheit 167 enthält den Rotor 123, und die zweite Hubkolben-Einheit hat die Kolben 111, 113. Die Kraftstoffzufuhr in die leerlaufenden Paare wird bei diesem Modus ausgeschaltet.
Um einen gleichmäßigen Verschleiß und Abrieb zu erreichen, kann der Mikroprozessor natürlich so programmiert werden, daß er zwischen den ersten Einheiten 161, 163 oder den zweiten Einheiten 165, 167 schaltet. Es ist angezeigt, eine dieser Einheiten in den "Ruhe"-Modus zu schalten, wenn lange Strecken gefahren werden, beim Gas-Wegnehmen oder beim Bremsen mit dem Motor beim Fahren bergab (wenn es sich um ein Kraftfahrzeug handelt).
Wenn mehr Leistung gebraucht wird oder eine höhere Last festgestellt wird, wird automatisch auf den Modus "A" oder einen höheren Modus (Modus "D") zurückgeschaltet.
Der Modus "C" wird in Fig. 5 erklärt. Das ist ein einzigartiger Modus, bei dem auch ein alternativer Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff oder flüssiges Methan, eingesetzt werden kann. Die Hubkolben der Einheiten 161 und 165 werden durch Schließen der relevanten Trap-Ventile ausgeschaltet. Gleichzeitig werden die Drehschieber der Einheiten 163 und 167 auf den selbständigen Betriebsmodus geschaltet, der in der Zeichnung gezeigt wird. Kraftstoff wird durch einen Seitenkanal zugeführt, wie das in Fig. 8 gezeigt wird, die einen "Scramble-Modus" erklärt. Diese Funktion ist der eines herkömmlichen, mit Wasserstoff betriebenen Drehkolbenmotors sehr ähnlich. Nachverbrennungsmittel und Zündkerzen werden bei diesem Modus nicht gebraucht. Beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug wird dieser Modus am besten beim Fahren im Stadtverkehr angewandt, wenn tageweise der Einsatz von fossilen Kraftstoffen verboten sein kann.
Wenn der binäre Motor bei einem Propellerflugzeug eingesetzt wird, kann er als Zusatzaggregat für den Notfall dienen. Beim Einsatz im Schiffsbereich kann er auch als Notkrafteinheit für den Fall des Ausfalls des Hauptantriebs eingesetzt werden.
Der Modus "D" wird in Fig. 6 gezeigt. Das ist ein Modus, bei dem alle Hubkolben und alle Drehkolben selbständig und im Einklang miteinander arbeiten. Die Abgase, die nun direkt in das Auspuffrohr geleitet werden, werden nicht nachverbrannt. Die abgegebene Leistung ist in diesem Modus am höchsten, da zwei Grundmotoren zusammen Leistung auf eine gemeinsame Antriebswelle übertragen. Dieser Modus ist sehr nützlich, um schwere Lasten zu ziehen, für sehr schnelle Beschleunigungen oder beim wiederholten Anfahren ("scrambling").
Es wird nun ein spezieller "Leerlauf-Modus" beschrieben. Um zu gewährleisten, daß beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug ein sicherer Wert an sauberen Emissionen aus dem binären Motor bewahrt bleibt, wird der Leeraufbetrieb des Motors nur durch Wasserstoff-Kraftstoff bedient, während alle Trap-Ventile geschlossen sind. Während des Leerlauf-Modus wird das Lufteinspritzsystem dazu genutzt, den Abgasrotoren genügend Luft zuzuführen, wodurch die Nachverbrennungsmittel die Verbrennung innerhalb eines festgelegten Bereichs von Drehzahlen oder Geschwindigkeiten gewährleisten, bevor die Hubkolben-Einheiten eingeschaltet werden. Bei Staus im Innenstadtverkehr gibt der binäre Motor schadstoffreie Emissionen ab. Durch den begrenzten Bereich von Motorumdrehungen ist das Fahrzeug in der Lage, sich im Stau zu bewegen, ohne daß fossile Kraftstoffe verbrannt werden müssen. Der Leerlauf-Modus wird automatisch überschaltet, wenn der Motor in den Betriebsmodus "C" geschaltet wird.
Wenn der Motor zwei Abgasrotoren hat, kann im Leerlauf-Modus die geringe Leistung, die gebraucht wird, um das Fahrzeug zu bewegen, durch Variieren der Nummer der Rotationskammer gesteuert werden, in der die Verbrennung erfolgt. In sechs Fällen überstreichen die Spitzen der Rotoren bei einer Kurbelumdrehung die Nachverbrennungsmittel. Bevorzugt werden drei Fälle, es kann aber auch mit sechs gearbeitet werden, wenn innerhalb des Leerlauf-Drehzahlbereichs des Motors schwerere Lasten festgestellt werden.
Fig. 7 und 8 erklären die Arbeitsweise der Drehkolben-Einheiten mit Nachverbrennungsfunktion. Gezeigt wird dabei eine der Drehkolben-Einheiten 167, die einen Rotor 123 hat. Diese Beschreibung gilt aber ebenso für die andere Einheit 163, die einen Rotor 121 hat. Um Zweifel auszuschließen, wird hier festgestellt, daß diese Konstruktion eines Nachverbrennungsmittels auch bei der zweiten Drehkolben-Einheit 5, die sich beim binären Motor des ersten Ausführungsbeispiels unterhalb der Hubkolben- Einheit 3 befindet, oder bei jeder analogen Struktur angewendet werden könnte.
Die Kammer 171 der Drehkolben-Einheit ist in einen oberen Abschnitt 173 und in einen unteren Abschnitt 175 unterteilt. Der Rotor 123 bewegt sich entgegen dem Uhrzeiger in der Richtung von Pfeil 177. Zwischen dem oberen Totpunkt (TDC) 179 und dem nächstgelegenen Drehschieber 137 im oberen Abschnitt 173 befinden sich eine erste Nachverbrenner-Zündkerze 181 und noch näher zum Drehschieber 139 hin eine erste Kraftstoffdüse 183.
Im unteren Abschnitt 175 sind zwischen dem unteren Totpunkt (BDC) 185 und dem nächstgelegenen Drehschieber 129 eine zweite Nachverbrenner- Zündkerze 187 und noch näher zum Drehschieber 129 hin eine zweite Kraftstoffdüse 189 angeordnet. Es ist offensichtlich, daß die Zündkerzen 181, 187 und die Kraftstoffdüsen 183, 189 mit Aussparungen versehen sind, so daß sie den Rotor 123 nicht behindern.
Wie in Fig. 7 gezeigt wird, nimmt der Rotor Abgas von der Hubkolben- Einheit 165 auf, und die Nachverbrennungselemente (Zündkerze und Kraftstoffdüse) arbeiten. Abgas von der Hubkolben-Einheit 165 tritt in den Drehschieber 137 ein. Der Auslaß 191 im oberen Abschnitt 173, über dem Drehschieber 129, ist offen, ebenso sind es die Drehschleber 129, 131. Durch das Ventil 139 und den Auslaß 191 werden gereinigte Emissionen in den oberen bzw. unteren Abschnitt 173 und 175 abgegeben.
Es ist zu beachten, daß die Drehleistung (d. h., unabhängig von den Nachverbrenungsmitteln) wahlweise durch eine dritte, mit einer Aussparung versehene Zündkerze 195 zwischen den Drehschiebern 137 und 139 erbracht werden kann.
Fig. 8. erklärt den Modus des "wiederholten Anfahrens" ("Scramble- Modus"), bei dem die Drehkolben-Einheit selbständig als Drehkolbenmotor oder in jedem anderen gewünschten Modus arbeiten kann. In diesem Fall ist der Auslaß 191 offen, und die Drehschieber 129, 131 im Einlaß 193 sind geschlossen. Ebenso sind die Ventile 137, 139 geschlossen. Die Abgasemission erfolgt durch den Auslaß 191 und nicht durch den "sauberen" Abgasauslaß, der durch das Ventil 139 verdeckt ist. Das Abgas aus der Hubkolben-Einheit wird direkt in das Abgasrohr geleitet, da es nicht durch die Ventile 131 und 137 eintreten kann. Die Nachverbrennungsmittel (181, 183 und 187, 189) arbeiten nicht. Leistung wird durch die Zündung der zusätzlichen dritten Zündkerze 195 bereitgestellt.
Fig. 9A und 9B zeigen Details der Bauweise der Einlaß-Trap-Ventile 201 usw. an den Einlässen der Hubkolben-Einheiten 161, 165. Ein primäres Ventilelement 203, das mit dem Schaft 205 verbunden ist, sitzt auf einer primären Aufsitzfläche 207 zwischen einer Einlaßöffnung 209 und einer Auslaßöffnung 211. Über den Hauptventilelementen befindet sich ein sekundäres Ventilelement 213, das einen Schaft 215 hat, die beide konzentrisch den Schaft 205 des primären Ventilelements 205 umgeben.
Das sekundäre Ventilelement 213 bewegt sich zwischen einer Anschlagfläche 217 in der Einlaßöffnung 209 und einer sekundären Aufsitzfläche 219 direkt über der Hauptaufsitzfläche 207, so daß sowohl das primäre als auch das sekundäre Ventilelement in der Lage ist, eine enge Öffnung 221 zwischen der Einlaßöffnung 209 und der Auslaßöffnung 211 zu schließen.
Das sekundäre Ventilelement wird auf einer zweiten Feder 223 abgefedert, die den sekundären Ventilschaft umschließt, und das primäre Ventilelement wird auf einer ersten Feder 225 außerhalb und konzentrisch mit der zweiten Feder 223 abgefedert. Zwischen die erste und die zweite Feder wird ein Hohlraumelement 227 eingefügt, das mit einer Hydraulikleitung 229 in Verbindung steht. Hydraulikflüssigkeit, die in den Hohlraum 227 eintritt, kann auf eine obere Fläche 231 des sekundären Ventilschaftes 215 drücken.
Wie in Fig. 9A gezeigt wird, ist die erste Feder 225 vollständig zusammengedrückt, und das primäre Ventilelement 203 ist von seiner Aufsitzfläche 207 weggedrückt, so daß die Auslaßöffnung 211 offen ist. Die zweite Feder 223, die schwächer als die erste Feder 225 ist, ist entspannt. Das sekundäre Ventilelement 213 ist von seiner Aufsitzfläche 219 weg nach oben gegen die Stoßfläche 217 gezogen. Frischluft aus dem Aufladegebläse kann in die Einlaßöffnung 209 eintreten, um durch die Auslaßöffnung 211 auszutreten.
Wie in Fig. 9B gezeigt wird, drückt, wenn die Hydraulikleitung 229 geschlossen ist, Hydraulikflüssigkeit nach unten auf die obere Fläche 231 des sekundären Ventilschafts 215. Folglich wird das sekundäre Ventilelement 213 von der Stoßfläche 217 weg nach unten auf die Aufsitzfläche 219 gedrückt, wodurch die Öffnung 221 geschlossen wird. Gleichzeitig wird die obere Fläche 213 der Hohlkammer 227 durch den Druck der zweiten Feder 223 nach oben gedrückt, so daß sich die erste Feder 225 entspannt und das primäre Ventilelement 203 auf Grund der Nockenwellenwirkung gegen seine Aufsitzfläche 207 gedrückt wird. Folglich wird die Öffnung 221 geschlossen, und es kann keine Luft von der Einlaßöffnung 209 zur Auslaßöffnung 211 fließen. Die Hauptventilbewegungen werden durch die obenliegende Nockenwelle oder den obenliegenden Schwinghebel gesteuert.
Der Einfachheit halber wird die Hohlkammer 227 mit den integralen ersten 225 und zweiten 223 Federn und den Ventilelementen 203, 213 und deren Schäften 205, 215 in eine mit Gewinde versehene Aussparung 235 im Block 237 geschraubt. Die gegenseitigen Stoßflächen der Ventilschäfte 205, 215 werden vorzugsweise geschmiert.
Ein Detail des in Fig. 9A und 9B gezeigten Ventils wird in Fig. 10 veranschaulicht, die das Ventil in der geschlossenen Position von Fig. 9B zeigt. Bei dieser Zeichnung ist aus Gründen der Klarheit das Gewinde zur Befestigung ebenso weggelassen worden wie die Hydraulikleitung. Der Einfachheit halber werden gleiche Bezugszahlen zur Bezeichnung derselben Merkmale, wie sie in Fig. 9A und 9B gezeigt wurden, verwendet und werden diese hier nicht weiter beschrieben. Fig. 10 zeigt aber die Details eines Federspannelements 239 auf der Oberseite der zweiten Feder 223.

Claims

1. Verbrennungsmotor, der eine Hubkolben-Einheit (3) und eine Drehkolben-Einheit (1) aufweist, die jeweils an einen gemeinsamen Antrieb (7) gekoppelt sind, bei der sich die Drehkolben-Einheit (1) unterhalb eines Auslasses der Hubkolben-Einheit (3) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit einem Nachverbrennungsmittel versehen ist.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem der gemeinsame Antrieb (7) eine Nockenwelle oder eine Kurbelwelle ist.

3. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine weitere Drehkolben-Einheit (5) aufweist.

4. Motor nach Anspruch 3, bei dem die Drehkolben-Einheiten (1, 5) jeweils an einer Seite der Hubkolben-Einheit (3) im Verhältnis zum gemeinsamen Antrieb (7) angeordnet sind.

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Leitungskanäle vorhanden sind, um Gas zwischen der Drehkolben-Einheit oder den Drehkolben- Einheiten (1, 5) und der Hubkolben-Einheit (3) zu führen.

6. Motor nach Anspruch 5, in Abhängigkeit von Anspruch 4, bei dem eine Drehkolben-Einheit (1) so angeordnet ist, daß sie die Ansaugluft der Hubkolben-Einheit zuführt, und die andere Drehkolben-Einheit (5) so angeordnet ist, daß sie das Abgas von der Hubkolben-Einheit aufnimmt.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Vorkehrungen getroffen sind, daß während des Betriebs eine Verbrennung, abgesehen von der Nachverbrennung, nur in der Hubkolben-Einheit (3) erfolgt.

8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hubkolben- Einheit (3) wenigstens drei Zylinder (23, 25, 27) in Radialanordnung aufweist.

9. Motor nach Anspruch 2, bei dem im Verhältnis zum gemeinsamen Antrieb (7) wenigstens zwei Hubkolben-Einheiten (3) abwechselnd mit der gleichen Zahl von Drehkolben-Einheiten (1, 5) angeordnet sind.

10. Motor nach Anspruch 2, der zwei Hubkolben-Einheiten (3) und zwei Drehkolben-Einheiten (1, 5) umfaßt.

11. Motor nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem jede der Hubkolben- Einheiten (3) mit einem Kolbenpaar innerhalb eines entsprechenden Paares von Reihenstand-Zylindern versehen ist.

12. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Abgasaustritt einer Hubkolben-Einheit (3) vor dem Eintritt in die unterhalb gelegene Drehkolben-Einheit (1) mit einem Lufteinlaß versehen ist.

13. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen einer Hubkolben-Einheit (3) und einer unterhalb derselben angeordneten Drehkolben-Einheit (1) wenigstens ein Klappventil (73, 75) vorhanden ist.