DE2032459B2 - Rotationskolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Hubeingriff und Schlupfeingriff zwischen einem mit einer Abtriebswelle drehfest verbundenen Kolben, bestehend aus einer Kolbennabe und mindestens vier in der Kolbennabe beweglichen Kolbenschiebern, und einem Arbeitskammern umschließenden, Einlaß und Auslaß aufweisenden, stationären Gehäuse, in dessen Umfangswandung ein Brennkammersystem mit Zündeinrichtungen angeordnet ist, das über jeweils eine öffnung mit einer Verdichtungskammer und einer Expansionskammer in Verbindung steht.

~> Eine Brennkraftmaschine dieser Gattung ist aus der FR-PS 769228 bekannt. Aufbau und Funktion sind so getroffen, daß zwecks Energieumsetzung der Füllung des Gesamtvolumens die Antriebswelle einschließlich des Rotors eine Umdrehung von 360" be-

K) nötigt. Bei einem einzigen Arbeitszyklus kann die Füllung lediglich nur 25% des gesamten Hubvolumens betragen, da zwischen den einzelnen Kolbenschiebern radial nur ein Raum von 90° verbleibt und lediglich zwei sichelförmige Arbeitskammem bei ei- > nem Eingriff von 4 Kolbenschiebern vorgesehen sind. Das ohne Synchronlauf einseitig erzeugte Drehmoment ist vergleichsweise klein.

Aufgabe der Erfindung ist, für eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine eingangs genannter Art bei

2» kompakter Bauweise insbesondere bei kleiner Drehzahl ein großes Drehmoment zu ermöglichen.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch folgende Merkmale:

a) eine mit der Kolbennabe drehfest umlaufende > > Steuerscheibe enthält mit den Arbeitskammern in Verbindung siehende Steueröffnungen und steuert die im Gehäuseseitenteil befindlichen Einlaß- und Auslaßöffnungen auf und zu,

b) das Brennkammersystem besteht aus zwischen ίο den taschenförmigen Arbeitskammem angeordneten Drehschiebern, deren Hohlräume jeweils als Brennkammer mit Zündeinrichtung ausgebildet sind und die um ihre Längsachse jeweils eine gesteuerte Schwenkbewegung ausführen,

r> derart, daß eine im Drehschieber befindliche Durchlaßöffnung über die Durchlaßlanglöcher in der Gehäuseumfangswandung mit der jeweiligen Verdichtungskammer bzw. Expansionskammer wechselweise verbindbar ist,

c) die Schwenkbewegung der Drehschieber wird durch Steuerrollen bewirkt, die bezüglich der Drehschieberachse außermittig an dem der Steuerscheibe abgewandten Ende des Drehschiebers angeordnet sind und axial in eine mit 4-1 der Kolbennabe drehfest verbundene Kurvenscheibe eingreifen, und

d) die diametral gegenüberliegenden Kolbenschieber sind außermittig parallel und symmetrisch zur Abtriebswelle angeordnet und bilden somit »ο Kolbenschieberpaare, die jeweils nur Ansaug-Ausstoß-Funktionen und Expansions-Verdichtungs-Funktionen erfüllen.
Ein derartiger Rotationskolbenmotor weist wenige Einzelteile auf, die mehr Aufgaben eines Arbeitsspiels » exakter erfüllen, als dies bei der bekannten Brennkraftmaschine während einer Kolbennaben- bzw. Abtriebswellenumdrehung der Fall ist. Die Kolbennabe und die Abtriebswelle brauchen je nach der Anzahl der Kolbenschieberpaare bzw. Taschen oder Arbeitsbo kammern im Gehäuse nur den der Anzahl dieser Kolbenschieberpaare bzw. Arbeitskammem oder Taschen entsprechenden Bruchteil einer Umdrehung zu durchlaufen, um die gesamte Füllung des Gesamtarbeitsraums in Energie umzuwandeln. Der Gesamtarb^r) beitsraum ist die Summe der Volumen sämtlicher Taschen oder Arbeitskammem im Gehäuse, d. h. der Gesamtarbeitsraum ist derjenige Raum, der bei einer vollständigen Umdrehung der Kolbennabe von einem

in keiner Richtung geteilten Kolbenschieber in dessen Breite durchlaufen wird. Wenn vier Arbeitskammern oder Taschen und zwei Kolbenschieberpaare vorgesehen sind, erfolgt ein vollständiger Vf-rbrennungszyklus des Gesamtarbeitsrauminhalts bei einer halben Umdrehung der Kolbennabe bzw. der Welle. Hierdurch wird eine wesentliche Verringerung der Drehzahl bei gleicher Leistung, größerer Laufruhe, geringerem Verschleiß erreicht. Die Rotationskolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung zeichnet sich ferner durch eine bessere Gemiscbaufbereitung aus, wobei die Abgase ohne Spülverluste ausgeschoben werden und der Verbrennungsablauf steuerbar ist. Die entstehenden Abgase sind weitgehend frei von unverbrannten Anteilen. Weitere Vorteile gemäß der Erfindung bestehen darin, daß der Kompressionsablauf steuerbar ist und der Zündzeitpunkt überaus genau eingestellt werden kann, wobei es gegebenenfalls möglich ist, die Zündung bereits einzuleiten, wenn die vom Drehschieber gebildete Zündkammer noch geschlossen ist. Die radial-parallelen Schlitze, in denen die Kolbenschieber geführt sind, können sich seitlich neben der Antriebswelle bis über die Mittelachse der Welle hinaus in das Innere der Kolbennabe erstrekken. Hierdurch wird eine erhebliche Reduzierung des Raumbedarfs der Maschine erreicht. Die Maschine gemäß der Erfindung hat so geringen Raumbedarf, daß sie beispielsweise bei einem Automobil ohne weiteres zum Einzelradantrieb verwendet werden kann. Die Taschen, Kolbenschieber und Drehschieber sind paarweise einander diametral gegenüberliegend ungeordnet, wobei die einander diametral gegenüberliegenden Teile beim Umlauf jeweils gleiche Funktionen, Bewegungen usw. ausführen und somit auch die Drehmomenterzeugung gleichzeitig auf einander gegenüberliegende Kolbenschieberrückseiten wirkt, so daß eine hervorragende Laufruhe der Maschine gemäß der Erfindung erreicht wird, da alle Kräfte symmetrisch zur Abtriebsachse der Maschine auftreten. Die radial abgedichtete Steuerscheibe führt die Füllung mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch und den Ausstoß der Abgase während mehr als 80% des gesamten Arbeitszykluswegs durch.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Kurvenscheibe zugleich Zündstromverteilerkontakte trägt. Ein gesonderter Verteiler ist also bei der Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung nicht erforderlich, und dennoch wird eine überaus exakte Steuerung des Zündzeitpunkts erreicht.

Insgesamt funktioniert somit die erfindungsgemäße Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach einem äußerst rationellen, umlaufenden Arbeitsablauf system.

Eine Auf- und Zusteuerung von Einlaß und Auslaßöffnungen [vgl. Erfindungsmerkmal a) ] ist zwar aus der US-PS 2357333 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung beschreibt einen Flüssigkeitsdruckapparat, der z. B. eine radiale sich gegenüberliegende, sehr raumaufwendige Ein- und Auslaß-Anordnung besitzt und dessen Gehäusebackenplatten stationäre Überströmöffnungsträger sind. Beim nach einem umlaufenden Arbeitsablaufsystem arbeitenden Erfindungsgegenstand ist jedoch die Steuerscheibe, welche Schließ- und Öffnungsaufgaben erfüllt, ein sich mitdrehendes Steuerelement, wodurch in Verbindung mit den Ein- und Auslaßöffnungen im Gehäuse völlig andere Aufgaben erfüllt werden.

Drehschieber, deren Hohlräume als Brennkam-

mern mit Schlitzausbildungen zu den Arbeitskammern [vgl. Erfindungsmerkmal b)] hin ausgebildet sind, sind allgemein bekannt, z. B. aus der DE-PS 687573. Die bekannte Brennkraftmaschine weist jedoch nur einen einzigen Drehschieber auf und benötigt für einen Arbeitsablauf »Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen« 180° Abtriebswellenumdrehung. Demgegenüber wird der gleiche Ablauf bei der Erfindung bei einer Drehbewegung der Abtriebswelle um 90° vollzogen, wodurch sich gerade ein Umlaufen des Arbeitsablaufsystems mit einer äußerst rationellen Arbeitsweise (im Gegensatz zu der Vorrichung nach DE-PS 687573) ergibt.

Diametral gegenüberliegende Kolbenschieber [vgl. Erfindungsmerkmal d)], die außermittig parallel und syip metrisch zur Abtriebswelle angeordnet sind, sind beispielsweise aus der FR-PS 1395435 bekannt. Bei dieser Veröffentlichung handelt es sich jedoch um eine Vorrichtung, dessen Rotor durch Druckenergie von einem Fremderzeuger in Rotationsbewegung gebracht wird, wobei keine Zündeinrichtung vorgesehen ist, wie dies bei Brennkraftmaschinen der in Frage stehenden Gattung der Fall ist. Auch weist die bekannte Maschine immer drei Arbeitskammern auf, durch die entsprechende Kolbenschieberpaare zum Umlauf getrieben weiden, während die Mindestzahl der Arbeitsräume des Erfindungsgegenstands vier beträgt und gerade dadurch der rationelle umlaufende Synchronbetrieb mit doppelter Drehmomenterzeugung bewirkt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 zum Teil in Ansicht und zum Teil im Axialschnitt ein Ausführungsbeispiel der Rotationskolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie Y-Z in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht des Ein- und Auslaßgehäuses von der Innenseite der Maschine aus gesehen,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die dem Ein- und Auslaßgehäuse benachbarte Seite der Steuerscheibe,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Kurvenscheibe zur Steuerung der Drehung der Drehschieber, wobei auch die Steuerrollen der Drehschieber dargestellt sind.

Innerhalb eines Gehäusemantels 1 (Fig. 2), dessen zylindrische Bohrung durch Arbeitskammern a bildende Taschen unterbrochen ist, dreht sich eine Kolbennabe 2, über dessen Länge sich parallel zur Drehachse, jedoch zu dieser exzentrisch, d. h. radialparallel versetzt, vier Schlitze erstrecken. Diese Schlitze sind, wie insbesondere aus Fig. 2 erkennbar ist, so weit seitlich zur Drehachse der Abtriebswelle versetzt, daß sich der Schlitzboden jenseits der Mittelachse der Abtriebswelle seitlich neben derselben befindet, so daß die beim dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehenen vier Schlitze also die Abtriebswelle von allen vier Seiten her nahezu vollständig umgreifen. Hierdurch werden der Durchmesser der Kolbennabe 2 und folglich der erforderliche Gesamtdurchmesser der Maschine wesentlich kleiner als bei bekannten Rotationskolbenmaschinen, bei denen der Boden des Schlitzes an der Peripherie der Abtriebs-WeII? liegt. Das Ergebnis ist eine wesentliche Verkleinerung des Bauvolumens der Maschine und eine Verbesserung des Leistungsgewichts.

In den Schlitzen sind mit ihrem einen Ende Kolbenschieber 3 radial verschieblich angeordnet, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel federnd gela-

gert sind, in den Hubrichtungen auch Zwangsführungenbesitzen und an der Innenwand des Gehäusemantels 1 entlanggleiten. Die Anzahl der Kolbenschieber 3 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel gleich der Anzahl der Taschen oder Arbeitskammern a. Das eine diametral gegenüberliegende KoI-benschieberpaar wirkt einerseits als Arbeitskolbenschieber 3 auf ihrer Rückseite und andererseits gleichzeitig als Verdichtungskolbenschieber 3 auf ihrer Vorderseite. Dabei strömt aus zwei von hohlzylindrischen Drehschiebern 4 gebildeten Zündkammern, die in Aufnahmebohrungen b im Gehäusemantel 1 schwenkbar gelagert sind, durch deren Durchlaßöffnung c und durch deckungsgleiche Durchlaßlanglöcher im Gehäusemantel 1 expandierendes Gas auf zwei sich gegenüberliegende Kolbenschieberrückseiten 3. Die Vorderseiten desselben Kolbenschieberpaars drücken gleichzeitig ein Brennstoff-Luft-Gemisch in die beiden anderen Drehschieber-Brennkammern durch das Durchlaßlangloch dl, wobei der Zeitpunkt des Überströmens durch entsprechende Schwenkverzögerung der Drehschieber 4 mittels einer Kurvenscheibe 11 so verzögert werden kann, daß:

1. eine Vorverdichtung in der von den Taschen gebildeten Arbeitskammern α in dem Maße erfolgt, wie es für die günstigste Verbrennungsablaufzeit in der Brennkammer im Drehschieber 4 nötig ist; erst dann wird die Durchlaßöffnung c der Brennkammer im Drehschieber 4 zum Überströmen des Gases mit dem Durchlaßlang-Ioch dl zur Deckung gebracht; und

2. analog zum Verdichtungsvorgang die Zeit für die Druckerhöhung während des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer in den Drehschieber 4 ebenfalls durch das Zusammenwirken von Kurvenscheibe und Drehschieber-Brennkammer steuerbar ist.

Das andere Paar diametral gegenüberliegender Kolbenschieber 3 wirkt gleichzeitig als Ein- und Auslaßkolbenschieberpaar, und zwar im Zusammenwirken ausschließlich mit einer sich mit der Kolbennabe 2 und der Abtriebswelle drehenden Steuerscheibe 5, während das erstgenannte Arbeits- und Verdichtungskolbenschieberpaar ausschließlich mit den Drehschiebern 4 zusammen arbeitet. Auf der Vorderseite des Ein- und Auslaßkolbenschieberpaars 3 wird Abgas über die Steueröffnungen g durch die Auslaßöffnung e gedrückt und auf der Kolbenschieberrückseite wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch die Einlaßöffnung / und Steueröffnung h angesaugt. In einem eine Stirnseite des Gehäuses bildenden, neben der Steuerscheibe 5 angeordneten Ein- und Auslaßgehäuse 6 (Fig. 1 und 3) befinden sich die entsprechenden Ein-und Auslaßöffnungen /und e, die radial gegeneinander gasdicht getrennt und in ihrer Schlitzlänge so dimensioniert sind, daß das Ansaugen und Ausstoßen sich jeweils nahezu über den ganzen Arbeitszyklusweg erstreckt, der hier nach der Tätigkeit beider Kolbenschieberpaare 90°, d. h. ein Viertel der Kolbennabenumdrehung beträgt. Es werden während dieses Vorgangs 50% der möglichen Arbeitskammergasfüllung in Energie umgesetzt. Beim Durchfahren der restlichen zwei Taschen in der beschriebenen Form wird also der gesamte Rauminhalt für alle Arbeitskammern α bei nur einer halben Umdrehung, d. h. 180° Abtriebswellenumdrehung durch diese Konstruktion zur Erzeugung von Energie ausgenutzt. Die Weglängen für die fünf Vorgänge, nämlich Zün-

den, Expandieren, Verdichten, Einlassen und Ausstoßen, im Gegensatz zu den Vorgängen beim Viertaktmotor, sind, einzeln betrachtet, auf den Gesamt-Arbeitszyklusweg bezogen, um ein Vielfaches länger. Sie sind außerdem zueinander steuerbar, ähnlich wie es nachfolgend noch im Zusammenhang mit dem Zünden erläutert wird.

Zur gesteuerten Hin- und Herschwenkung der die Brenn- bzw. Zündkammern bildenden Drehschieber 4 in den Aufnahmebohrungen b sind an einem Ende der Drehschieber-Zündkammern auf einer Rollenscheibe 9 jeweils zwei Steuerrollen 10 befestigt, die in entsprechenden Kurvenbahnen der Kurvenscheibe

11 (siehe insbesondere Fig. 5) geführt sind, die sich mit der Abtriebswelle dreht. Die Kurvenbahnen sind derart ausgebildet, daß sie die Drehschieber 4 übei die Steuerrollen 10 jeweils im entsprechenden Augenblick um etwa 90° hin- und herdrehen, so daß die Durchlaßöffnung c im Drehschieber 4 mit der Durchlaßlanglöchern d bzw. dl zwischen den Drehschiebern 4 und den Taschen α zur Deckung kommen.

Ander Zündungsseite des Gehäuses ist eine Kappe

12 aus Isolierwerkstoff angeordnet, unter der die Unterbrecher U und weitere Teile der Zündstromversorgung angeordnet sind. Die Zündspulen sind mit Z-Sp und der Kondensator mit Ko bezeichnet. Ein gesonderter Verteiler ist nicht erforderlich, weil die Zündstromverteilerkontakte an der Kurvenscheibe 11 angeordnet sind. Hierdurch ist eine überaus genaue Steuerung des Zündzeitpunkts in der Drehschieber-Zündkammer in Verbindung mit der Wirkungsweise der Kurvenscheibe 11 bis zum Explosionspunkt möglich. Man erkennt, daß bei einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung sich sämtliche Teile zentrisch und synchron zur Gehäuseachse bewegen, so daß keine unwuchtigen Kräfte wirken und ein ruhiger Lauf erreicht wird. Gegenüber bekannten Maschinen sind keine Ausgleichsgewichte erforderlich und Überströmkanäle herkömmlicher Form fallen bei der vorliegenden Konstruktion ebenfalls fort.

Die sich mit der Abtriebswelle drehende Steuerscheibe 5 (Fig. 4) bildet eine Stirnwand der von den Taschen gebildeten Arbeitskammern α und steuert mit ihren Steueröffnungen h, g vor bzw. hinter nur einem Kolbenschieberpaar den Ein- und Auslaßvorgang des Gemisches bzw. der Abgase. Sie erfüllt außerdem die Funktion einer Schwungscheibe und hat in Verbindung mit der hohlen Abtriebswelle Funktionen im Rahmen der Zentralschmierung. Die Vorteile sind, daß keine Ventile mit Steuerelementen und Zahnrädern erforderlich sind, eine bessere Füll- und Auslaßmöglichkeit und eine Nachverbrennung der Abgase erfolgen kann.

Die Drehschieber-Zündkammern, von denen je Tasche eine vorgesehen ist, liegen zwischen den Taschen und erfüllen auf diametral einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäusemantels 1 jeweils gleiche Funktionen. Die Zündvorrichtungen in den Drehschieber-Zündkammern gestatten dank der Ausbildung als Drehschieber die Verbrennungseinleitung des verdichteten Gasgemisches in der räumlichen Mitte der als Hohlzylinder ausgebildeten Drehschieber-Zündkammern. Je zwei Drehschieber 4 erfüllen gleichzeitig und einander diametral gegenüberliegend folgende Aufgaben:
a) Aufnahme des verdichteten Brennstoff-Luft-Gemisches außerhalb der Arbeitskammern α im

Drehschieber 4, der die Zündkammer und die Zündkerzen enthält;

b) Einleitung der Verbrennung in der zwischen den Taschen abgeschlossen gelagerten Drehschieber-Zündkammer;

c) zeitliche Steuerungsmöglichkeit der größten Expansionswirkung auf die Kolbenschieber 3;

d) Umwandlung der gesamten Füllung des Gesamtarbeitsraums in Energie bei einem der Anzahl der Kolbenschieberpaare entsprechenden Bruchteil einer vollständigen Umdrehung der Kolbennabe 2 in Zusammenwirkung mit der Steuerscheibe 5, der Kurvenscheibe 11 sowie den Kolbenschiebern 3.

Die Kurvenscheibe 11 erfüllt Steuerungsaufgaben für die Drehschieberschwenkung, ist gleichzeitig Verteilerelement für die Zündstromzuteilung und besitzt auch Schwungscheibeneigenschaften. Dank ihrer Größe und Ausbildung gestattet sie eine bessere Ein-

stellung des Zündzeitpunkts. Auf diese Weise kann der Arbeitsablauf, insbesondere in Zusammenwirkung mit der Steuerscheibe 5 exakter durchgeführt werden und es entstehen weniger giftige Abgase.

In der Steuerscheibe 5 sind die Ein- und Auslaßöffnungen h und g nur jeweils hinter und vor den Kolbenschiebern des Ansaug- und Ausstoßkolbenschieberpaars so angeordnet, daß sie während etwa 80 bis 90% des gesamten Arbeitszykluswegs wirksam sind. Bei der Viertakt-Hubkolbenmaschine beträgt dieser Wirksamkeitsweg nur ca. 20% des Arbeitszykluswegs.

Die Kappe 12 ist zugleich Verteilerkappe. Sie nimmt außerdem die Zündspulen und die Kondensatoren auf und trägt die Elemente zur Stromversorgung, wie Leitungen und Unterbrecheraufnahrr.en, in sich. Durch ihren großen Durchmesser ist eine exaktere 2Lündzeitpunkt-EinsteIlung möglich und lose Leitungen und Kabel in herkömmlichem Sinne entfallen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Hubeingriff und Schlupfeingriff zwischen einem mit einer Abtriebswelle drehfest verbundenen Kolben, bestehend aus einer Kolbennabe und mindestens vier in der Kolbennabe beweglichen Kolbenschiebern, und einem Arbeitskammern umschließenden, Einlaß und Auslaß aufweisenden, stationären Gehäuse, in dessen Umfaingswandung ein Brennkammersystem mit Zündeinrichtungen angeordnet ist, das über jeweils eine Öffnung mit einer Verdichtungskammer und einer Expansionskammer in Verbindung steht, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine mit der Kolbennabe (2) drehfest umlaufende Steuerscheibe (5) enthält mit den Arbeitskammem (α) in Verbindung stehende Steueröffnungen (A bzw. g) und steuert die im Gehäuseseitenteil (6) befindlichen Einlaß- und Auslaßöffnungen (J und e) auf und zu,

b) das Brennkammersystem besteht aus zwischen den taschenförmigen Arbeitskammern (α) angeordneten Drehschiebern (4), deren Hohlräume jeweils als Brennkammer mit Zündeinrichtung ausgebildet sind und die um ihre Längsachse jeweils eine gesteuerte Schwenkbewegung ausführen, derart, daß eine im Drehschieber (4) befindliche Durchlaßöffnung (c) über die Durchlaßlanglöcher (d, dl) in der Gehäuseumfangswandung mit der jeweiligen Verdichtungskammer bzw. Expansionskammer (a) wechselweise verbindbar ist,

c) die Schwenkbewegung der Drehschieber (4) wird durch Steuerrollen (10) bewirkt, die bezüglich der Drehschisberachse außermittig an dem der Steuerscheibe (5) abgewandien Ende des Drehschiebers (4) angeordnet sind und axial in eine mit der Kolbennabe drehfest verbundene Kurvenscheibe (11) eingreifen, und

d) die diametral gegenüberliegenden Kolbenschieber (3) sind außermittig parallel und symmetrisch zur Abtriebswelle angeordnet und bilden somit Kolbenschieberpaare, die jeweils nur Ansaug-Ausstoß-Funktionen und Expansions-Verdichtungs-Funktionen erfüllen.

2. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe (11) Zündstromverteilerkontakte trägt.