DE3932179A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere eine Kolben-Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer Erweiterung des Schutzbegehrens auf der Grundlage der Hauptpatentanmeldung P 39 19 168.0-15 durch zusätzliche Schutzansprüche, welche mit Zeichnungen, Fig. 6 und 7 und in der Beschreibung auf den Seiten 9, 10, 19 und 20 erläutert sind.

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° gegeneinander winkelversetzt um die Drehachse des Zylinderläufers 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. Brennkraftmaschinen dieses Typs haben vergleichsweise niedrige Kolbengeschwindigkeiten bei niedriger Drehzahl des Zylinderläufers und haben hohe Leistung bei vergleichsweise 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 Zylinderläufer 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 Kurbelarms der Kurbelwelle. Da der Kolbenhub aus brenntechnischen und konstruktiven Gründen nicht beliebig groß gemacht werden kann, sind der Exzentrizität der Exzenterscheiben bzw. des Kurbelarms konstruktive Grenzen gesetzt, die nicht überschritten werden können. Andererseits benötigt auch die doppelte Lagerung der Exzenterscheibe am Kurbelarm einerseits und an der Kolbenstange andererseits gewissen Bauraum, der in erster Linie nur durch Schwächung des Kurbelarmdurchmessers bereitgestellt 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 Brennkraftmaschine mit Zylinderläufer und zwei um 90° um die Drehachse des Zylinderläufers herum winkelversetzten Zylinderpaaren bekannt, die sich von der Brennkraftmaschine der DE-OS 25 02 709 in erster Linie dadurch unterscheidet, daß die Kurbelwelle nicht gleichachsig, sondern achsparallel exzentrisch zur Drehachse des Zylinderläufers 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 Exzenterscheiben 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 Zylinderläufer zu schaffen, die bei kleinem Bauvolumen und einfacher Konstruktion für eine hohe Leistung bemessen ist.

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

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine hat einen Zylinderläufer mit drei um 120° gegeneinander um die Drehachse des Zylinderläufers herum winkelversetzten Zylinderpaaren. 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 Exzenterachse drehfest an dem Zylinderläufer abgestützt ist, wenn seine Exzenterachse mit der Drehachse des Rotors momentan zusammenfällt. Die Abstützung erfolgt ausschließlich 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 Kolbenmaschinen 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 erfindungsgemäßen Kolbenmaschine problemlos auch für höhere Leistungen bemessen werden kann. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine kann als Verdichter ausgebildet sein; vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine Brennkraftmaschine.

Schließlich ist von Vorteil, daß jedes der drei Kolbenpaare in jeder der Winkelstellungen des Zylinderläufers stabil an der Kurbelwelle geführt ist, dies mindert Drehresonanzen, wie sie bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen 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 Lagerkreisradius der Exzenter-Kreisscheiben zweckmäßigerweise größer als ihre Exzentrizität. Um vergleichsweise hohe Kolbenkräften aufnehmen zu können, wird ein möglichst großer Lagerkreisdurchmesser der Exzenterlager angestrebt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Kolbenmaschine bei Drehantrieb des Zylinderläufers, beispielsweise aufgrund des Schwungmoments des rotierenden Zylinderläufers selbsthemmend blockiert, wenn der Lagerkreisdurchmesser der Exzenter-Kreisscheiben oder die Abmessungen 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 Zylinderläufer einen Kurbelwellen-Winkelbereich, in welchem Selbsthemmung eintreten würde, wenn es nicht durch die Zwangsführung der beiden anderen Kolbenpaare nachgeführt würde. Der Lagerkreisdurchmesser der Exzenter-Kreisscheiben bzw. die Abmessungen der Kolben in Umfangsrichtung des Zylinderläufers werden so bemessen, daß der Selbsthemmungs- 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 Brenngase sehr hohe Temperaturen 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 wesentlichen 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 vergleichsweise niedrigen Gasdrücken eine ausreichende Füllung und Entleerung zu erreichen.

Die Brennräume der Zylinder können nachfolgend an die radial äußere Totpunktstellung der Kolben mit vorverdichtetem 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 Rückschlagventil in die Brennkammer eingeführt, um den Verdichter vom Brenndruck der gezündeten Brenngase zu entlasten. Auch hier werden die gezündeten Brenngase zweckmäßigerweise im Winkelabstand von der radial äußeren Totpunktstellung dem Zylinder zugeführt.

Der Wirkungsgrad einer derartigen Brennkraftmaschinen- Verdichter-Einheit läßt sich erhöhen, wenn die Gasauslaßöffnung 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 Gasauslaßöffnung. 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 anschließenden, etwa radial zur ersten Drehachse verlaufenden ersten Kanälen und mit im wesentlichen in Tangentialrichtung des Zylinderläufers verlaufenden, vom Verdichter zur Gaseinlaßöffnung führenden zweiten Kanälen. Der zweckmäßigerweise unmittelbar an dem Gehäuse angeflanschte 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 Zylinderläufer 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 Schmierölkreislauf 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 angebrachte Schleuderscheibe dichtet das Kühlrippenlabyrinth zum Umfang des Zylinderläufers hin ab und fördert das in der Labyrinthdichtung fließende Öl in eine im wesentlichen drucklose Umfangskammer des Gehäuses, von der aus es dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine wieder zugeführt wird.

Eine zusätzliche Ausgestaltung der Erfindung betrifft bei Verwendung der Kolbenmaschine als Brennkraftmaschine den Gasauslaßbereich und die Kolbenform.

Beim vorgeschlagenen Motorkonzept ist der Druck des eingeschlossenen Brenngases bei Erreichen der inneren Totpunktkolbenstellung und Öffnung der Brenngasauslaßöffnung noch relativ hoch und wird zum Antrieb einer Verdichtereinrichtung für die Frischluft genutzt.

In einer zweckmäßigen Ausführung ist die Brenngasauslaßöffnung in zwei Bereiche unterteilt. In einen ersten Bereich, welcher mit einer Abgasturbine verbunden ist, in welchem sich der Druck auf Arbeitswiderstand der Turbine abbaut und einen zweiten Bereich, der direkt nach außen führt. Das im zweiten Bereich auszuschiebende drucklose Brenngas kann dann weitgehendst frei abströmen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere bei Verwendung der Kolbenmaschine als Brennkraftmaschine haben die Kolben einen Ovalquerschnitt.

Die Führungsauflageflächen der Ovalseitenflächen der Kolben in den Zylindern entsprechen dabei den Vorteilen der schon beschriebenen Polygon- und Rechteckkolben, vermeiden aber durch die Halbkreisform der Stirnseiten ungünstige Verbrennungsraumecken.

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

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels 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 Brennkraftmaschine;

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

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

Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer Ausführung mit einem in zwei Bereiche geteilten Brenngasauslaß und

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Kolben mit Ovalquerschnitt.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkraftmaschine umfaßt ein Gehäuse 1 mit einem im wesentlichen zylinderförmigen 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 wesentlichen 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 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 7 zueinander fluchtend, d. h. gleichachsig, angeordnet. Die Zylinderpaare sind hierbei um 120° um die Drehachse 7 herum gegeneinander winkelversetzt 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 nebeneinander 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 winkelversetzt.

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 Mittelpunktsachse der Exzenter-Kreisscheibe 27 zusammenfallende Exzenter-Drehachse 33 bewegt sich, da der Exzentrizitätsabstand 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 ausschließlich 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 vergleichsweise 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-Kreisscheiben 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 Resonanzneigung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist hingegen gemindert, da der Zylinderläufer in jeder Drehposition von wenigstens zwei der um 120° gegeneinander versetzten Kolbenpaare drehfest mit der Kurbelwelle 23 gekuppelt ist.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der Lagerkreisdurchmesser 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 beispielsweise 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 zunehmenden 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 bezeichnet 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 skizzierten 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 Umfangsrichtung 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 45 der in dem zur Abgasturbine 37 führenden 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 Totpunktstellung 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 Ladedruckverluste 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 zylinderabschnittsförmig 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 Totpunktstellung diametral zur Drehachse 7 gegenüberliegende radial innere Totpunktstellung. In Drehrichtung des Zylinderläufers 5 auf die Position der radial inneren Totpunktstellung 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 45 der Abgasturbine 37 zugeführt werden, aus der sie über einen Auslaß 53 austreten.

Der im Gemischzuführungsweg angeordnete Wärmetauscher 45 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 45 ein federbelastetes Rückschlagventil 55 vorgesehen.

Der Wärmetauscher 45 besteht aus einem Tauscherblock 57 aus gut wärmeleitendem Material, welcher in mehreren zueinander parallelen Ebenen eine Vielzahl etwa tangential 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 Tauscherblock 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 vergleichsweise hoch. Die Kolben 17 bestehen deshalb aus Keramikmaterial 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 Rechteckquerschnitt und erstrecken sich mit ihren Schmalseiten in Umfangsrichtung. Trotz der vergleichsweise großen Kolbenfläche kann damit ein kompakter Aufbau der Brennkraftmaschine erreicht werden. Um hinreichend gleichmäßige 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 Stirnflächen des Zylinderläufers 5 stehen mehrere zur Drehachse 7 koaxial ineinander angeordnete, ringförmige Kühlrippen 77 ab, zwischen die von den jeweils benachbarten 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 Brennkraftmaschine 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 angetriebene Ölpumpe fördert das Schmieröl über Ölkanäle 83 in den Bereich des radial inneren Umfangs der Labyrinthe. Durch die Zentrifugalwirkung des rotierenden Zylinderläufers 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 komplementären 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 Unterscheidung mit dem Buchstaben a versehen. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise wird auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Im Unterschied zur vorstehend erläuterten Brennkraftmaschine wird in dem nicht näher dargestellten Wärmetauscher lediglich die verdichtete Frischluft erwärmt und über ein in nicht näher dargestellter Weise federbelastetes 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 periodisch 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 Rückwirkungen 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 gemeinsamen Kurbelwelle angeordnet sein können.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Brennkraftmaschine entsprechend der Fig. 1, die sich von dieser in der Gestaltung der Brenngasauslaßöffnung unterscheidet. Gleiche Teile sind in der Fig. 6 mit den Bezugszahlen der Fig. 1 bezeichnet und die Änderung betreffende Bezugszahlen mit dem Buchstaben b versehen.

Die als Nut ausgebildete zur Umfangsfläche 9 des Zylinderläufers 5 hin offene Auslaßöffnung 51b ist in zwei Bereiche unterteilt.

In einen ersten Auslaßbereich 52, welcher über eine Leitung 54 mit einer Abgasturbine 37b verbunden ist und welcher im Drehbereich der Zylinder 15 bei Erreichen der inneren Totpunktstellung der Kolben 17 den Auslaß 58 freigibt. Das dabei noch unter relativ hohem Druck stehende Brenngas wird der Turbine 37b zugeführt, unter Arbeitsleistung entspannt und über den Turbinenauslaß 53b nach außen geleitet.

Der erste Auslaßbereich 52 ist in der Umfangsfläche 9 den Druckverhältnissen entsprechen weit bis zu einer Abschlußkante 60 ausgelegt.

Nach der Abschlußkante 60 ist in der Umfangsfläche 9 ein Absperrbereich 62 ausgebildet. An diesen schließt sich ein zweiter Auslaßbereich 64 an, über welchen der in den Zylindern sich noch befindliche weitgehendst entspannte Brenngasrest durch die in die außer Totpunktlage sich bewegenden Zylinder 17 ausgeschoben wird und ohne Gegendruck abströmen 66 kann.

Der Absperrbereich 62 muß etwas länger sein als die Zylinderöffnungen in Rotationsrichtung sind, damit kein freier Durchgang zwischen den Auslaßbereichen 52 und 64 entstehen kann.

In der Fig. 7 ist eine Ausführung der Kolben 17 mit ovalem Querschnitt dargestellt. An einer Polygonquerschnittsfläche 123 sind an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen zwei Halbkreisflächen 125 ausgebildet und bilden somit einen ovalen Kolbenquerschnitt.

Die Ovalseitenflächen 121 erstrecken sich quer zur Umlaufrichtung des Zylinderläufers. Durch die Ovalquerschnittsausführung kann bei einer günstigen Verbrennungsraumform die Abmessung der Kolben in Umfangsrichtung zur Minderung des Selbsthemmungseffektes, wie bei der Rechteckausführung vergleichsweise klein bemessen sein. Die Abdichtung der Kolben erfolgt über u-förmige Dichtleisten, welche von den halbkreisförmigen Kolbenstirnseiten aus in umlaufende Kolbennuten eingeführt werden und mit einer hinterlegten Wellenfeder gegen die Zylinderwand vorgespannt sein können.

Claims (6)

1. Kolbenmaschine, insbesondere Kolben-Brennkraftmaschine, 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 winkelversetzte 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 angeordneten Kolben (17), von denen die den Zylinderpaaren (15) zugeordneten Kolben (17) paarweise durch Kolbenstangen (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 Maschinenbasis (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 winkelversetzte Drehachsen (33) definieren, von denen jede um die vorbestimmte Exzentrizität (e) achsparallel gegen die zweite Drehachse (25) versetzt ist, wobei nach Patentanmeldung P 39 19 168.0-15 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) gegeneinander um 120° um die zweite Drehachse (25) herum winkelversetzt und relativ zur Kurbelwelle (23) feststehend definieren, und daß der Zylinderläufer (5) mit der Kurbelwelle (23) ausschließlich über die Kolbenstangen (19) drehmomentfest gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (51b) für das Brenngas in einen ersten Bereich (52) und einen zweiten Bereich (64) unterteilt ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Auslaßbereich (52) mit einer Abgasturbine (37b) verbunden ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (52) und der Bereich (64) durch einen Absperrbereich (62), der sich wenigstens so weit erstreckt wie eine Zylinderöffnung in Rotationsrichtung.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (17) eine Ovelquerschnittsfläche aufweisen, welche aus einer Polygonfläche (123) und aus zwei gegenüberliegend angeordneten Halbkreisflächen (125) gebildet wird.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ovalseitenflächen (121) quer zur Umlaufrichtung des Zylinderläufers (5) erstrecken.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung u-förmige Dichtleisten verwendet werden, welche von den halbkreisförmigen Kolbenstirnseiten aus in umlaufende Kolbenuten eingeführt werden.