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Brennkraftmaschine mit Rotationskolbenverdichter, Hubkolbenverdichter
und Rotationskolben-Expansionsmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine
mit einem Rotationskolbenverdichter, einem diesem nachgeschalteten Hubkolbenverdichter
und einer Rotations-Expansionsmaschine, wobei das Arbeitsmittel in dem Bereich des
Hubkolbenverdichters gezündet wird und die verbrannten Gase in der Rotationskolben-Expansionsmaschine
durch einen Überströmkanal übergeführt werden und wobei die beiden Rotationskolben
über eine Welle miteinander verbunden sind. Brennkraftmaschinen dieser Art sind
bekannt (deutsches Patent 539 299). Ein wesentlicher Nachteil dieser Brennkraftmaschinen
ist, daß sie einen verhältnismäßig großen Totraum aufweisen, der nicht vermieden
werden kann, weil das Abschließen der Zündkammer durch ein Ventil bewirkt wird.
Hinzu kommt, daß die Gefahr des Beschädigens von Ventil und Ventilstange besteht,
weil eine Kühlung dieser Teile nicht möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine
der vorstehend erwähnten Art so auszubilden, daß sie einen möglichst geringen Totraum
aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dafür zu
sorgen, daß im Verdichterzylinder gleichachsig zum Verdichterkolben ein Ausweichkolben
angeordnet ist, dessen Boden zusammen mit dem Boden des Verdichterkolbens und der
Innenwand des Zylinders eine Brennkammer bildet, und daß der Ausweichkolben den
Überströmkanal steuert. Durch diese Gestaltung läßt sich jeder Totraum vermeiden,
auch wenn gewisse Drosselverluste nicht zu vermeiden sind, hier überwiegt jedoch
der Vorteil, daß praktisch kein toter Raum vorhanden ist. Es empfiehlt sich, den
Ausweichkolben unter Wirkung einer Feder stehen zu lassen, deren Vorspannung einstellbar
ist. Hierdurch läßt sich die Bewegung dieses Ausweichkolbens in Abhängigkeit vom
Verdichtungsdruck genauso steuern wie dann, wenn der Ausweichkolben über einen Kurbel-,
Nocken- oder Exzentertrieb bewegbar ist, ohne daß anzutreibende Mittel vorgesehen
sein müssen. Weiterhin empfiehlt es sich, den Ausweichkolben mit einem Anschlag
zur Begrenzung des durch seine Feder bewirkten Hubes zu versehen. Diese Gestaltung
ermöglicht es auch, den Verdichtungsraum gut zu kühlen, so daß seine Wände sogar
in der Lage sind, Kompressionswärme aufzunehmen.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch die Brennkraftmaschine in der lotrechten
Ebene, in der die Verdichter- und Ausweichkolben liegen, F i g. 2 einen Querschnitt
durch die Brennkraftmaschine parallel zum Schnitt nach F i g. 1, gelegt durch den
Rotationskolbenverdichter, F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine,
F i g. 4 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise der Brennkraftmaschine.
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In dem Gehäuse 1 der Rotationskolben-Expansionsmaschine ist
zentrisch eine Welle 2 angeordnet, ihr eines Ende ist in einem Gehäusedeckel
3 gelagert (F i g. 3). Auf der Welle ist ein Rotationskolben 4 befestigt,
der einen Rotor 5 durchsetzt, welcher im Gehäuse 1 exzentrisch angeordnet
ist (F i g. 1). Der Rotor 5 ist einerseits in einem Lager 6 (F i g. 3) und andererseits
mit einem auf einen geringeren Durchmesser verjüngten Teil 5 a in einem Lager
7 eines Deckels 8 eine Gehäuses 9 montiert, das den Rotationskolbenverdichter
aufnimmt. Im Gehäuse 9 des Rotationskolbenverdichters ist auf dem Rotoransatz
5 a ein Exzenter 10 angeordnet (F i g. 2 und 3), welcher
ein Lager 11 und darauf einen Rotationskolben 12 trägt. Der Rotationskolben
12 weist eine Aussparung 13 auf, in die ein Führungsglied
14 eingreift. Im Gehäuse 9 des Rotationskolbenverdichters vorgesehene Öffnungen
15, 16 bilden den Eintritt bzw. Austritt aus dem Rotationskolbenverdichter.
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Die durchgehende Welle 2 ist im Bereich des Rotationskolbenverdichters
durch ein in einem Deckel 17 angeordnetes, durch diesen Deckel nach außen
abgeschlossenes Lager 18 und im Bereich der Rotationskolben-Expansionsmaschine
in einem Lager 19 gelagert, das nach außen durch einen Deckel 20 abgeschlossen ist.
Oberhalb des Gehäuses 1 und seitlich
des Gehäuses 9 befindet
sich ein Verdichter-Zylinder 21 mit Kurbelwanne 22 (F i g. 1 und 3).
Durch eine Kurbelwelle 23, die in geeigneter, an sich bekannter Weise mit der Welle
2 kraftschlüssig verbunden ist, wird über eine Pleuelstange 24 ein
im Zylinder 21 angeordneter Verdichter-Kolben 25 betätigt. In diesem
Verdichter-Zylinder 21 ist ferner ein Ausweichkolben.26 vorgesehen, der durch
eine Kolbenstange 27 im Zylinderdeckel 28 geführt ist und unter dem
Druck einer Feder 30 steht. Der Hub des Ausweichkolbens 26 ist durch einen
am freien Ende der Kolbenstange 27 festgelegten Anschlag 29
begrenzt.
Der Boden des Ausweichkolbens 26 bildet zusammen mit dem Boden des Verdichterkolbens
25
und der Innenwand des Zylinders 21 eine Brennkammer. Überströmkanäle
31 (F i g. 1 und 3) stellen die Verbindung zwischen dem Zylinder
21 und dem Gehäuse 1 der Rotationskolben-Expansionsmaschine her, während
die bereits erwähnte Austrittsöffnung 16 (F i g. 1) die Verbindung zwischen
dem Rotationskolbenverdichter und dem Hubkolbenverdichter herstellt. Die Kurbelwelle
23 wird von der Welle 2 im Verhältnis 1: 1 angetrieben.
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Der mit der Welle 2 verbundene Rotationskolben4 wirkt in seiner
Drehbewegung auf den Rotor (F i g. 3), indem er auf die vorzugsweise drehbar im
Rotorkörper gelagerte Rolle 32 drückt und damit seine Drehbewegung auf den
Rotor überträgt, wobei er sich gleichzeitig zur Vermeidung eines Reibungswiderstandes
und der dadurch erzeugten Wärme auf der Rolle abwälzt. Auf der der Rolle 32 gegenüberliegenden
Seite der für den Durchgang des Rotationskolbens 4 vorgesehenen Rotoröffnung weist
die Begrenzungswand 33 dieser Öffnung einen Knick 34 auf, der sich mit der Achse
der Rolle 32 auf etwa gleicher Höhe befindet, wobei die Anordnung der abgewinkelten
Wandteile 33 und 33 a so getroffen ist, daß sie mit dem Rotationskolben
Flächendichtungen bilden, wenn sich der Kolben schräg bzw. gerade durch die Rotoröffnung
erstreckt, während sich in den Zwischenstellungen eine Dichtung zwischen dem Rotationskolben
und dem Rotor am Knickpunkt und an der Rollenoberfläche ergibt. Sowohl am Knick
34
als auch an den Wandteilen 33 und 33a können Dichtungsleisten
35 vorgesehen werden. Ähnliche radiale Dichtungsleisten 36 werden
zweckmäßig auch an der Außenkante und den Seitenkanten des Rotationskolbens
4 angebracht. Schließlich ist zur Vermeidung schädlichen Raumes der Rotationskolben
mit einer in seiner Drehrichtung vorspringenden Nase 38 ausgestattet, die
in der unteren Endstellung des Rotationskolbens auf der Rolle 32 liegt. Die
Austrittsöffnung der Rotationskolben-Expansionsmaschine ist mit 37 bezeichnet.
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Die Deckel der Maschine sind mit Öffnungen 39
und
39 a versehen, durch welche ein auf der Welle 2
festgelegter, nicht
gezeichneter Ventilator einen Kühlluftstrom in Pfeilrichtung durch die Brennkraftmaschine
schicken und den Rotor 5 sowie den Rotationskolben 4 wirksam kühlen kann.
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Unter Bezugnahme auf die F i g. 4 a bis 4 g wird dieArbeitsweise derBrennkraftmaschine
nachstehend erläutert.
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Durch die Umlaufbewegung des Rotationskolbens 12 wird Luft
oder ein Gasgemisch durch die Öffnung 15 angesaugt, vorverdichtet und über
die Öffnung 16
in den Verdichtungs-Zylinder 21 gedrückt. Der Verdichterkolben
25 schließt bei 70° nach dem unteren Totpunkt diese Öffnung 16. Der
Rotationskolben 12 wird so gesteuert, daß er den Ausstoß der angesaugten und vorverdichteten
Luft beendet hat, wenn der Verdichterkolben 25 die Öffnung 16 schließt. Somit stehen
bei den hier gewählten Maßen 2 - 70° = 140° Kurbelwellenwinkel zum überströmen zur
Verfügung.
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Bei etwa 60° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt verdichtet der Verdichterkolben
25 etwa 1: 20. In dieser Stellung beginnt beim Betrieb als Selbstzündmotor
die Einspritzung des Kraftstoffes. Bei etwa 15° Kurbelwinkel beginnt sich die Expansion
durch Zündung bemerkbar zu machen mit dem entsprechenden Druckanstieg. Die Feder
des Ausweichkolbens 26 wird in diesem Fall so eingestellt, daß sie z. B. bei dem
Druck, der bei 45° Kurbelwinkel entsteht, nachgibt und den Ausweichkolben
26 zurückweichen läßt. Dadurch wird der überströmkanal31 zur Rotationskolben-Expansionsmaschine
freigegeben, so daß das sich ausdehnende Gas ausströmen kann. Zuerst befindet sich
allerdings der Rotationskolben 4 mit seiner Nase 38 vor dem überströmkanal
31 und versperrt sie. Nach etwa 20° Kurbelwinkel gibt er jedoch den überströmkanal
frei und das Gas strömt in Drehrichtung hinter den Rotationskolben 4
in den
Raum zwischen Gehäuse 1 und Rotor 5 ein. Schon bei 15° Kurbelwinkel
nach dem oberen Totpunkt des Verdichterkolbens 25 ist soviel Gas in den Expansionsraum
des Gehäuses 1 geströmt, daß der Druck zwischen den beiden Kolben 25 und 26 niedriger
ist als der, auf welchen die Feder 30 eingestellt ist. Somit wird der Ausweichkolben
26 von seiner Feder gegen den Verdichterkolben 25 gedrückt und preßt
so alle Brenngase aus dem Zylinder 21 heraus in den Expansionsraum des Gehäuses
1. Die vorher aufgewandte Kraft zur überwindung des Federdruckes wird nun
wieder in Arbeit umgewandelt. Als sogenannter schädlicher Raum ist lediglich der
überströmkanal31 vorhanden, welcher jedoch zum Expansionsraum in einem Größenverhältnis
wie 1:100 steht.
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Da der Druck, unter welchem der Ausweichkolben 26 zurückweicht,
durch Ändern der Vorspannung der Feder 30 einstellbar ist, kann die Brennkraftmaschine
mit jedem beliebigen Kraftstoff betrieben werden, so daß auch eine Vielstoff-Brennkraftmaschine
geschaffen ist.