DE3919168A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere eine Kolben-Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 02 709 ist eine Kolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderläufer bekannt, der in einem die Maschinenbasis bildenden Gehäuse um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Der Zylinderläufer enthält vier Zylinder, die um 90° gegen­ einander winkelversetzt um die Drehachse des Zylinder­ läufers paarweise koaxial mit senkrecht zur Drehachse verlaufender Zylinderachse angeordnet sind. In den Zylindern sind Kolben verschiebbar angeordnet, die wiederum paarweise durch Kolbenstangen starr miteinander verbunden sind. Gleichachsig zum Zylinderläufer ist in dem Gehäuse eine Kurbelwelle gelagert, deren Kurbelarm drehbare Exzenterscheiben trägt, die ihrerseits in Lageröffnungen der Kolbenstangen drehbar gelagert sind. Die Exzentrizität der Exzenterscheiben ist gleich der Exzentrizität des Kurbelarms der Kurbelwelle gewählt. Bei Rotation des Zylinderläufers und der Kurbelwelle bewegen sich die Kolbenpaare auf einer geradlinigen Bahn durch die Drehachse des Zylinderläufers. Brennkraft­ maschinen dieses Typs haben vergleichsweise niedrige Kolbengeschwindigkeiten bei niedriger Drehzahl des Zylinderläufers und haben hohe Leistung bei vergleichs­ weise kleinem Bauvolumen. Sie haben darüberhinaus nur geringe Unwucht.

Bei der vorstehend erläuterten Brennkraftmaschine muß der Zylinderläufer mit einer Drehzahl rotieren, die gleich der halben Kurbelwellendrehzahl ist. Der Zylinder­ läufer ist hierzu über ein Planetengetriebe mit der Kurbelwelle drehfest gekuppelt. Das Planetengetriebe hat ein auf der Kurbelwelle sitzendes Sonnenrad mit vergleichsweise geringem Durchmesser, das das gesamte Reaktionsmoment des Zylinderläufers aufnehmen muß und dementsprechend groß bemessen sein muß. Es hat sich gezeigt, daß das Planetengetriebe bei ausreichender Dimensionierung einen beachtlichen Teil des Bauvolumens der Brennkraftmaschine einnimmt.

Bei einer Brennkraftmaschine des vorstehend erläuterten bekannten Typs entspricht der Kolbenhub dem Vierfachen der Exzentrizität der Exzenterscheiben bzw. des Kurbel­ arms der Kurbelwelle. Da der Kolbenhub aus brenntechni­ schen und konstruktiven Gründen nicht beliebig groß gemacht werden kann, sind der Exzentrizität der Exzenter­ scheiben bzw. des Kurbelarms konstruktive Grenzen gesetzt, die nicht überschritten werden können. Anderer­ seits benötigt auch die doppelte Lagerung der Exzenter­ scheibe am Kurbelarm einerseits und an der Kolbenstange andererseits gewissen Bauraum, der in erster Linie nur durch Schwächung des Kurbelarmdurchmessers bereitge­ stellt werden kann. Die Schwächung des Kurbelarms begrenzt jedoch die von der Brennkraftmaschine maximal erzeugbare Leistung.

Aus der DE-OS 25 36 739 ist eine ähnliche Brennkraftma­ schine mit Zylinderläufer und zwei um 90° um die Dreh­ achse des Zylinderläufers herum winkelversetzten Zylin­ derpaaren bekannt, die sich von der Brennkraftmaschine der DE-OS 25 02 709 in erster Linie dadurch unterschei­ det, daß die Kurbelwelle nicht gleichachsig, sondern achsparallel exzentrisch zur Drehachse des Zylinderläu­ fers angeordnet ist. Auch bei dieser Brennkraftmaschine wird der Zylinderläufer über ein Zahnradgetriebe von der Kurbelwelle aus zwangsangetrieben, so daß sich die vorstehenden konstruktiven Nachteile ergeben.

Schließlich ist es aus MTZ 30 (1969) 4, Seiten 142 bis 144 bekannt, eine Brennkraftmaschine des vorstehend erläuterten Typs nicht nur mit zwei Zylinderpaaren, sondern als 6-Zylindermotor aufzubauen. Aber auch bei dieser Brennkraftmaschine ist der Zylinderläufer über ein Planetengetriebe mit der Kurbelwelle gekuppelt, und die Kolbenstangen der einzelnen Kolben sind über Exzen­ terscheiben an der Kurbelwelle geführt, die sowohl am Kurbelarm der Kurbelwelle als auch in der Kolbenstange drehbar gelagert sind. Auch hier ergeben sich die vorstehenden Nachteile.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenmaschine, insbesondere eine Kolben-Brennkraftmaschine mit Zylinder­ läufer zu schaffen, die bei kleinem Bauvolumen und einfacher Konstruktion für eine hohe Leistung bemessen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzei­ chen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine hat einen Zylinder­ läufer mit drei um 120° gegeneinander um die Drehachse des Zylinderläufers herum winkelversetzten Zylinderpaa­ ren. Die in den Zylinderpaaren verschiebbaren, durch Kolbenstangen starr miteinander verbundenen Kolbenpaare werden von Exzenterlagern einer Kurbelwelle geführt, deren Drehachse um eine vorbestimmte Exzentrizität gegen die Drehachse des Zylinderläufers achsparallel versetzt ist. Die Exzenterlager definieren drei relativ zur Kurbelwelle feststehende Drehachsen, die ihrerseits um die Drehachse der Kurbelwelle herum gegeneinander um 120° winkelversetzt sind. Auf diese Weise wird erreicht, daß jedes Kolbenpaar selbst dann relativ zu der Exzenter­ achse drehfest an dem Zylinderläufer abgestützt ist, wenn seine Exzenterachse mit der Drehachse des Rotors momentan zusammenfällt. Die Abstützung erfolgt ausschließ­ lich über die beiden anderen Kolbenpaare, ohne daß der Zylinderläufer zusätzlich über ein Zahnradgetriebe oder dergleichen mit der Kurbelwelle drehmomentfest gekuppelt sein müßte. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine kann deshalb um den Platzbedarf des bei herkömmlichen Kolben­ maschinen dieses Typs erforderlichen Getriebes kleiner bemessen werden. Da darüberhinaus die Exzenterlager relativ zur Kurbelwelle feststehende Drehachse definieren, müssen die Kolbenstangen nicht über Doppellager an einem Kurbelarm der Kurbelwelle geführt werden. Die Kurbelwelle ist damit nicht den eingangs erläuterten Abmessungsbeschränkungen unterworfen, so daß die erfindungsgemäße Kolbenmaschine problemlos auch für höhere Leistungen bemessen werden kann. Die erfindungs­ gemäße Kolbenmaschine kann als Verdichter ausgebildet sein; vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine Brennkraftmaschine.

Schließlich ist von Vorteil, daß jedes der drei Kolben­ paare in jeder der Winkelstellungen des Zylinderläufers stabil an der Kurbelwelle geführt ist, dies mindert Drehresonanzen, wie sie bei herkömmlichen Brennkraftma­ schinen mit Zylinderläufer und doppelt gelagerten Ausgleichsexzentern der Kurbelwelle auftreten können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Exzenterlager fest mit der Kurbelwelle verbundene Exzenter-Kreisscheiben, die drehbar in Lageröffnungen der Kolbenstangen sitzen. Um den Kurbelwellenquerschnitt ausreichend groß bemessen zu können, ist der Lagerkreis­ radius der Exzenter-Kreisscheiben zweckmäßigerweise größer als ihre Exzentrizität. Um vergleichsweise hohe Kolbenkräfte aufnehmen zu können, wird ein möglichst großer Lagerkreisdurchmesser der Exzenterlager angestrebt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Kolbenma­ schine bei Drehantrieb des Zylinderläufers, beispiels­ weise aufgrund des Schwungmoments des rotierenden Zylin­ derläufers selbsthemmend blockiert, wenn der Lagerkreis­ durchmesser der Exzenter-Kreisscheiben oder die Abmessun­ gen der Kolben in Umfangsrichtung des Zylinderläufers über vorbestimmte Werte hinaus vergrößert werden. Aufgrund der Kniehebelwirkung der in den Lageröffnungen der Kolbenstangen geführten Exzenter-Kreisscheiben hat jedes der Kolbenpaare bei Belastung durch den Zylinder­ läufer einen Kurbelwellen-Winkelbereich, in welchem Selbsthemmung eintreten würde, wenn es nicht durch die Zwangsführung der beiden anderen Kolbenpaare nachgeführt würde. Der Lagerkreisdurchmesser der Exzenter-Kreisschei­ ben bzw. die Abmessungen der Kolben in Umfangsrichtung des Zylinderläufers werden so bemessen, daß der Selbst­ hemmungs-Winkelbereich der einzelnen Kolbenpaare jeweils kleiner ist als 60°. Die Wahl der Abmessungen hängt hierbei von den Reibungskoeffizienten des Exzenterlagers bzw. des Kolbens im Zylinder sowie der Exzentrizität der Exzenterlager ab.

In einer bevorzugten Ausgestaltung haben die Kolben Polygonquerschnitt und insbesondere Rechteckquerschnitt. Dies hat den Vorteil, daß die Abmessungen der Kolben in Umfangsrichtung zur Minderung von Selbsthemmungseffekten vergleichsweise klein bemessen werden können und sich auch insgesamt eine raumsparende Bauweise ergibt.

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, müssen die Brenn­ gase sehr hohe Temperatur haben. Zumindest die Kolben, gegebenenfalls aber auch die Zylinderinnenflächen bestehen deshalb vorzugsweise aus Keramikmaterial, welches sich aufgrund der kompakten Bauweise der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine auch bei höheren Drehzahlen einsetzen läßt.

Aufgrund der Bauweise der Kolbenmaschine entstehen in den Brennräumen keine hohen Druckspitzen, wodurch auch die Abdichtung der Kolben einfacher beherrschbar wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind in Nuten der Polygonseitenflächen der Kolben Dichtleistungsabschnitte eingesetzt, die sich im Bereich der Polygonecken in ihrer Dichtwirkung überlappen.

In einer insbesondere für Kolben mit Rechteckquerschnitt geeigneten Ausgestaltung hat der Zylinderläufer eine zylindrische Umfangswand, zu der die Zylinder im wesent­ lichen über ihren gesamten Querschnitt offen sind. Die Form der Kolbendächer folgt der Zylinderkontur der Umfangswand, so daß die Kolbendächer in der radial äußeren Totpunktstellung im wesentlichen bündig mit der Umfangswand des Zylinderläufers abschließen. Auf diese Weise läßt sich herstellungstechnisch einfach ein sehr geringes Totraumvolumen erzielen, was insbesondere von Vorteil ist, wenn, wie nachstehend noch erläutert wird, die Frischladung über einen Verdichter verdichtet zugeführt wird. Für den Ladungswechsel können in der die Umfangswand des Zylinderläufers eng umschließenden Wand eines Gehäuses wenigstens eine Gaseinlaßöffnung und wenigstens eine Gasauslaßöffnung vorgesehen sein. Die Gaseinlaßöffnung und die Gasauslaßöffnung können sich dann über vergleichsweise große Winkelbereiche der Zylinderläuferbewegung erstrecken, um auch bei vergleichs­ weise niedrigen Gasdrücken eine ausreichende Füllung und Entleerung zu erreichen.

Die Brennräume der Zylinder können nachfolgend an die radial äußere Totpunktstellung der Kolben mit vorverdich­ tetem Gemisch gefüllt und innerhalb der Brennräume im Winkelabstand von der radial äußeren Totpunktstellung gezündet werden. Dies hat den Vorteil, daß Druckspitzen im Winkelabstand von der radial äußeren Totpunktstellung erzeugt werden, was die Belastung der Kurbelwelle mindert. Alternativ kann aber auch eine feststehend in dem Gehäuse angeordnete Brennkammer vorgesehen sein, in der vorverdichtetes Brennstoff-Luft-Gemisch außerhalb der Zylinder fremdgezündet wird, um dann erst über die Gaseinlaßöffnung in den Zylinder eingeführt zu werden. Zweckmäßigerweise wird die Frischluft über ein Rückschlag­ ventil in die Brennkammer eingeführt, um den Verdichter vom Brenndruck der gezündeten Brenngase zu entlasten. Auch hier werden die gezündeten Brenngase zweckmäßiger­ weise im Winkelabstand von der radial äußeren Totpunkt­ stellung dem Zylinder zugeführt.

Der Wirkungsgrad einer derartigen Brennkraftmaschinen- Verdichter-Einheit läßt sich erhöhen, wenn die Gasauslaß­ öffnung der Brennkraftmaschine mit einem Wärmetauscher verbunden ist, der die im Gaszuleitungsweg vom Verdichter zur Gaseinlaßöffnung strömende, verdichtete Frischluft bzw. das verdichtete Brennstoff-Frischluftgemisch erwärmt. Zweckmäßigerweise bildet der Wärmetauscher einen Wandteil des Gehäuses im Bereich der Gasauslaßöff­ nung. Auf diese Weise läßt sich der vergleichsweise große Gasauslaßwinkel der Brennkraftmaschine für eine effiziente Wärmerückgewinnung nutzen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Wärmetauscher einen Tauscherkörper mit an die Gasauslaßöffnung an­ schließenden, etwa radial zur ersten Drehachse verlaufen­ den ersten Kanälen und mit im wesentlichen in Tangential­ richtung des Zylinderläufers verlaufenden, vom Verdichter zur Gaseinlaßöffnung führenden zweiten Kanälen. Der zweckmäßigerweise unmittelbar an dem Gehäuse angeflansch­ te Wärmetauscher nutzt die Abgase ohne wesentliche Querschnittsverengung und Strömungsverluste, so daß die Abgase nachfolgend noch für den Betrieb einer den Verdichter treibenden Abgasturbine ausgenutzt werden können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Ableitung der in dem Zylinderläufer erzeugten Wärme. Der Zylinder­ läufer hat zu diesem Zweck an wenigstens einer seiner Seitenwände ringförmige, zueinander koaxiale Kühlrippen, zwischen die komplementäre, von der gegenüberliegenden Seitenfläche des Gehäuses abstehende, ringförmige Kühlrippen des Gehäuses greifen. Die Kühlrippen bilden durch ihre vergrößerte Oberfläche ein die Wärme vom Zylinderläufer auf den Motorblock übertragendes Labyrinth. Das Labyrinth ist zweckmäßigerweise an den Schmierölkreis­ lauf der Brennkraftmaschine angeschlossen, um die Kühlleistung zu erhöhen. Das Gehäuse kann in üblicher Weise luft- oder wassergekühlt sein und damit auch zugleich die Kühlung des durch das Labyrinth fließenden Öls mit übernehmen. Eine am Übergang des Außenmantels des Zylinderläufers in das Kühlrippenlabyrinth angebrach­ te Schleuderscheibe dichtet das Kühlrippenlabyrinth zum Umfang des Zylinderläufers hin ab und fördert das in der Labyrinthdichtung fließende Öl in eine im wesentli­ chen drucklose Umfangskammer des Gehäuses, von der aus es dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine wieder zuge­ führt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Aus­ führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolben-Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine, gesehen entlang einer Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen der Kolben der Brenn­ kraftmaschine;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Exzentergetriebes der Brennkraftmaschine und

Fig. 5 eine teilweise Schnittansicht einer Variante der Brennkraftmaschine aus Fig. 1

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkraftmaschine umfaßt ein Gehäuse 1 mit einem im wesentlichen zylinder­ förmigen Innenraum 3, in welchem ein ebenfalls im wesentlichen zylindrischer Zylinderläufer 5 um eine Drehachse 7 drehbar angeordnet ist. Der Zylinderläufer 5 hat eine zur Drehachse 7 konzentrische, im wesentli­ chen zylindrische Umfangswand 9, die von dem Innenraum 3 eng umschlossen ist, und ist über Wälzlager 11 an Lageransätzen 13 des Gehäuses 1 gelagert.

Der Zylinderläufer 5 enthält sechs Zylinder 15, in welchen je ein Kolben 17 senkrecht zur Drehachse 7 verschiebbar angeordnet ist. Die Zylinder 15 bzw. Kolben 17 sind paarweise aufeinander gegenüberliegen­ den Seiten der Drehachse 7 zueinander fluchtend, d.h. gleichachsig, angeordnet. Die Zylinderpaare sind hierbei um 120° um die Drehachse 7 herum gegeneinander winkel­ versetzt und liegen in derselben achsnormalen Ebene des Zylinderläufers 5. Die einander paarweise zugeordneten Kolben 17 sind durch Kolbenstangen 19 starr miteinander verbunden.

In dem Gehäuse 1 ist in Wälzlagern 21 eine Kurbelwelle 23 um eine zur Drehachse 7 um eine Exzentrizität e achsparallel versetzte Drehachse 25 drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 23 trägt feststehend drei axial neben­ einander angeordnete Exzenter-Kreisscheiben 27, die in Lageröffnungen 29 der Kolbenstangen 19 sitzen und die Kolbenstangen 19 über Nadellager 31 führen. Die Exzenter- Kreisscheiben 27 definieren Exzenterlager mit zur Drehachse 25 der Kurbelwelle 23 achsparalleler, jedoch um den Wert der Exzentrizität e gegen die Drehachse 25 versetzten Exzenterdrehachsen 33. Die Exzenterdrehachsen 33 der drei Exzenter-Kreisscheiben 27 sind ebenfalls um 120° gegeneinander um die Drehachse 25 herum winkelver­ setzt.

Wie am besten das Diagramm der Fig. 4 für eines der Kolbenpaare 17 zeigt, bewegen sich die Kolben 17 bei der Rotation des Zylinderläufers 5 um die Drehachse 7 längs einer Bahn 35, die die Drehachse 7 in einer achsnormalen Ebene schneidet. Die mit der Mittelpunkts­ achse der Exzenter-Kreisscheibe 27 zusammenfallende Exzenter-Drehachse 33 bewegt sich, da der Exzentrizitäts­ abstand e von der Drehachse 25 der Kurbelwelle 23 gleich dem Exzentrizitätsabstand e der Drehachse 25 von der Drehachse 7 des Zylinderläufers 5 ist, ebenfalls auf der Bahn 35. Die drei Kolbenpaare werden ausschließ­ lich über ihre Kolbenstangen 19 drehmomentfest an der Kurbelwelle 23 geführt, was durch die zueinander und zur Kurbelwelle 23 feststehende Anordnung der Exzenter- Kreisscheiben 27 ermöglicht wird. Die Kurbelwelle 23 wird hierbei relativ zum Zylinderläufer 5 zwangsgedreht und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_k, die doppelt so groß ist, wie die Winkelgeschwindigkeit ω_R, mit der der Zylinderläufer 5 um seine Drehachse 7 rotiert.

Die Exzentrizität e ist, da der Kolbenhub gleich der vierfachen Exzentrizität e ist, in der Praxis vergleichs­ weise klein, beispielsweise in der Größenordnung von 10 bis 20 mm. Trotzdem kann die Kurbelwelle 23 stabil gebaut werden, da der Lagerkreisradius r_e der Exzenter- Kreisscheiben 27 problemlos gleich oder größer als die Exzentrizität e gewählt werden kann. Die Wahl eines vergleichsweise großen Werts von r_e ist erwünscht, da auf diese Weise verhältnismäßig große Kolbenkräfte bei relativ kleiner axialer Breite der Exzenter-Kreisschei­ ben 27 bzw. der Nadellager 29 ermöglicht werden.

Im Verlauf der Kolbenbewegung wandert die Exzenter- Drehachse 33 über die Drehachse 7 des Zylinderläufers 5 hinweg. Bei Koinzidenz der Drehachsen 33 und 7 könnte das zugeordnete Kolbenpaar für sich allein genommen zusammen mit dem Zylinderläufer 5 um die Drehachse 7 gedreht werden. Bei Zylinderläufer-Kolbenmaschinen mit zueinander frei drehbaren Exzenterscheiben kann dieser Effekt im Betrieb zu Resonanzen führen. Die Resonanznei­ gung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist hingegen gemindert, da der Zylinderläufer in jeder Drehposition von wenigstens zwei der um 120° gegeneinan­ der versetzten Kolbenpaare drehfest mit der Kurbelwelle 23 gekuppelt ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der Lagerkreis­ durchmesser r_e der Exzenterkreisscheiben 27 und die halbe Kolbenabmessung r_k der Kolben 17 in Umfangsrichtung des Zylinderläufers 5 nicht beliebig groß gewählt werden kann, da es bei Antrieb der Kolbenmaschine vom Zylinderläufer 5 her in bestimmten Winkelbereichen der Exzenterbewegung zu einem Selbsthemmungseffekt kommen kann, der den Zylinderläufer 5 blockiert. Die beispiels­ weise im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine durch das Schwungmoment des Zylinderläufers 5 gegenüber der gebremsten Kurbelwelle 23 aufgebrachte Schubkraft F (Fig. 4) erzeugt aufgrund eines Kniehebeleffekts bei kleinem Zwischenwinkel β Reibkräfte zwischen dem Kolben 17 und dem Zylinder 15 einerseits und der Lageröffnung 29 sowie der Exzenter-Kreisscheibe 27 andererseits, die einer Verschiebebewegung des Kolbenpaars selbsthemmend entgegenwirken. Die Verschiebebewegung des Kolbenpaars bedingt eine Drehbewegung der Exzenter-Kreisscheibe 27 um die Drehachse 25. Da die hemmenden Reibdrehmomente aufgrund des mit wachsendem Abstand r_e und r_k zunehmen­ den Drehmomentarms größer werden, existiert eine obere Grenze für diese Abmessungen, die nicht überschritten werden darf, wenn Selbsthemmung vermieden werden soll. Es hat sich gezeigt, daß der Selbsthemmungseffekt bei Antrieb der Kolbenmaschine von der Kurbelwelle 23 her (Verdichterbetrieb) oder bei Antrieb von der Kolbenseite her (Brennkraftmaschinenbetrieb) vernachlässigbar ist und dementsprechend die Selbsthemmung bei Antrieb vom Zylinderläufer 5 her überwunden werden kann, wenn die reibkraftbestimmenden Parameter so gewählt werden, daß der Winkelbereich des Winkels β, in welchem bei Antrieb vom Zylinderläufer 5 her für ein einzelnes Kolbenpaar auftreten kann, kleiner als 60° ist. Der Winkel bezeich­ net hierbei den Winkel zwischen der die Drehachsen 25, 33 beinhaltenden Ebene zu der die Drehachsen 25 und 7 enthaltenden Ebene. Ausgehend von den in Fig. 4 skizzier­ ten Verhältnissen läßt sich folgende für die Überwindung des Selbsthemmungseffekts relevante Beziehung abschätzen:

Hierbei bedeutet
µ_e den Reibungskoeffizienten des Exzenterlagers
µ_k den Reibungskoeffizienten des Kolbens 17 im Zylinder 15
r_e den Radius des Lagerkreises des Exzenterlagers
r_k den mittleren Radius des Kolbens 17 in Umfangs­ richtung des Zylinderläufers 5 und
e den Abstand der Drehachse 7 von der Drehachse 25.

Die Brennkraftmaschine umfaßt, wie Fig. 1 zeigt, eine von einer Abgasturbine 37 angetriebene Verdichterturbine 39, die über einen Einlaß 41 zugeführte Frischluft verdichtet und einer stationären Mischkammer 43 zuführt, in der über eine Düse 45 Brennstoff zugemischt wird. Das verdichtete Brennstoff-Luft-Gemisch wird in einem Wärmetauscher 46 der in dem zur Abgasturbine 37 führen­ den Abgasweg angeordnet ist, erwärmt und angenähert tangential zum Zylinderläufer 5 einer Einlaßöffnung 47 zugeführt, über die die Zylinder 15 mit dem verdichteten und vorerwärmten Brennstoff-Luft-Gemisch beschickt werden. Die Einlaßöffnung 47 folgt in Drehrichtung des Zylinderläufers 5 auf die der radial äußeren Totpunkt­ stellung der Kolben 17 zugeordnete Position und wird durch eine Umfangsnut in der der Umfangswand 9 des Zylinderläufers 5 gegenüberliegenden Umfangsfläche des Innenraums 3 des Gehäuses 1 gebildet. Um Ladedruckver­ luste zu vermeiden, sind die Zylinder 15 im wesentlichen über ihren gesamten Querschnitt zur Umfangswand 9 des Zylinderläufers 5 offen, und die Kolben 17 haben ein der Zylinderkontur der Umfangsfläche 9 zylinderabschnitts­ förmig folgendes Kolbendach 49. Das Totraumvolumen der Zylinder 15 ist damit in der radial äußeren Stellung der Kolben 17 vernachlässigbar. Das Gemisch wird in Drehrichtung gegen die radial äußere Totpunktstellung versetzt fremdgezündet und treibt den Kolben während der Arbeitsphase in die der radial äußeren Totpunktstel­ lung diametral zur Drehachse 7 gegenüberliegende radial innere Totpunktstellung. In Drehrichtung des Zylinder­ läufers 5 auf die Position der radial inneren Totpunkt­ stellung folgend schließt sich in dem Gehäuse 1 eine ebenfalls als Nut ausgebildete, zur Umfangsfläche 9 des Zylinderläufers 5 hin offene Auslaßöffnung 51 an, in der die Abgase über den Wärmetauscher 46 der Abgastur­ bine 37 zugeführt werden, aus der sie über einen Auslaß 53 austreten.

Der im Gemischzuführungsweg angeordnete Wärmetauscher 46 erhöht den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, indem er die Abgaswärme zur weiteren Druckerhöhung des Brennstoff-Luft-Gemisches ausnutzt. Um Rückwirkungen auf die Verdichterturbine 39 zu verhindern, ist zwischen der Mischkammer 43 und dem Wärmetauscher 46 ein feder­ belastetes Rückschlagventil 55 vorgesehen.

Der Wärmetauscher 46 besteht aus einem Tauscherblock 57 aus gut wärmeleitendem Material, welcher in mehreren zueinander parallelen Ebenen eine Vielzahl etwa tangen­ tial zum Zylinderläufer 5 verlaufender Kanäle 59 hat, die endseitig in gemeinsamen Sammelräumen 61 bzw. 63 münden und das von der Mischkammer 43 kommende Brennstoff- Luft-Gemisch der Einlaßöffnung 47 zuführen. Zwischen den die Kanäle 59 enthaltenden Ebenen sind jeweils eine Vielzahl quer dazu verlaufender Kanäle 65 vorgesehen, die sich etwa radial zum Zylinderläufer 5 erstrecken und über die die Abgase ohne wesentliche Umlenkung und dadurch verursachte Strömungsverluste zur Abgasturbine 37 strömen. Der Tauscherblock 57 ist unmittelbar an das Gehäuse 1 angeflanscht, so daß der zwischen dem Tauscher­ block 57 und der Umfangsfläche 9 des Zylinderläufers 5 verbleibende Raum einen Sammelraum 67 für Abgase bildet. Ein weiterer Sammelraum 69 ist auf der dem Zylinderläufer 5 abgewandten Seite der Kanäle 65 vorgesehen.

Die Brenntemperatur in den Zylindern 15 ist vergleichs­ weise hoch. Die Kolben 17 bestehen deshalb aus Keramik­ material und sind an Kopfteilen 71 (Fig. 1 und 3) der aus Metall gefertigten Kolbenstangen 19 befestigt, beispielsweise angeschraubt. Wie am besten Fig. 3 zeigt, haben die Kolben in radialer Draufsicht Rechteck­ querschnitt und erstrecken sich mit ihren Schmalseiten in Umfangsrichtung. Trotz der vergleichsweise großen Kolbenfläche kann damit ein kompakter Aufbau der Brenn­ kraftmaschine erreicht werden. Um hinreichend gleichmäßi­ ge Flammfronten zu erreichen, sind mehrere, hier zwei, Zündkerzen 73 vorgesehen. Die Abdichtung der Kolben erfolgt durch gerade Dichtleistenabschnitte 75, die in Nuten der Kolbenseitenwände federnd eingesetzt sind. Die Dichtleistenabschnitte 75 benachbarter Seitenwände des Kolbens 17 sind radial zur Drehachse 7 gegeneinander versetzt und überlappen in den Eckbereichen der Kolben. In den Eckbereichen der Kolben ergeben sich damit doppelt wirkende Dichtungen.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten des Kühl- und Schmiersystems der Brennkraftmaschine. Von den axial gelegenen Stirn­ flächen des Zylinderläufers 5 stehen mehrere zur Dreh­ achse 7 koaxial ineinander angeordnete, ringförmige Kühlrippen 77 ab, zwischen die von den jeweils benachbar­ ten Seitenwänden des Gehäuses 1 axial abstehende, ebenfalls koaxial ineinander angeordnete, komplementäre, ringförmige Kühlrippen 79 greifen. Die Kühlrippen 77, 79 bilden axial beiderseits des Zylinderläufers 5 Labyrinthe, die durch ihre vergrößerte Oberfläche den Wärmeübergang vom Zylinderläufer 5 auf das Gehäuse 1 erleichtern. Den Kühlrippen 79 benachbart kann das Gehäuse 1 nicht näher dargestellte Kühlwasserkanäle enthalten, die an einen Kühlwasserkreislauf der Brenn­ kraftmaschine angeschlossen sind und die Wärme von dem Gehäuse 1 abführen. Auch der Mantel des Gehäuses 1 kann zur Verbesserung der Kühlwirkung eine Vielzahl axialer Kühlwasserkanäle enthalten.

Für eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung sind die durch die Kühlrippen 77, 79 gebildeten Labyrinthe an den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen. Eine bei 81 angedeutete, von der Kurbelwelle 23 angetrie­ bene Ölpumpe fördert das Schmieröl über Ölkanäle 83 in den Bereich des radial inneren Umfangs der Labyrinthe. Durch die Zentrifugalwirkung des rotierenden Zylinder­ läufers 5 wird das Schmieröl über die Labyrinthe zu drucklosen Sammelkanälen 85 des Gehäuses 1 befördert, die die Labyrinthe im Bereich des Außenumfangs des Zylinderläufers 5 nach radial außen begrenzen. Am Übergang der Umfangsfläche 9 des Zylinderläufers 5 zu seinen axialen Seitenflächen sind Schleuderscheiben 87 an dem Zylinderläufer 5 angebracht, die mit komplementä­ ren Axialflächen 89 des Gehäuses 1 Dichtlabyrinthe bilden und das Öl in die Sammelkanäle 85 abschleudern.

Auf diese Weise wird verhindert, daß in unerwünschtem Ausmaß Öl in die Gaswechselkanäle 47, 51 des Gehäuses 1 gelangt. Das durch das Labyrinth der Kühlrippen 77, 79 fließende Schmieröl verbessert den Wärmeübergang vom Zylinderläufer 5 auf das Gehäuse 1 und wird darüberhinaus von den gegebenenfalls gekühlten Seitenwänden des Gehäuses 1 seinerseits gekühlt.

Die Zündanlage kann herkömmlich ausgebildet sein und zur Steuerung einen Magnetschalter 91 umfassen, der auf in Umfangsrichtung verteilte Magnete 93 eines auf der Kurbelwelle 23 sitzenden Rads 95 anspricht.

Fig. 5 zeigt eine Variante der Brennkraftmaschine, die sich von der Brennkraftmaschine der Fig. 1 und 2 im wesentlichen nur durch die Art der Brennraumgestaltung unterscheidet. Gleiche Teile sind in Fig. 5 mit den Bezugszahlen der Fig. 1 und 2 bezeichnet und zur Unter­ scheidung mit dem Buchstaben a versehen. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise wird auf die Beschrei­ bung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Im Unterschied zur vorstehend erläuterten Brennkraftma­ schine wird in dem nicht näher dargestellten Wärmetau­ scher lediglich die verdichtete Frischluft erwärmt und über ein in nicht näher dargestellter Weise federbela­ stetes Rückschlagventil 101 einer in dem Gehäuse 1a stationär angeordneten Brennkammer 103 zugeführt. Der Brennstoff wird über eine Düse 105 in die Brennkammer 103 eingespritzt und mittels einer Zündkerze 107 perio­ disch fremdgezündet. Der im wesentlichen tangential zum Zylinderläufer 5a sich erstreckende Ausgangskanal 109 der Brennkammer mündet in einen zur Umfangsfläche 9a des Zylinderläufers 5a offenen Kanal 47a, der die Einlaßöffnung festlegt. Der Zylinderläufer 5a wird damit nach Art einer Turbine von den periodisch aus der Brennkammer 103 austretenden, expandierenden Abgasen angetrieben. Das Rückschlagventil 101 verhindert Rück­ wirkungen des Arbeitsdrucks der Brennkammer 103 auf den vorgeschalteten, die Frischluft verdichtenden Verdichter.

Die vorstehend erläuterte Brennkraftmaschine umfaßt lediglich eine einzige Gruppe von drei Kolben- bzw. Zylinderpaaren. Es versteht sich, daß auch mehrere solcher Gruppen axial nebeneinander auf einer gemeinsa­ men Kurbelwelle angeordnet sein können.

Claims (23)

1. Kolbenmaschine, insbesondere Kolben-Brennkraftmaschi­ ne, mit einer Maschinenbasis (1) und einem um eine erste Drehachse (7) drehbar an der Maschinenbasis (1) gelagerten Zylinderläufer (5), welcher mehrere um die erste Drehachse (7) gegeneinander winkelver­ setzte Zylinderpaare (15) aufweist, deren die Paare bildende Zylinder (15) auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Drehachse (7) mit gleicher, zur ersten Drehachse (7) senkrechter Zylinderachse angeordnet sind, mit in den Zylindern (15) verschiebbar angeord­ neten Kolben (17), von denen die den Zylinderpaaren (15) zugeordneten Kolben (17) paarweise durch Kolben­ stangen (19) starr miteinander verbunden sind, und mit einer um eine zweite, zur ersten Drehachse (7) um eine vorbestimmte Exzentrizität (e) achsparallel versetzte Drehachse (25) drehbar an der Maschinen­ basis (1) gelagerten Kurbelwelle (23), an der die Kolbenstangen (19) der Kolbenpaare (17) mittels Exzenterlager (27, 31) geführt sind, die dritte, zueinander um die zweite Drehachse (25) herum winkel­ versetzte Drehachsen (33) definieren, von denen jede um die vorbestimmte Exzentrizität (e) achsparallel gegen die zweite Drehachse (25) versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderläufer (5) wenigstens eine Gruppe von drei gegeneinander um 120° um die erste Drehachse (7) herum winkelversetzte Zylinderpaare (15) aufweist, deren Kolbenpaare (17) an Exzenterlagern (27, 31) geführt sind, die die dritten Drehachsen (33) gegen­ einander um 120° um die zweite Drehachse (25) herum winkelversetzt und relativ zur Kurbelwelle (23) fest­ stehend definieren, und daß der Zylinderläufer (5) mit der Kurbelwelle (23) ausschließlich über die Kolbenstangen (19) drehmomentfest gekuppelt ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Exzenterlager (27, 31) fest mit der Kurbelwelle (23) verbundene Exzenterkreisscheiben (27) aufweisen, deren Scheibenachsen die dritten Drehachsen (33) definieren und drehbar in Lageröff­ nungen (29) der Kolbenstangen (19) sitzen.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lagerkreisdurchmesser der Exzenterkreis­ scheiben (27) oder/und die Abmessungen der Kolben (17) in Umfangsrichtung des Zylinderläufers (5) so klein bemessen sind, daß der Winkelbereich der Kurbelwellendrehung, in welchem bei Drehantrieb vom Zylinderläufer (5) her Selbsthemmung eines einzelnen der drei Kolbenpaare (17) auftreten kann, kleiner ist als 60°.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Exzenterkreisscheiben (27) und die Kolben (17) so bemessen sind, daß für jedes Kolben­ paar (17) die Beziehung gilt wobei
µ_e der Reibungskoeffizient des Exzenterlagers (27, 31)
µ_k der Reibungskoeffizient des Kolbens (17) im Zy­ linder (15),
r_e der Radius des Lagerkreises des Exzenterlagers (27, 31),
r_k der mittlere Radius des Kolbens (17) in Umfangs­ richtung des Zylinderläufers (5) und
e die vorbestimmte Exzentrizität ist.

5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (17) Polygon­ querschnitt haben.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolben (17) Rechteckquerschnitt haben.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolben (17) mit ihrer Rechteckbreitseite in Richtung der ersten Drehachse (7) angeordnet sind.

8. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die brennraum­ seitigen Oberflächen der Kolben (17) oder/und Zylin­ der (15) aus Keramikmaterial bestehen.

9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in radial zur ersten Drehachse (7) versetzte Nuten der Polygonseitenflä­ chen der Kolben (17) Dichtleistenabschnitte (75) eingesetzt sind, die sich im Bereich der Polygonecken überlappen.

10. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderläufer (5) eine zylindrische Umfangswand (9) hat, daß die Zylinder (15) zur Umfangswand (9) des Zylinderläu­ fers (5) über ihren gesamten Querschnitt offen sind, daß die Maschinenbasis ein die Umfangswand (9) des Zylinderläufers (5) eng umschließendes Gehäuse (1) bildet und daß die Kolben (17) der Zylinderkontur der Umfangswand (9) des Zylinderläu­ fers (5) folgende zylinderabschnittförmige Kolben­ dächer (49) haben und in ihrer radial zur ersten Drehachse (7) äußeren Totpunktstellung im wesentli­ chen bündig mit der Umfangswand (9) des Zylinderläu­ fers (5) abschließen.

11. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (17) zum Umfang des Zylinderläufers (5) offen sind, daß die Maschinenbasis ein den Umfang des Zylinderläufers (5) eng umschließendes Gehäuse (1) bildet, in welchem wenigstens eine mit den Zylindern (15) in einem Teil ihres Drehwegs überlappende Gaseinlaßöff­ nung (47) und wenigstens eine mit den Zylindern (15) in einem anderen Teil ihres Drehwegs überlap­ pende Gasauslaßöffnung (51) vorgesehen sind, daß die Gaseinlaßöffnung (47) mit einem Verdichter (39) für in die Zylinder (15) einzuführende Frischluft insbesondere mit einer Verdichterturbine verbunden ist, daß für den Antrieb des Verdichters (39) eine an die Gasauslaßöffnung (51) angeschlossene Abgas- Arbeitsmaschine (37), insbesondere eine Abgasturbine vorgesehen ist, und daß eine Brennstoffzuführein­ richtung (45) vorgesehen ist, die den Brennstoff zwischen dem Verdichter (39) und der Gaseinlaßöff­ nung (47) der verdichteten Frischluft zuführt.

12. Kolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß in dem Gaszuleitungsweg zwischen dem Verdichter (39) und der Gaseinlaßöffnung (47) ein Rückschlagventil (55; 101) vorgesehen ist.

13. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßöffnung (47a) mit einer die verdichtete Frischluft und den Brennstoff aufnehmenden, an dem Gehäuse feststehend angeordneten Brennkammer (103) verbunden ist, in der das Brennstoff-Luft-Gemisch mittels einer Zündeinrichtung (107) fremdzündbar ist.

14. Kolbenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßöffnung (47a) in Drehrichtung des Zylinderläufers (5a) im Abstand hinter der Winkelstellung des Zylinderläufers (5a) beginnt, in der sich die Kolben jeweils in ihrer radial äußeren Totpunktstellung befinden.

15. Kolbenmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff zwischen dem Verdichter (39) und der Gaseinlaßöffnung (47) in den Gaszuleitungsweg einführbar ist und daß eine das Brennstoff-Luft-Gemisch in einer in Drehrichtung des Zylinderläufers (5) gegen die Gaseinlaßöffnung versetzten Winkelstellung fremdzündende Zündeinrichtung (73) vorgesehen ist.

16. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinleitungsweg im wesentlichen tangential zum Zylinderläufer (5) in die Gaseinlaßöffnung (47) des Gehäuses (1) mündet.

17. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßöffnung (51) mit einem Wärmetauscher (45) verbunden ist, der die im Gaszuleitungsweg vom Verdichter (39) zur Gaseinlaßöffnung (47) strömende, verdichtete Frisch­ luft bzw. das Brennstoff-Frischluftgemisch erwärmt.

18. Kolbenmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wärmetauscher (45) einen Wandteil des Gehäuses (1) im Bereich der Gasauslaßöffnung (51) bildet.

19. Kolbenmaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (45) einen Tauscherkörper (57) mit an die Gasauslaßöffnung (51) anschließenden, etwa radial zur ersten Dreh­ achse (7) verlaufenden ersten Kanälen (65) und mit im wesentlichen in Tangentialrichtung des Zylinder­ läufers (5) verlaufenden, vom Verdichter (39) zur Gaseinlaßöffnung (47) führenden, zweiten Kanälen (59) aufweist.

20. Kolbenmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gasauslaßöffnung (51) in dem Gehäuse (1) einen Abgasverteilerraum (67) für die ersten Kanäle (65) bildet.

21. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer der beiden Stirnseiten des Zylinderläufers (5) und an der dieser Stirnseite benachbarten Stirnseite des Gehäuses (1) mehrere zur Drehachse (7) koaxiale, ringförmige Kühlrippen (77, 79) vorgesehen sind, die zur Bildung eines Labyrinths wechselweise ineinandergreifen.

22. Kolbenmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net daß das durch die Kühlrippen (77, 79) gebildete Labyrinth mit seinem Innenumfang und seinem Außenum­ fang an einen Ölkreislauf angeschlossen ist.

23. Kolbenmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zylinderläufer (5) am Übergang eines Außenmantels in die das Kühlrippenlabyrinth bildende Stirnseite wenigstens eine Schleuderscheibe (87) aufweist, die eine Labyrinthdichtung zwischen dem Innenmantel des Gehäuses (1) und einer das Kühlrip­ penlabyrinth abschließenden Umfangskammer (85) des Gehäuses (1) bildet.