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Mit einer Taumelscheiben-Brennkraftmaschine entsprechend dieser Erfindung ist es möglich, die im Abgas des Arbeitszylinders enthaltene Restenergie in Arbeit umzusetzen und damit den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Dazu wird ein zusätzlicher Niederdruckarbeitszylinder in die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine integriert. Die noch unter hohem Druck stehenden heißen Abgase des Arbeitzylinders, der in folge Hochdruckarbeitszylinder genannt wird, werden den Niederdruckarbeitszylinder zugeleitet, um sich dort unter Abgabe von Arbeit weiter zu entspannen und abzukühlen.
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In den bekannten Brennkraftmaschinen werden die Abgase gar nicht oder nur teilweise für den Antrieb eines Turboladers, zu Heizzwecken oder zur Erzeugung von Hochdruckdampf genutzt.
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Die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine gemäß dieser Erfindung basiert auf einer Zweitakt-Taumelscheiben-Brennkraftmaschine nach Patentschrift
DE 197 27 987 C2 .
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Sie hat einen Verdichterzylinder, einen Hochdruckarbeitszylinder und einen Niederdruckarbeitszylinder. Der Hubraum des Verdichterzylinders ist vorzugsweise größer als der Hubraum des Hochdruckarbeitszylinders. Der Niederdruckarbeitszylinder hat einen Hubraum der gleich groß oder größer ist, als der Hubraum des Hochdruckarbeitszylinders.
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Die Verbrennungsluft oder das Brenngasgemisch wird vom Kolben des Verdichterzylinders bei dessen Aufwärtshub über ein Membranventil angesaugt, beim Abwärtshub verdichtet und im Bereich des unteren Todpunktes über Überstromkanäle in den Hochdruckarbeitszylinder geleitet. Der beim Abwärtshub des Verdichterzylinders aufgebaute Gaswechseldruck ist etwa gleich groß wie der Restdruck im Hochdruckarbeitszylinder am unteren Todpunkt des Hochdruckkolbens vom vorherigen Arbeitstakt. Damit wird ein sicherer Gaswechsel erreicht.
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Der Hochdruckkolben und der Verdichterkolben sind miteinander fest verbunden, also einteilig, und gemeinsam über eine Pleuelstange mit dem Taumelscheibentriebwerk verbunden. Im Bereich des oberen Todpunktes des Kolbens im Hochdruckarbeitszylinder erfolgt die Verbrennung des nun hoch verdichteten Gas-Luftgemisches.
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Wenn im Verdichterzylinder nur Luft verdichtet wurde, muss Treibstoff im Bereich des oberen Todpunktes des Kolbens in den Brennraum des Hochdruckarbeitszylinders eingespritzt werden. Der Hochdruckteil der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine arbeitet im Zweitaktverfahren.
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Der Auslasskanal des Hochdruckarbeitszylinders ist über eine Druckleitung mit dem Niederdruckarbeitszylinder verbunden. Der Niederdruckkolben bewegt sich gegenläufig synchron zum Hochdruck- und Verdichterkolben. Das beim Gaswechsel aus dem Hochdruckarbeitszylinder ausgestoßene heiße Abgas gelangt so mit seinem Restdruck in den Niederdruckarbeitzylinder dessen Niederdruckkolben in diesem Moment auf dem oberen Todpunkt ist. Beim Abwärtshub des Niederdruckkolbens entspannt sich das Abgas weiter, kühlt ab und gibt damit Arbeit ab, die über die Pleuelstange des Niederdruckkolbens auf die Taumelscheibe und damit an die Hauptwelle abgegeben wird.
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Beim anschließenden Aufwärtshub des Niederdruckkolbens wird dessen Abgas dann durch ein nockenwellengesteuertes Auslassventil in die Auslassleitung ausgestoßen.
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Das Volumen der Druckleitung zwischen dem Auslasskanal des Hochdruckarbeitszylinders und des Niederdruckarbeitszylinders und der Todraum des Niederdruckarbeitszylinders sind etwa so groß wie der Hubraum und der Brennraum des Hochdruckarbeitszylinders.
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Die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder hat einen eigenen Schmierkreislauf und verbrennt nicht wie bei bekannten Zweittaktbrennkraftmaschinen das dem Treibstoff zugesetzte Schmieröl. In den Schmierkreislauf ist eine Kolbenbodenkühlung des Hochdruck- und Niederdruckkolbens integriert.
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Zur Schadstoffminderung im Abgas können in die Druckleitung zwischen dem Auslasskanal des Hochdruckarbeitszylinders und dem Niederdruckarbeitszylinder Katalysatoren eingebaut werden und/oder noch eine geringe Menge Treibstoff zur Restumwandlung von eventuell noch vorhandenem CO Gas eingespritzt werden.
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Die Reibungsverluste der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine sind erheblich geringer als bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen, weil insgesamt nur vier Lagerstellen am Treibwerk vorhanden sind, die als Wälzlager ausgeführt werden können und auf die Arbeitskolben (Verdichter-Hochdruckkolben und Niederdruckkolben) keine oder sehr. geringe Querkräfte einwirken. Bei der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine ist die maximale Pleuelstangenauslenkung des Hochdruckkolbens etwa nur ein Grad. Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit Kurbelwellentriebwerk ist die Pleuelstangenauslenkung sehr groß und damit die Querkraft auf den Arbeitskolben erheblich.
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Ein weiterer Vorteil des Taumelscheibentriebwerkes ist das ab einer Dreizylinderausführung keine Unwuchten erster und zweiter Ordnung auftreten.
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Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder erfolgt anhand eines Konstruktionsbeispieles mit drei Verdichter-Hochdruckarbeitszylindern und drei Niederdruckarbeitszylindern. Die Verdichtungszylinder haben ein Hubvolumen von zusammen 750 cm3, die Hochdruckarbeitszylinder von zusammen 500 cm3 und die Niederdruckarbeitszylinder von zusammen 500 cm3.
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Es zeigen:
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1: Einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder.
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2: Eine Draufsicht auf die Zylinderseite mit Schnitt durch einen Hochdruckarbeitszylinder ohne Hochdruckkolben.
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3: Einen Längsschnitt durch den Verdichterzylinder und den Hochdruckarbeitszylinder mit einteiligem Hochdruck- und Verdichterkolben.
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4: Ein Steuerungsdiagramm des Gaswechsels mit Kolbenhub der Hochdruck- und Niederdruckkolben über dem Drehwinkel der Hauptwelle.
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Die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder 1 bis 4 besteht aus einem Triebwerksgehäuse 1 in dem die Hauptwelle 2 in zwei Kegelrollenlagern 3 und 4 gelagert ist. Auf der Hauptwelle 2 ist die Taumelscheibe 5 auf dem winkelig abgekröpften Teil der Hauptwelle 2 in zwei Kegelrollenlagern 6 und 7 gelagert. Die Taumelscheibe 5 ist über die Kegelzahnräder 8 und 9 gegenüber dem Triebwerksgehäuse 1 drehfest verbunden, wobei das Kegelzahnrad 9 mit der Taumelscheibe 5 einteilig ausgeführt ist und das Kegelzahnrad 8 drehfest über Schrauben 10 mit dem Treibwerksgehäuse 1 fest verbunden ist. Die einteilig ausgeführten Hochdruck- und Verdichterkolben 11 sind über die Pleuelstangen 12 und die Pleuelstangenlager 13 gelenkig mit der Taumelscheibe 5 verbunden. Die Hochdruck- und Verdichterkolben 11 sind in flüssigkeitsgekühlten Hochdruckarbeitszylindern 14 und Verdichterzylindern 15 verschiebbar gelagert und mit Kolbenringen 16 in den Hochdruckarbeitszylindern 14 und Dichtringen 17 in den Verdichterzylindern 15 abgedichtet.
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Der Gaswechsel zwischen den Verdichterzylindern 15 und den Hochdruckarbeitszylindern 14 erfolgt über Überströmkanäle 18 nahe dem unteren Todpunkt des Hochdruck- und Verdichterkolbens 11. Der Auslass des verbrannten Gases aus den Hochdruckarbeitszylindern 14 erfolgt während des Gaswechsels durch den Auslasskanal 19 (siehe auch Steuerungsdiagramm 4). Der Hubraum des Verdichterzylinders 15 ist im Beispiel 50% größer als der Hubraum des Hochdruckarbeitszylinders 14. Durch Minimierung des Todraumes im Verdichterzylinder 15 im unteren Todpunkt des Hochdruck- und Verdichterkolbens 11 wird ein Gaswechseldruck erzeugt, der etwa gleich groß ist wie der Restdruck im Hochdruckarbeitszylinder 14. Der hohe Gaswechseldruck in Verbindung mit dem größeren Hubraum des Verdichterzylinders 15 führt zu einer gesteuerten hohen Aufladung des Hochdruckarbeitszylinders 14 und hebt schon dadurch die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine in den Hochleistungsbereich.
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Die Pleuelstangen 12 sind an ihrem runden Schaft zwischen Verdichterzylindern 15 und Innenraum des Triebwerksgehäuses 1 durch scheibenartig seitlich verschiebbare Dichtelemente 20 abgedichtet. Die Minimierung des Todraumes in den Verdichterzylindern 15 wird durch Angleichung der Außenform des die Dichtelemente 20 tragenden Dichtelementeträgers 21 an die Innenform des Hochdruck- und Verdichterkolbens 11 erreicht.
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Das Frischgas oder die Ladeluft werden durch die Lufteinlässe 22 mit den Membranventilen 23 in die Verdichterzylinder 15 während des Aufwärtshubes der Hochdruck- und Verdichterkolben 11 eingesaugt (siehe auch Steuerungsdiagramm 4).
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Ebenfalls an der Taumelscheibe 5 sind die für den Antrieb der Niederdruckkolben 24 Pleuelstangen 25 in Pleuelstangenlagern 26 gelenkig gelagert. Jedem Hochdruck- und Verdichterkolben 11 ist auf dem 180 Grad gegenüberliegendem Abschnitt der Taumelscheibe 5 ein Niederdruckkolben 24 mit Niederdruckarbeitszylinder 27 zugeordnet. Dadurch bewegen sich die Niederdruckkolben 24 gegenläufig synchron zu den Hochdruck- und Verdichterkolben 11. Die Ventilköpfe 28 mit ihrem Todraum über dem Niederdruckkolben 24 sind über eine Druckleitung 29 mit dem Auslasskanal 19 der Hochdruckarbeitszylinder 14 fest verbunden. Das Volumen des Todraumes im Ventilkopf 28 addiert mit dem Volumen der Druckleitung 29 soll etwa so groß sein wie der Hubraum des Hochdruckarbeitszylinders 14 addiert mit dem Brennraum 30 des Hochdruckarbeitszylinders 14.
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Das noch unter hohem Restdruck und hoher Temperatur stehende Abgas aus den Hochdruckarbeitszylindern 14 kann sich so beim Abwärtshub der Niederdruckkolben 24 unter Abgabe von Arbeit and die Hauptwelle 2 weiter entspannen und abkühlen.
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Beim folgenden Aufwärtshub der Niederdruckkolben 24 werden die Auslassventile 31 von der mit der Hauptwelle 2 drehfest verbundenen Nockenwelle 32 geöffnet und das Abgas in die Auslassleitung 33 entlassen. Die Nockenwelle 32 ist mit der Hauptwelle 2 über die Kupplungshülse 34 drehfest verbunden. Die Nockenwelle 32 ist in den Nadellagern 35 und 36 gelagert und steuert die Hubbewegung der Auslassventile 31 über die Nocke 37 und die federbelasteten Tassenstössel 38 entsprechend dem Steuerungsdiagramm 4.
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Die Schmierung und Innenkühlung der Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder erfolgt durch Schmieröl, das eine nicht dargestellte Ölpumpe aus einem ebenfalls nicht dargestellten Ölvorratsbehälter durch den Öleinlass 39 in die Hauptwelle 2 und von dort über die Ölbohrungen 40 der Taumelscheibe 5 und von dort in die Pleuelstangenlager 13 und 26 fördert. Durch die hohl gebohrten Pleuelstangen 12 und 25 gelangt das Schmieröl dann in den oberen Teil der Hochdruck- und Verdichterkolben 11 und der Niederdruckkolben 24 und kühlt diesen oberen Bereich. Das Schmieröl des Hochdruck- und Verdichterkolbens 11 fließt dann durch die Ölrückflussbohrungen 41 in den Ölsammelraum 42. Von dort über die Ölrückflussbohrungen 43 direkt ins Triebwerksgehäuse 1.
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Die Kühlung des Niederdruckarbeitszylinder 27 und der Ventilköpfen 28 ist über eine nicht dargestellte Zuleitung an den Schmierkreislauf angeschlossen. Der Gesamtrückfluss des Schmieröls aus dem Triebwerksgehäuse 1 in den nicht dargestellten Ölvorratsbehälter erfolgt durch den Ölauslass 44. Die Taumelscheiben-Brennkraftmaschine mit Niederdruckarbeitszylinder gibt ihre Antriebsleistung über den Mitnahmeflansch 45 ab.
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Der Hochdruck- und Verdichterkolben 11 und der Niederdruckkolben 24 sind zweiteilig ausgeführt. Jeweils die Kolbenböden 46 und 47 sind verschraubt, so dass ungeteilte Kolbenringe 16 und Dichtringe 17 verwendet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Triebwerksgehäuse
- 2
- Hauptwelle
- 3
- Kegelrollenlager
- 4
- Kegelrollenlager
- 5
- Taumelscheibe
- 6
- Kegelrollenlager
- 7
- Kegelrollenlager
- 8
- Kegelzahnrad
- 9
- Kegelzahnrad
- 10
- Schraube
- 11
- Hochdruck- und Verdichterkolben
- 12
- Pleuelstange
- 13
- Pleuelstangenlager
- 14
- Hochdruckarbeitszylinder
- 15
- Verdichterzylinder
- 16
- Kolbenringe
- 17
- Dichtringe
- 18
- Überströmkanal
- 19
- Auslasskanal
- 20
- Dichtelement
- 21
- Dichtelementeträger
- 22
- Lufteinlass
- 23
- Membranventil
- 24
- Niederdruckkolben
- 25
- Pleuelstange
- 26
- Pleuelstangenlager
- 27
- Niederdruckarbeitszylinder
- 28
- Ventilkopf
- 29
- Druckleitung
- 30
- Brennraum
- 31
- Auslassventil
- 32
- Nockenwelle
- 33
- Auslassleitung
- 34
- Kupplungshülse
- 35
- Nadellager
- 36
- Nadellager
- 37
- Nocke
- 38
- Tassenstössel
- 39
- Öleinlass
- 40
- Ölbohrung
- 41
- Ölrückflussbohrung
- 42
- Ölsammelraum
- 43
- Ölrückflussbohrung
- 44
- Ölauslass
- 45
- Mitnahmeflansch
- 46
- Kolbenboden
- 47
- Kolbenboden