EP0477256B1

EP0477256B1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: EP0477256B1
Application number: EP90909647A
Authority: EP
Inventors: Josef Gail
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1993-08-25
Anticipated expiration: 2010-06-12
Also published as: JPH04506241A; DE59002494D1; EP0477256A1; WO1990015918A1; US5375564A

Abstract

Die insbesondere als Brennkraftmaschine nutzbare Kolbenmaschine umfaßt ein Gehäuse (1) mit einem um eine erste Drehachse (7) drehbar gelagerten Zylinderläufer (5), welcher drei um die erste Drehachse (7) um 120° gegeneinander winkelversetzte Zylinderpaare (15) aufweist. In den Zylindern (15) sind Kolben (17) angeordnet, die paarweise durch Kolbenstangern (19) starr miteinander verbunden sind. In dem Gehäuse ist ferner eine Kurbelwelle (23) um eine zweite, zur ersten Drehachse (7) um eine vorbestimmte Exzentrizität (e) achsparallel versetzte Drehachse (25) drehbar gelagert. Die Kolbenstangen (19) der Kolbenpaare sind mittels Exzenterlager (27, 31) an der Kurbelwelle (23) geführt. Die Exzenterlager (27, 31) definieren relativ zur Kurbelwelle (23) feststehende, um 120° gegeneinander winkelversetzte Drehachsen (33). Der Zylinderläufer (25) ist ausschließlich über die Kolbenstangen (19) und deren relativ zur Kurbelwelle feststehenden Exzenterlager (27, 31) drehmomentfest mit der Kurbelwelle (23) gekuppelt. Die von einem Abgaslader (37, 39) verdichtete Frischluft wird zur Erhöhung des Wirkungsgrads über einen Wärmetauscher (45) der Brenkkraftmaschine zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere eine Kolben-Brennkraftmaschine.
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 Kurbelzapfendurchmessers bereitgestellt werden kann. Die Schwächung des Kurbelzapfens 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.
Aus MTZ 30 (1969) 4, Seiten 142 bis 144 ist es 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.
Eine Brennkraftmaschine mit drei um 120° gegeneinander versetzten Zylinderpaaren in einem gemeinsamen Zylinderläufer ist aus dem US-Patent 3 665 811 bekannt. Die Zylinderachsen liegen in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Drehachse des Zylinderläufers, und die in den Zylinderpaaren verschiebbaren Kolbenpaare sind über Kolbenstangen starr miteinander verbunden. Die Kolbenstangen der drei Kolbenpaare sind über Exzenterlager mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden, deren Achse mit einer vorbestimmten Exzentrizität gegen die Achse des Zylinderläufers achsparallel versetzt ist. Die Exzenterlager sind um 120° um die Kurbelwellenachse gegeneinander winkelversetzt und umfassen jeweils relativ zur Kurbelwelle feststehende Exzenterkreisscheiben, die in Lageröffnungen der Kolbenstangen mittels Gleitlager geführt sind. An die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ist ein Verdichter gleicher Bauart angekuppelt, der die Brennkraftmaschine lädt.
Bei der aus dem US-Patent 3 665 811 bekannten Brennkraftmaschine kann sich jedes Kolbenpaar selbst dann relativ zu der durch sein Exzenterlager definierten Exzenterachse drehfest an dem Zylinder abstützen, wenn die Exzenterachse mit der Drehachse des Zylinderläufers 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. Eine Kolbenmaschine dieses Typs hat damit den Vorteil, daß jedes der drei Kolbenpaare in jeder der Winkelstellungen des Zylinderläufers stabil an der Kurbelwelle geführt ist. Dies mindert Drehresonanzen, wie sie bei vorstehend erläuterten Brennkraftmaschinen mit Zylinderläufer und doppelt gelagerten Ausgleichsexzentern der Kurbelwelle auftreten können.
Wenngleich eine Kolbenmaschine dieses Typs bereits kleinere Abmessungen hat als eingangs erläuterte Kolbenmaschinen mit doppelt gelagerten Exzenterscheiben, so ergeben sich doch vielfach noch zu große Abmessungen, insbesondere wenn die Kolbenmaschine für höhere Leistungen bemessen werden soll. Für höhere Leistungen ist es wünschenswert, daß einerseits die axialen Abmessungen der Kurbelwelle möglichst klein gehalten werden, um auf die Kurbelwelle wirkende Kippmomente klein halten zu können. Andererseits muß ein hinreichend großer Lagerkreisdurchmesser und eine ausreichend große Querschnittsfläche der Kurbelwelle vorgesehen werden, um den bei größeren Leistungen auf die Kurbelwelle wirkenden Kräften Rechnung tragen zu können. Bei der aus dem US-Patent 3 665 811 bekannten Kolbenmaschine ist der Radius der Exzenterkreisscheiben kleiner als die Exzentrizität der Kurbelwelle, d.h. kleiner als der Abstand der Exzenterdrehachsen von der Kurbelwellendrehachse. Dies führt dazu, daß die axiale Baulänge der Brennkraftmaschine durch Kurbelwangen, die die Exzenterkreisscheiben miteinander verbinden, vergrößert wird. Der vergleichsweise kleine Lagerkreisradius der Exzenterkreisscheiben in Verbindung mit der stark gekröpften Anordnung der Kolbenstangen begrenzt die bei der bekannten Brennkraftmaschine erreichbare Leistung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenmaschine des vorstehend erläuterten Typs mit jeweils drei um 120° gegeneinander versetzten Zylinderpaaren so zu verbessern, daß sie bei vergleichsweise kleinen Abmessungen für höhere Leistung bemessen werden kann.
Eine Kolbenmaschine gemäß der Erfindung, bei der es sich insbesondere um eine Kolben-Brennkraftmaschine handelt, umfaßt ähnlich der aus dem US-Patent 3 665 811 bekannten Maschine eine Maschinenbasis und einen um eine erste Drehachse drehbar an der Maschinenbasis gelagerten Zylinderläufer, welcher wenigstens eine Gruppe von drei um die erste Drehachse herum gegeneinander um 120° winkelversetzte Zylinderpaare aufweist, deren die Paare bildenden Zylinder auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Drehachse mit gleicher, zur ersten Drehachse senkrechter Zylinderachse angeordnet sind. In den Zylindern sind Kolben verschiebbar angeordnet, von denen die den Zylinderpaaren zugeordneten Kolben paarweise durch Kolbenstangen starr miteinander verbunden sind. An der Maschinenbasis ist um eine zweite, zur ersten Drehachse um eine vorbestimmte Exzentrizität achsparallel versetzte Drehachse drehbar eine Kurbelwelle gelagert, an der die Kolbenstangen der Kolbenpaare mittels Exzenterlager geführt sind. Die Exzenterlager sind ihrerseits gegeneinander um 120° um die zweite Drehachse herum winkelversetzt und definieren relativ zur Kurbelwelle feststehende dritte Drehachsen, von denen jede ebenfalls um die vorbestimmte Exzentrizität achsparallel gegen die zweite Drehachse versetzt ist. Die Exzenterlager weisen fest mit der Kurbelwelle verbundene Exzenterkreisscheiben auf, deren Scheibenachsen die dritten Drehachsen definieren und die drehbar in Lageröffnungen der Kolbenstangen sitzen. Der Zylinderläufer ist damit ausschließlich über die Kolbenstangen drehmomentfest mit der Kurbelwelle gekuppelt.
Im Unterschied zu der aus dem US-Patent 3 665 811 bekannten Kolbenmaschine ist erfindungsgemäß der Lagerkreisdurchmesser der Exzenterkreisscheiben einerseits größer gewählt als die vorbestimmte Exzentrizität und das Verhältnis der Lagerkreisradius der Exzenterkreisscheiben zur vorbestimmten Exzentrizität ist kleiner als 4 gewählt.
Bei einer solchen Bemessung erübrigen sich die bei der bekannten Kolbenmaschine erforderlichen Kurbelwangen beiderseits der Exzenterkreisscheiben, wodurch die axiale Baulänge der Kurbelwelle kleingehalten werden kann. Die Exzenterkreisscheiben können im wesentlichen unmittelbar axial aufeinanderfolgen, wobei der Materialquerschnitt im radialen Überlappungsbereich der Exzenterkreisscheiben auch für die Übertragung großer Radialkräfte hinreichend bemessen werden kann.
Um vergleichsweise hohe Kolbenkräfte aufnehmen zu können, wird ein möglichst großer Lagerkreisdurchmesser der Exzenterkreisscheiben angestrebt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Kolbenmaschine bei Drehantrieb des Zylinderläufers, beispielsweise aufgrund des Schwungmoments des rotierenden Zylinderläufers, selbsthemmend blockiert, wenn der Lagerkreisdurchmesser über bestimmte Grenzwerte hinaus vergrößert wird. Aufgrund der Kniehebelwirkung der in den Lageröffnungen der Kolbenstangen geführten Exzenterkreisscheiben hat jedes der Kolbenpaare bei Antriebsbelastung durch den Zylinderläufer einen Zylinderläufer-Winkelbereich, in welchem Selbsthemmung eintreten würde, wenn es nicht durch die Zwangsführung der beiden anderen Kolbenpaare nachgeführt würde. Der Lagerkreisdurchmesser der Exzenterkreisscheiben ist deshalb erfindungsgemäß so klein bemessen, daß der Selbsthemmungswinkelbereich jedes einzelnen Kolbenpaars, bezogen auf die Zylinderläuferdrehung, jeweils kleiner ist als 60°. Die Wahl der Abmessungen hängt hierbei von den Reibungskoeffizienten des Exzenterlagers und des Kolbens im Zylinder sowie von der Exzentrizität des Exzenterlagers ab. Im Rahmen der Erfindung wird damit bewußt die Selbsthemmung jeweils eines einzelnen Kolbenpaars in Kauf genommen und durch Dimensionierung der Abmessungen des Exzenterlagers sichergestellt, daß sich die Selbsthemmungs-Winkelbereiche zweier Kolbenpaare nicht überlappen können, was zu einer vollständigen Selbsthemmung der Kolbenmaschine führen würde. Die Selbsthemmung wird erfindungsgemäß vermieden, wenn das Verhältnis des Lagerkreisradius der Exzenterkreisscheiben zu deren Exzentrizität kleiner als 4 und vorzugsweise kleiner als 3, gewählt ist.
Um die Lagerreibung der Exzenterlager klein halten zu können, sind die zweckmäßigerweise als Nadellager ausgebildet. Das Nadellager der mittleren Exzenterscheibe und damit auch die mittlere Kolbenstange kann aufgrund der geringen axialen Abmessung der Kurbelwelle ungeteilt über die äußeren Exzenterkreisscheiben hinweg aufgezogen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Laufbahnen unmittelbar durch die in Umfangsrichtung ungeteilte Lageröffnung und durch den Umfang der Exzenterkreisscheibe gebildet.
Bei Verwendung als Brennkraftmaschine werden die Zylinder nacheinander im Bereich ihres radial äußeren Totpunkts mit Kraftstoff-Luft-Gemisch geladen, das, zumindest was den Frischluftanteil betrifft, bevorzugt über einen vorgeschalteten Verdichter verdichtet wird. Es hat sich hierbei herausgestellt, daß der Brennraum besser mit vorverdichtetem Gemisch gefüllt werden kann, wenn in der radial äußeren Totpunktstellung des Kolbens ein geringes Totraumvolumen in Kauf genommen wird und die Gaseinlaßöffnung, über die das vorverdichtete Gemisch zuführt wird, so angeordnet ist, daß das Totraumvolumen mit Gemisch beschickbar ist, noch bevor der Kolben die radial äußere Totpunktstellung erreicht. Das Totraumvolumen kann durch ein radiales Übermaß des Zylinders bereitgestellt werden. Die Vergrößerung der radialen Abmessungen des Zylinderläufers läßt sich aber vermeiden, wenn im Dach des Kolbens statt dessen wenigstens eine Mulde vorgesehen ist.
Zur Vorverdichtung der Frischluft kann ein von einer Abgasturbine angetriebener Verdichter vorgesehen sein. Eine solche Abgasturbine benötigt einen vergleichsweise hohen Ausgangsdruck der Abgase für einen wirtschaftlichen Betrieb und behindert damit den Ladungswechsel. Der Ladungswechsel läßt sich verbessern, wenn, wie in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, die im Gehäuse vorgesehene Gasauslaßöffnung in zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende, voneinander getrennte Auslässe unterteilt ist, von denen der bei der Zylinderläuferdrehung zuerst beschickte Auslaß mit der Abgasturbine verbunden ist. Die Abgasturbine wird zweckmäßigerweise im Drehbereich anschließend an die radial innere Totpunktstellung des Kolbens von den mit hohem Druck ausströmenden Abgasen angetrieben. Nachdem sich die Abgase teilweise entspannt haben, werden sie im Verlauf der weiteren Zylinderläuferdrehung über den nachfolgenden Auslaß bei vergleichsweise kleinem Gegendruck ausgeschoben. Ein Wandbereich des Gehäuses zwischen den beiden Auslässen, der breiter ist als die Zylinderöffnung am Umfang des Zylinderläufers, verhindert einen direkten Nebenschluß der Abgase zwischen den beiden Auslässen.
Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zylinder des Zylinderläufers zur Bildung von je zwei durch den Kolben voneinander getrennten Kammern radial beiderseits des Kolbens abgeschlossen. Den radial inneren Kammern und den radial äußeren Kammern sind jeweils gesonderte Gaseinlaßöffnungen und gesonderte Gasauslaßöffnungen zugeordnet. Durch diese Maßnahme läßt sich das Arbeitsvolumen der Kolbenmaschine ohne Vergrößerung der Bauabmessungen beträchtlich erhöhen. Die radial inneren Kammern lassen sich als Arbeitsräume eines Verdichters ausnutzen, der die radial äußeren Kammern mit vorverdichtetem Gas lädt. Die radial äußeren Kammern können zur Bildung eines Doppelkompressors ebenfalls als Verdichter-Arbeitsräume ausgebildet sein oder aber die Brennräume einer Brennkraftmaschine bilden. Beide Varianten zeichnen sich durch hohe Leistung bei geringem Bauvolumen aus.
Die Kolben können Kreisquerschnitt haben, sind aber vorzugsweise in Umfangsrichtung des Zylinderläufers schmäler als in dessen Axialrichtung. Auf diese Weise läßt sich der für die Unterbringung der Zylinder im Zylinderläufer verfügbare Querschnitt besser ausnutzen, so daß, ohne Durchmesservergrößerung des Zylinderläufers der Hubraum erhöht werden kann. Die Kolben können Rechteckquerschnitt haben oder aber halbzylindrische Schmalseiten, die sich an die im übrigen ebenen Breitseiten des Kolbens anschliessen. Beide Varianten haben den Vorteil, daß sie mit Hilfe segmentierter, d.h. aus mehreren Abschnitten gebildeten Dichtleisten zum Zylinder hin abgedichtet werden können. Bei rechteckigem Kolbenquerschnitt überlappen sich die Dichtleisten zweckmäßigerweise am Übergang der Breitseiten in die Schmalseiten. Bei halbzylindrisch geformten Schmalseiten werden vorzugsweise U-förmige Dichtleisten benutzt, die die Schmalseiten zwischen ihren Schenkeln einschließen. Sich überlappende Dichtleisten können im vorliegenden fall eingesetzt werden, da aufgrund der Bauweise der Kolbenmaschine in den Brennräumen keine hohen Druckspitzen entstehen. Andererseits wird als Kolbenmaterial zweckmäßigerweise Keramik eingesetzt, um so für eine Verbesserung des Wirkungsgrads bei sehr hohen Brenngastemperaturen arbeiten zu können.
Die Zylinder sind zweckmäßigerweise zum Umfang des Zylinderläufers hin offen und werden von einem den Umfang des Zylinderläufers eng umschließenden Gehäuse nach außen abgeschlossen. Ein zwischen der Umfangswand des Gehäuses und der Umfangsfläche des Zylinderläufers verbleibender Ringspalt läßt sich ausgleichen, wenn sowohl die Umfangsfläche des Zylinderläufers als auch die Innenfläche der den Zylinderläufer umschließenden Umfangswand des Gehäuses geringfügig konisch ist und die Umfangswand axial verstellbar ist.
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, insbesondere, wenn es sich um eine Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung handelt, 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.
Eine weitere Ausgestaltung 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.
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 Schnittansicht durch eine weitere Variante der Brennkraftmaschine aus Fig. 1;
Fig. 7: eine schematische Schnittansicht einer Kolben-Brennkraftmaschine mit integriertem Verdichter;
Fig. 8: eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine, gesehen entlang einer Linie VIII-VIII in Fig. 7.

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 Achsen der Zylinderpaare sind hierbei um 120° um die Drehachse 7 herum gegeneinander winkelversetzt und liegen in derselben achsnormalen Ebene des Zylinderläufers 5, können aber auch in Richtung der Drehachse 7 etwas gegeneinander versetzt sein. 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. Die Exzenterkreisscheiben 27 haben einen Radius, der größer ist als die Exzentrizität e und sind ausschließlich in ihrem radialen Überlappungsbereich miteinander verbunden. Über die Umfangsflächen der einzelnen Exzenterkreisscheiben 27 stehen damit ausschließlich Kreisbereiche der übrigen Exzenterkreisscheiben vor. Dies hat den Vorteil, daß das Nadellager 31 der mittleren Exzenterkreisscheibe 27 über die beiden äußeren Exzenterkreisscheiben 27 hinweg aufgefädelt werden kann. In der dargestellten bevorzugten Ausgestaltung sind die Laufflächen der Nadellager jeweils unmittelbar durch die Umfangsflächen der Exzenterkreisscheiben 27 bzw. die in Umfangsrichtung Innenflächen der Lageröffnungen 29 gebildet. Es genügt in einem solchen Fall, daß der zur Führung der Nadelkörper vorgesehene Wälzlagerkäfig beispielsweise in zwei Hälften geteilt ausgeführt wird, um das mittlere Nadellager bei ungeteilter Kolbenstange 19 einbauen zu können. Nadellager werden im Rahmen der Erfindung bevorzugt, da sie günstigere Reibungseigenschaften haben, was, wie untenstehend noch erläutert wird, bei der Bemessung der Brennkraftmaschine für höhere Leistungen von Vorteil ist.
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 der Exzenter-Kreisscheiben 27 problemlos größer als die Exzentrizität e bemessen ist. Die Wahl eines vergleichsweise großen Werts von r 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 ExzenterDrehachse 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 Lagerkreisradius r der Exzenterkreisscheiben 27 nicht beliebig groß gewählt werden kann, da es bei betrieb 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 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 die Selbsthemmung bei Antrieb vom Zylinderläufer 5 her aber andererseits überwunden werden kann, wenn die reibkraftbestimmenden Parameter so gewählt werden, daß ein Winkelbereich α des Drehwinkels des Zylinderläufers 5, in welchem bei Antrieb vom Zylinderläufer 5 her bei Betrachtung lediglich eines ein einzelnen Kolbenpaars auftreten kann, kleiner als 60° ist. Der Winkel α bezeichnet hierbei den Winkel zwischen der die Drehachsen 7 und 25 beinhaltenden Ebene zur Verschieberichtung des betrachteten Kolbenpaars. Ausgehend von den in Fig. 4 skizzierten Verhältnissen läßt sich folgende für die Überwindung des Selbsthemmungseffekts relevante Beziehung abschätzen: ${arc tan µ}_{k}^{-1} - arc sin \frac{r/e}{\sqrt{{1+µ}_{e}^{-2}}} < \frac{π}{3}$
Hierbei bedeutet

µ_e: den Reibungskoeffizienten des Exzenterlagers
µ_k: den Reibungskoeffizienten des Kolbens 17 im Zylinder 15
r: den Radius des Lagerkreises des Exzenterlagers
e: den Abstand der Drehachse 7 von der Drehachse 25.

Bei Verwendung eines Nadellagers ist das erreichbare Verhältnis r/e kleiner 4, normalerweise etwa 2,5 bis 3.
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 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 beginnt in Drehrichtung des Zylinderläufers 5 von einer 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, in welchem wenigstens eine Mulde 50 eingesenkt ist. Die Mulde 50 beläßt in der radial äußeren Totpunktstellung des Kolbens 17 ein kleines Totraumvolumen, das, nachdem die Einlaßöffnung 47 bereits vor der äußeren Totpunktstellung beginnt, die Füllung des Brennraums mit Frischgemisch verbessert. Es versteht sich, daß das Totraumvolumen gegebenenfalls entfallen kann oder aber durch eine spezielle Gestaltung der Einlaßöffnung 47 oder eine Vergrößerung der Radialabmessungen des Zylinderläufers bereitgestellt werden kann.
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 46 der Abgasturbine 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 federbelastetes Rückschlagventil 55 vorgesehen.
Der Wärmetauscher 46 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. 3 zeigt in strichpunktierter Darstellung zusätzlich eine Variante des Kolbens 17, bei der der Kolben 17 wiederum in Umfangsrichtung des Zylinderläufers schmäler ist als in Richtung der Drehachse des Zylinderläufers. Der Kolben hat angenähert ovalen Abschnitt, wobei die Schmalseiten durch halbzylindrische Flächen gebildet sind, die in ebene Flächenbereiche der Breitseiten übergehen. Für die Abdichtung des Kolbens sind von den halbzylindrischen Schmalseiten her U-förmige Dichtleistensegmente 76 in umlaufende Nuten des Kolbens eingesetzt, die den Kolben zwischen ihren Schenkeln aufnehmen. Es versteht sich, daß zur Verbesserung der Dichtwirkung die Schenkel einander gegenüberliegender Dichtleistensegmente überlappen können und daß, wie üblich, Dichtleistenfederungen zur Erhöhung des Anpreßdrucks vorgesehen sein können.
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 darüber hinaus 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.
Im folgenden werden Varianten der Brennkraftmaschine erläutert. In den Figuren dargestellte Teile sind mit den Bezugszahlen der Fig. 1 und 2 bezeichnet und zur Unterscheidung mit einem Buchstaben versehen. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise wird auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2 Bezug genommen.
Die in Fig. 5 dargestellte Variante der Brennkraftmaschine unterscheidet sich von der Brennkraftmaschine der Fig. 1 und 2 im wesentlichen nur durch die Art der Brennraumgestaltung. Darüber hinaus 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.
Fig. 6 zeigt eine Variante der Brennkraftmaschine, die sich in erster Linie durch die Gestaltung ihrer Auslaßöffnung 51b von der Brennkraftmaschine der Fig. 1 und 2 unterscheidet. Die Auslaßöffnung 51b ist in zwei in Umfangsrichtung des Zylinderläufers 5b am Umfang des Gehäuses 1b aufeinanderfolgende Auslässe 111, 113 unterteilt. Die Auslässe 111, 113 sind durch einen Wandbereich 115 des Gehäuses 1b voneinander getrennt, der in Umfangsrichtung breiter ist als die Stirnöffnung jedes der Zylinder 15b, um so einen direkten Nebenschlußweg der Abgase zwischen den beiden Auslässen 111, 113 beim Vorbeibewegen des Zylinders 15b zu verhindern. An dem der radial inneren Totpunktstellung der Kolben 17b in Umfangsrichtung nähergelegenen Auslaß 111 ist die Abgasturbine 37b angeschlossen, die auf diese Weise von dem bei Auslaßbeginn mit hohem Druck ausströmenden Abgasen getrieben wird. Der Auslaß 113 folgt in Drehrichtung des Zylinderläufers 5b nach und sorgt, da er nicht gegen den Druck einer Turbine arbeiten muß, dafür, daß sich die Abgase weitgehend entspannen können. Durch die Unterteilung der Auslaßöffnung 51b in zwei aufeinanderfolgende Auslässe, von denen nur der erste Auslaß zum Antrieb der Abgasturbine 37b ausgenutzt wird, läßt sich der Ladungswechsel verbessern. Ein Wärmetauscher (Teile 46 und 57 bis 69) ist nicht dargestellt, kann jedoch in abgewandelter Form für den Wärmeaustausch zwischen Abgasen und verdichteter Frischluft vorhanden sein. Alternativ kann aber auch das vorverdichtete Gemisch zur Erreichung einer hohen Ladedichte gekühlt werden, bevor es in die Brennkraftmaschine geladen wird.
Die Fig. 7 und 8 zeigen schematisch eine Variante einer Kolben-Brennkraftmaschine der in den Fig. 1 und 2 erläuterten Art, bei welcher jeder der Zylinder 15c nicht nur nach radial außen durch eine Umfangswand 121 des Gehäuses 1c, sondern auch nach radial innen durch Böden 123 des Zylinderläufers 5c verschlossen sind. Die Kolbenstangen 19c, die die Kolben 17c wiederum paarweise starr miteinander verbinden, sind abgedichtet durch die Böden 123 hindurchgeführt. Jeder der Kolben 17c unterteilt damit den Zylinder 15c in zwei Arbeitsräume 125 bzw. 127, von denen der radial innere Arbeitsraum 125 als Verdichtungsraum und der radial äußere Arbeitsraum 127 als Brennraum ausgenutzt wird. In einer Stirnwand 129 des Gehäuses 1c sind ein Einlaßkanal 131 und ein Auslaßkanal 133 um die Drehachse 7c des Zylinderläufers 5c gekrümmt angeordnet, die während einer Ansaugphase, in welcher der Kolben 17c nach radial außen bewegt wird, mit einer in den radial inneren Raum 125 mündenden Öffnung 135 fluchten. Der Auslaßkanal 133 fluchtet mit der Öffnung 135 gegen Ende der Kompressionsphase.
Der durch die radial inneren Räume 125 gebildete Verdichter wird von dem Turbinenverdichter 39c mit vorverdichteter, bei 41c zugeführter Frischluft beschickt. Der Turbinenverdichter 39c ist hierzu über einen Kanal 137 mit dem Einlaßkanal 131 verbunden. Die an den Abgasauslaß 51c der Brennkraftmaschine angeschlossene Abgasturbine 37c treibt die Verdichterturbine 39c an. Die aus dem Auslaß 53c der Abgasturbine 37c strömenden Abgase erwärmen die über einen Verbindungskanal 139 aus dem Auslaßschlitz 133 dem Brennraum 43c zugeführte, verdichtete Frischluft in einem Wärmetauscher 141. Der Brennraum 43c liegt außerhalb der radial äußeren Räume 127 des Zylinderläufers 5c. Der Kraftstoff wird über die Einspritzdüse 45c in den Brennraum 43c eingespritzt und hier auch mittels der Zündkerze 73c gezündet. Es versteht sich, daß die Zündkerze 73c auch in der Umfangswand 121 des Gehäuses 1c angeordnet sein kann, so daß das Gemisch in den Brennräumen 127 gezündet wird.
Die Umfangwand 121 muß den Umfang 9c des Zylinderläufers 5c eng umschließen. Um Toleranzen ausgleichen zu können, ist die Umfangsfläche 9c des Zylinderläufers 5c leicht konisch gestaltet, während die Innenfläche der Umfangswand 121 als komplementärer Innenkonus ausgebildet ist. Die Umfangswand 121 ist in nicht näher dargestellter Weise für den Toleranzausgleich axial justierbar.
Für die Kühlung der Brennkraftmaschine sitzt auf der Kurbelwelle 23c ein Turbinenrad 141, welches in einen durch Ringrippen 77c, 79c des Zylinderläufers 5c und des Gehäuses 1c gebildeten Labyrinthspalts 143 Kühlluft fördert. Die Kühlluft wird im radial inneren Bereich des Labyrinthspalts 143 zugeführt und strömt durch Axialkanäle 145, die sowohl im Gehäuse 1c als auch zwischen den Zylindern 15c im Zylinderläufer 5c vorgesehen sind, zur axial gegenüberliegenden Seite. Ringkanäle 147 führen die Kühlluft ab.
Die Einlaß- und Auslaßkanäle 131, 133 können, wie dies bei 149 in Fig. 8 angedeutet ist, auch in der Umfangswand 121 anstelle der Stirnwand 129 vorgesehen werden. Die Öffnung 135 wird dann durch radiale Kanäle 151 zum Umfang 9c geführt.
Die vorstehend erläuterte Brennkraftmaschine kann auch als Doppelkompressor ausgenützt werden, wenn die radial äußeren Räume 127 ebenfalls als Verdichterräume genutzt werden.
Im Vorstehenden wurden Ausführungsbeispiele erläutert, bei welchen lediglich eine einzige Gruppe von drei Kolben- bzw. Zylinderpaaren vorgesehen ist. Es versteht sich, daß auch mehrere solcher Gruppen axial nebeneinander auf einer gemeinsamen Kurbenwelle angeordnet sein können. Diese Gruppen können entweder sämtlich als Brennkraftmaschine arbeiten; es ist aber auch möglich, Verdichter und Brennkraftmaschinen axial nebeneinander anzuordnen.

Claims

Kolbenmaschine, insbesondere Kolben-Brennkraftmaschine, mit einer Maschinenbasis (1) und einem um eine erste Drehachse (7) drehbar an der Maschinenbasis (1) gelagerten Zylinderläufer (5), welcher wenigstens eine Gruppe von drei um die erste Drehachse (7) herum gegeneinander um 120° winkelversetzte Zylinderpaare (15) aufweist, deren die Paare bildendem 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 Exzenterläger (27, 31) geführt sind, die gegeneinander um 120° um die zweite Drehachse (25) herum winkelversetzte, relativ zur Kurbelwelle (23) feststehende, dritte Drehachsen (33) definieren, von denen jede um die vorbestimmte Exzentrizität (e) achsparallel gegen die zweite Drehachse (25) versetzt ist, wobei die Exzenterlager (27, 31) fest mit der Kurbelwelle (23) verbundene Exzenterkreisscheiben (27) aufweisen, deren Scheibenachsen die dritten Drehachsen (33) definieren und drehbar in Lageröffnungen (29) der Kolbenstangen (19) sitzen und wobei der Zylinderläufer (5) mit der Kurbelwelle (23) ausschließlich über die Kolbenstangen (19) drehmomentfest gekuppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkreis-Radius (r) der Exzenterkreisscheiben (27) einerseits größer ist als die vorbestimmte Exzentrizität (e) und daß das Verhältnis des Lagerkreisradius (r) der Exzenterkreisscheiben (27) zur vorbestimmten Exzentrizität (e) kleiner ist als 4.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Lagerradius der Exzenterkreisscheiben (27) zur vorbestimmten Exzentrizität so bemessen ist, daß für jedes Kolbenpaar (17) die Beziehung gilt ${arc tan µ}_{k}^{-1} - arc sin \frac{r/e}{\sqrt{{1+µ}_{e}^{-2}}} < \frac{π}{3}$
wobei
µ_e der Reibungskoeffizient des Exzenterlagers (27, 31),

µ_k der Reibungskoeffizient des Kolbens (17) im Zylinder (15),

r der Radius des Lagerkreises des Exzenterlagers (27, 31) und

e die vorbestimmte Exzentrizität
ist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Lagerkreisradius (r) der Exzenterkreisscheiben (27) zur vorbestimmten Exzentrizität (e) kleiner ist als 3.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzenterlager als Nadellager (29) ausgebildet sind, deren innere Laufbahnen an den Exzenterkreisscheiben (27) und deren äußere Laufbahnen an den in Umfangsrichtung ungeteilten Lageröffnungen (29) der Kolbenstangen (19) unmittelbar angeformt sind, und daß die Exzenterkreisscheiben (27) ausschließlich in Querschnittsbereichen ineinander übergehen, die radial innehalb der von den inneren Laufbahnen umschlossenen Querrschnittsflächen liegen.
Kolbenmaschine, bei welcher die Zylinder (17) zum Umfang des Zylinderläufers (5) offen sind, 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 Gaseinlaßöffnung (47) und wenigstens eine mit den Zylindern (15) in einem anderen Teil ihres Drehwegs überlappende Gasauslaßöffnung (51) vorgesehen sind und die Gaseinlaßöffnung (47) mit einem Verdichter (39) für in die Zylinder (15) einzuführende Frischgas insbesondere mit einer Verdichterturbine verbunden ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder (15) in der radial äußeren Totpunktstellung seines Kolbens (17) ein Totraumvolumen einschließt und daß die Gaseinlaßöffnung (47) so angeordnet ist, daß das Totraumvolumen mit Frischgas beschickbar ist, bevor der Kolben (17) die radial äußere Totpunktstellung erreicht.
Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Totraumvolumen durch wenigstens eine Mulde (50; 50b) im Dach des Kolbens (17; 17b) gebildet ist.
Kolbenmaschine, bei welcher die Zylinder (17b) zum Umfang des Zylinderläufers (5b) offen sind, die Maschinenbasis ein den Umfang des Zylinderläufers (5b) eng umschließendes Gehäuse (1b) bildet, in welchem wenigstens eine mit den Zylindern (15b) in einem Teil ihres Drehwegs überlappende Gaseinlaßöffnung (47b) und wenigstens eine mit den Zylindern (15b) in einem anderen Teil ihres Drehwegs überlappende Gasauslaßöffnung (51b) vorgesehen sind, nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßöffnung (51b) zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende, voneinander getrennte Auslässe (111, 113) bildet, von denen der bei der Zylinderläuferdrehung zuerst beschickte Auslaß (111) mit einer Abgasturbine (37b) verbunden ist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Auslässe (111,113) in Umfangsrichtung durch einen Wandbereich (115) des Gehäuses (1b) voneinander getrennt sind, der breiter ist als die Zylinderöffnung am Umfang des Zylinderläufers (5b).
Kolbenmaschine, bei welcher die Maschinenbasis ein den Zylinderläufer (5c) umschließendes Gehäuse (1c) bildet, in welchem wenigstens eine mit den Zylindern (15c) in einem Teil ihres Drehwegs überlappende Gaseinlaßöffnung (47c) und wenigstens eine in einem anderen Teil ihres Drehwegs überlappende Gasauslaßöffnung (51c) vorgesehen sind, nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (15c) des Zylinderläufers (5c) zur Bildung von je zwei, durch den Kolben (17c) voneinander getrennten Kammern (125, 127) radial beiderseits des Kolbens (17c) abgeschlossen sind, und daß den radial inneren Kammern (125) und den radial äußeren Kammern (127) gesonderte Gaseinlaßöffnungen (131) und gesonderte Gasauslaßöffnungen (133) zugeordnet sind.
Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßöffnung (133) der radial inneren Kammern (125) mit der Gaseinlaßöffnung (147) der radial äußeren Kammer (127) verbunden ist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die radial inneren Kammern (125) Arbeitsräume eines Verdichters und die radial äußeren Kammern (127) Arbeitsräume eines Verdichters oder einer Brennkraftmaschine bilden.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an die Gasauslaßöffnung (15c) der radial äußeren Kammern (127) eine Abgasturbine (37c) und an die Gaseinlaßöffnung (131) der radial inneren Kammern (125) ein von der Abgasturbine (37c) angetriebener Turbinenverdichter (39c) angeschlossen ist.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (17) in Umfangsrichtung des Zylinderläufers (5) schmäler sind als in dessen Axialrichtung.
Kolbenmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitseiten des Kolbens (17) eben und die Schmalseiten ebenfalls eben oder halbzylindrisch geformt sind.
Kolbenmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in Nuten an den Breitseiten und den Schmalseiten des Kolbens (17) voneinander gesonderte Dichtleistenabschnitte (75) angeordnet sind, die am Übergang der Breitseiten in die Schmalseiten überlappen.
Kolbenmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in umlaufende Nuten des Kolbens (17) U-förmige Dichtleisten (76) eingesetzt sind, die die Schmalseiten zwischen ihren Schenkeln einschließen.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Zylinder (15c) zum Umfang des Zylinderläufers (5c) offen sind, und die Maschinenbasis ein dem Umfang des Zylinderläufers (5c) eng umschließendes Gehäuse (1c) bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderläufer (5c) eine geringfügig konusförmige äußere Umfangsfläche (9c) hat und daß das Gehäuse (1c) eine axial zum Zylinderläufer (5c) verstellbare, den Zylinderläufer (5c) umschließende Umfangswand (121) mit einer zur konüsförmigen Umfangsfläche (9c) des Zylinderläufers (5c) komplementären, inneren, konusförmigen Umfangsfläche aufweist.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Zylinder (17) zum Umfang des Zylinderläufers (5) offen sind, und 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 Gaseinlaßöffnung (47) und wenigstens eine mit den Zylindern (15) in einem anderen Teil ihres Drehwegs überlappende Gasauslaßöffnung (51) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, 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, daß eine Brennstoffzuführeinrichtung (45) vorgesehen ist, die den Brennstoff zwischen dem Verdichter (39) und der Gaseinlaßöffnung (47) der verdichteten Frischluft zuführt und daß die Gasauslaßöffnung (51) mit einem Wärmetauscher (46) verbunden ist, der die im Gaszuleitungsweg vom Verdichter (39) zur Gaseinlaßöffnung (47) strömende, verdichtete Frischluft bzw. das Brennstoff-Frischluftgemisch erwärmt.
Kolbenmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (46) einen Wandteil des Gehäuses (1) im Bereich der Gasauslaßöffnung (51) bildet.
Kolbenmaschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (46) einen Tauscherkörper (57) mit an die Gasauslaßöffnung (51) anschließenden, etwa radial zur ersten Drehachse (7) verlaufenden ersten Kanälen (65) und mit im wesentlichen in Tangentialrichtung des Zylinderläufers (5) verlaufenden, vom Verdichter (39) zur Gaseinlaßöffnung (47) führenden, zweiten Kanälen (59) aufweist.
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 eines durch die Maschinenbasis gebildeten, den Zylinderläufer umschließenden Gehäuses (1) mehrere zur Drehachse (7) koaxiale, ringförmige Kühlrippen (77, 79) vorgesehen sind, die zur Bildung eines Labyrinths wechselweise ineinandergreifen.
Kolbenmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Kühlrippen (77, 79) gebildete Labyrinth mit seinem Innenumfang und seinem Außenumfang an einen Ölkreislauf angeschlossen ist und 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 Kühlrippenlabyrinth abschließenden Umfangskammer (85) des Gehäuses (1) bildet.