Drehkolbenmasehine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine, welche sich dadurch auszeichnet, dass in einem ringförmigen Zylinder, welcher in einem Gehäuse drehend und mit einer Leistungswelle in nur einer Richtung drehverbunden gleichachsig angeordnet ist, mehrere Zylinderköpfe befestigt sind und dass im ringförmigen Zylinder eine den Zylinderköpfen entsprechende Anzahl Kolben vorgesehen ist, wobei die Kolben mit der Leistungswelle starr und die Zylinderköpfe über Pleuel mit den Kolben wirkverbunden sind, und ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass Mittel zur periodischen Änderung der Drehgeschwindigkeiten von Kolben und Zylinderköpfen angeordnet sind, derart, dass während der Drehbewegung zwischen den entsprechenden Kolben und Zylinderköpfen der Arbeitsraum seine Grösse periodisch ändert.
Bei Drehkolbenmaschinen treten verschiedene Schwierigkeiten auf, insbesondere das Problem, die Kolbenbewegung auf der Leistungswelle in eine Drehbewegung zu verwandeln, das Dichtungsproblem und die Wärmeprobleme.
Die vorliegende Erfindung trägt diesen Problemen besonders Rechnung. Sie wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Meridianschnitt, mit Teilen in Ansicht.
gemäss Linie I-I der Fig. 2 durch einen 6-Kolbenverbrennungsmotor,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Motors, teilweise geschnitten nach Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 und 4 die gegenseitigen Bewegungszusammenhänge zwischen den unterbrechenden Bewegungen von Zylinderkopf bzw. ringförmigem Zylinder und den Kolben bzw. der Antriebsscheibe durch den Führungsmechanismus (Fig. 3), und den Zahnradmechanismus (Fig. 4), sowie die Lagen aller Zylindergehäuseöffnungen bei diesen Bewegungen,
Fig. 5 bis 7 eine Erklärung der Wirkungen der verschiedenen Funktionen einer Viertaktmaschine.
In den Fig. 1 und 2 sind sechs Kolben 1 mit ihren Kolbenstangen 4 in gleichen Abständen längs des Umfangs einer Antriebsscheibe 3 befestigt, welche mit einer Leistungswelle 2 aus einem Stück besteht. Diese Kolben 1 sind in einem ringförmigen Zylinder 9 angeordnet, der durch eine ringförmige Aufnahmenut 7, die sich an der Innenseite eines Zylindergehäuses 6 befindet, auf sechs Kugellagern 5 beidseitig gestützt ist. Sechs Sperr-Rollen 8 sind bezüglich der Antriebsscheibe 3 konzentrisch so gehalten, dass der Zylinder 9 sich nur in einer Richtung, nämlich im Gegenuhrzeigersinn (Fig. 1) frei drehen kann.
Im Innern des ringförmigen Zylinders 9 sind zwischen den einzelnen Kolben 1 sechs Zylinderköpfe 10 in gleichen Abständen am Zylinder befestigt, so dass zwischen allen Kolben 1 und den benachbarten Zylinderköpfen 10 sechs Arbeitskammern 11 entstehen.
Da an der Berührungsfläche zwischen dem ringförmigen Zylinder 9 und der Antriebsscheibe 3, während deren gleitenden Relativbewegung die Arbeitsräume 11 im Zylinder 9 abgedichtet werden müssen, wird die Antriebsscheibe 3 im Bereiche ihres Randes an sechs Stellen 12 bogenförmig durchbrochen. An diesen Stellen 12 sind sechs Zwischenstücke 13 und Feststellbolzen 14 beidseits der Öffnungsseite des ringförmigen Zylinders 9 befestigt.
An der Berührungsfläche sind Seitenringe eingesetzt. Der ringförmige Zylinder 9 verändert gesteuert durch die an beiden Seiten der Antriebsscheibe 3 befindlichen Pleuel 15 und durch einen speziellen in der Folge erläuterten Fühungsmechanismus oder einen Zahnradmechanismus periodisch seine Winkelgeschwindigkeit. Seine Bewegung ist im Gegensatz zu den fortlaufend gleichen Drehgeschwindigkeiten der Kolben 1 unterbrochen, so dass während der entsprechenden Bewegungen des ringförmigen Zylinders 9 und der Antriebsscheibe 3 die sechs Feststellbolzen 14 in ihren bogenförmigen Führungen 12 eine hin und her gehende Bewegung ausführen.
Die Bewegungen ergeben den Zuwachs und die Abnahme aller Volumina der Arbeitskammern 11, und zwar periodisch und nacheinander so, dass alle Takte des Viertaktmotors fortlaufend an den je 3 Öffnungsstellen für Ansaugen 16, Ausstossen 17 und Komprimieren sowie Breunstoffeinspritzen oder Zünden 18, welche am Zylindergehäuse 6 und dem ringförmigen Zylinder 9 beidseitig angebracht sind, stattfinden können. Um ferner am Ende des Arbeitstakts die Arbeitsräume 11 von Abgas zu befreien, sind am Zylindergehäuse 6 und dem ringförmigen Zylinder 9 sechs durchgehende Lufteintrittsöffnungen 19 und Gasaustrittsöffnungen 20 vorgesehen. Diese Luft wird auch zur Kühlung der Rückseiten der Kolben 1, der Zylinderköpfe 10 und der Innenseite des ringförmigen Zylinders 9 verwendet.
Zur Kühlung der Maschinen wird sowohl in der Antriebsscheibe 3 als auch im ringförmigen Zylinder 9 eine Wasserkühlung angebracht. Da bei der gegenseitigen Bewegung von Antriebsscheibe 3 und ringförmigem Zylinder 9 deren gegenseitige maximale Entfernung tangential 30% beträgt, verbindet man beide Wasserkühlungen mit Schläuchen, wobei man das Kühlwasser von dem einen Ende der Leistungswelle eintreten und nach Kühlung des Innern der Antriebsscheibe 3 und des ringförmigen Zylinders 9 am anderen Ende der Leistungswelle wieder austreten und zirkulieren lässt.
Um nun dem ringförmigen Zylinder 9 im Verhältnis zu der untereinander gleichen Drehbewegung dem Kolben 1 eine unterbrechende Bewegung zu erteilen und um ferner diese Bewegung des Zylinders 9 und der Kolben 1 auf die Lage der öffnungen des Zylindergehäuses 6 abzustimmen, ist ein Steuermechanismus, bestehend aus Führungsbahnen oder zweierlei Zahnradmechanismen, vorhanden, welcher alle drei sich nach vorbestimmter Gesetzmässigkeit bewegen lässt. Dieser Mechanismus wird nun im einzelnen erläutert. Wie bereits erwähnt, führt jeder der sechs Kolben 1, während der ringförmige Zylinder 9 sich einmal dreht, einen der Prozesse Ansaugen, Komprimieren, Verbrennen, Ausstossen des Vier taktmotors gleichzeitig an drei Stellen aus. Dies wiederholt sich dreimal auf dem Umfang des Zylinders 9.
Es wird also ein Zyklus auf 1200 der Drehbewegung und jeder einzelne Takt auf 300 ausgeführt. Nimmt man an, dass in Fig. 3 nach der ersten Art des Führungsbahnmechanismus in den 300 zwischen A und B angesaugt, zwischen B, C komprimiert, zwischen C, D verbrannt und zwischen D, E ausgestossen wird, so ist es nötig. dass der ringförmige Zylinder 9 und der darin fixierte Zylinderkopf 10 in bezug auf die gleichmässige Drehbewegung nach links (entgegen dem Uhrzeiger) des Kolbens 1 und der mit diesem fest verbundenen Antriebsscheibe 3 stillsteht, während der Kolben 1 sich um 300 von A nach B dreht (Ansaugen). Während dann der Kolben 1 sich von B nach C weiterdreht (Komprimieren), dreht sich der Zylinderkopf mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit nach und erreicht den Kolben 1 in C.
Der Zylinderkopf steht ebenfalls still während der Drehung des Kolbens 1 von C nach D (Verbrennung) und dreht während der Drehung der Kolben von D nach E nach (Ausstoss), wobei der Zylinderkopf 10 wieder mit dem Kolben 1 infolge der doppelten Winkelgeschwindigkeit des Kopfes im Punkt E zusammentrifft. Das eine Ende des Pleuels 15, welcher die Antriebsscheibe 3 mit dem ringförmigen Zylinder 9 verbindet, ist im Punkt Y durch den Bolzen 23 mit dem ringförmigen Zylinder 9 verbunden, wobei sich dieser Punkt Y in zwei gleichen kreisförmigen Führungsbahnen befindet. Diese sind an der Innenseite des Zylindergehäuses 6 und an der Seite der Antriebsscheibe 3 angeordnet. Der Bolzen 23 trägt an beiden Enden ein Kugellager. Diese sind in Führungsbahnen 21 und 22 frei drehend beweglich eingesetzt.
Das andere Ende des Pleuels 15 ist auf gleiche Weise mit dem Pleuelbolzen 24 verbunden, welcher ebenfalls an beiden Enden mit Kugellagern versehen ist. Dessen Punkt Z gleitet einerseits in der Führungsbahn 25, welche sich in der Form ZXWUT an der Innenseite des Zylindergehäuses befindet, und andererseits in der kreisförmigen Führung 26, deren Mittelpunkt sich auf dem Radius OL, 300 rechts vom Punkt Y, an der Seitenfläche der Antriebsscheibe 3 befindet. Wenn sich nun Pleuel 15 in der Stellung YZ befindet, so sind Kolben 1 und Zylinderkopf 10 in A beisammen. Die Arbeitskammer 11 ist geschlossen. Wenn sich nun die Antriebsscheibe 3 um 300 nach links dreht, so wandert auch der Kolben 1 um 300 nach links in die Kolben-Stellung 1' von A nach B.
Das Ende Y des Pleuels 15 verschiebt sich in den kreisförmigen Antriebsbahnen 21 und 22 ein wenig im Gegenuhrzeigersinn nach dem Punkt Y', der zum Ausgangspunkt der nächsten Drehbewegung wird. Das andere Ende Z des Pleuels 15 kommt dagegen in der Bahn ZX der Führungsbahn 25 in der Seitenwand des Zylindergehäuses 6, angetrieben durch die Antriebsführung 26 ZR der Antriebsscheibe 3, schliesslich 300 nach links über die Linie OA nach X zu liegen und es ergibt sich die Stellung Y'X (R') des Pleuels 15'.
Der Zylinderkopf 10 steht in A beinahe still. die Arbeitskammer 11 vergrössert sich und durch die Ansaugöffnung 16 wird Luft oder Mischgas angesaugt.
Hierauf bewegt sich der Kolben 1' von B nach C um weitere 300 nach links in die Stellung Kolben 1".
Gleichzeitig wird das Ende Y' des Pleuels 15' nach dem Punkt V, das Ende X nach dem Punkt Z" durch die Wirkungen des Teils XWZ" der Führungsbahn 25 und der kreisförmigen Antriebsbahn 26 verschoben. Da sich für den Pleuel 15" die Stellung VZ" ergibt, bewegt sich der Zylinderkopf 10 mit einemmal um ca. 600 nach links und trifft im Punkt C auf den Kolben 1". In der Arbeitskammer 11' wird die Luft oder das Gasgemisch komprimiert. Hier nun befindet sich die Brennstoffeinspritzdüse oder die Zündkerze 18. Durch Zündung, Verbrennung und Explosion wandert der Kolben 1" wieder nach links von C nach D in die Stellung des Kolbens 1"'. Der Pleuel 15" wird durch die gleiche Art wie beim Ansaugen zwischen AB aus der Lage VZ" in die Lage V'U (R"') des Pleuels 15" gebracht. Der Zylinderkopf 10' steht beinahe still. Die Arbeitskammer 11' erweitert sich.
Alsdann wandert der Kolben 1"' von D nach E in die Lage des Kolbens 1"". Der Pleuel 15"' bewegt sich wieder wie vorher von V'U (R"') nach SZ"" in die Stellung des Pleuels 15"", der Zylinderkopf 10" trifft in Punkt E auf den Kolben 1"", die Arbeitskammer verkleinert sich in 11" und durch die Abgasöffnung 17 tritt das Abgas aus.
Um jedoch die Konstruktion zu verstärken und die Kraftübertragung zu gewährleisten. wird anstelle der kreisförmigen Führung 26, wie in Fig. 2 ersichtlich, eine Kurbelwellenscheibe 26' verwendet, welche dieselben Funktionen erfüllt.
Im Unterschied zu Fig. 3 zeigt Fig. 4 eine zweite Steuermöglichkeit in Form eines Zahnradgetriebes. Hier wird anstelle der an der Innenfläche des Zylindergehäuses 6 vertieft liegenden Führungsbahn 25 am Zylindergehäuse eine Innenverzahnung 25a angebracht. Ferner wird auf der Antriebsscheibe 3 anstelle der kreisförmigen Führung 26 ein Zahnrad oder Ritzel 26a angeordnet, wobei das Zähnezahlverhältnis von Innenverzahnung 25a und Zahnrad 26a im Verhältnis 6:1 gewählt wird, so dass, wenn beide Zahnräder im Eingriff stehen und der Kolben 1, bzw. die Antriebsscheibe 3, nach links im Gegenuhrzeigersinn eine Umdrehung ausführt, das Zahnrad 26a, der Innenverzahnung 25a folgend, nach rechts im Uhrzeigersinn sechs Umdrehungen ausführt und wieder in dieselbe Stellung zurückkehrt.
Auch hier ist das eine Ende des Pleuels 15 auf dieselbe Art durch den oberen Bolzen 23 mit den kreisförmigen Führungsbahnen 21 und 22 des ringförmigen Zylinders 9 und der Scheibe 3 verbunden, während das andere Ende des Pleuels 15 durch den Bolzen 24 an einem sich in entsprechender Entfernung vom Zentrum des Zahnrades 26a befindenden Punkt Z mit dem Zahnrad 26a verbunden wird. Dadurch kann dieses Ende des Pleuels 15 eine zum Mittelpunkt des Zahnrades 26a exzentrische Bewegung ausführen.
Während sich bei der Linksdrehung (Gegenuhrzeiger) der Antriebsscheibe 3 das Zahnrad 26a von OL nach OD verschiebt, beschreibt der Punkt Z durch die planetarische eigene Umdrehung des Zahnrades 26 die Kurvenbahn ZXWUT, so dass man durch eine passende Auswahl der Länge des Pleuels 15 diesem dieselben Bewegungen erteilen kann, wie es bei der Ausführung nach Fig. 3 durch den erläuterten Führungsbahnmechanismus geschieht.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Mehrkolben-Turbomaschine mit der dort dargestellten gegenseitigen Lage des Kolbens 1, des ringförmigen Zylinders 9 und des Pleuels 15, sind die Arbeitskammern 11a', lla" und lla"' in Kompressionslage. Die komprimierte Luft oder das Mischgas werden durch Brennstoffeinspritzung durch die Brennstoffeinspritzdüsen oder von den Zündkerzen 18'.
18" und 18"' zur Explosion gebracht. Da der ringförmige Zylinder 9 durch die in Fig. 1 dargestellten sechs Sperr Rollen 8 an einer Rückdrehbewegung verhindert wird, steht er still, während die Kolben la', la" und la"' nach links gedrückt werden, so dass die Antriebsscheibe 3 und die Leistungswelle 2 die (gleiche) Linksdrehung erhalten, welche als Leistung auftritt. Da nun, wenn sich alle Arbeitskammern 11 vergrössern, und sich die Räume zwischen den Rückseiten der Kolben 1 und den Rückseiten der Zylinderköpfe 10 verkleinern, die sich in diesen Räumen befindende Luft durch die Luftaustritte 20 entweicht, kann man das Austrittsdruckgefälle der Kolben 1 unberücksichtigt lassen.
Die anderen Arbeitskammern llb', llb" und llb"', die sich gleicherweise in der Lage verkleinerter Volumina befinden, werden ebenso durch die Drehung nach links vergrössert und saugen durch die Ansaugöffnungen 16', 16" und 16"' neue Luft oder Mischgas an.
In Fig. 6 sind die Kolben 1 der Fig. 5 alle in einer um 300 nach links gedrehten Lage. Die Arbeitskammern 1 1a', 1 1a" und 1 1a"' sind vergrössert. Der Verbrennungsprozess ist abgeschlossen, das Abgas beginnt auszuströmen. Bei den anderen Arbeitskammern alb', llb" und alb"' ist der Ansaugprozess abgeschlossen und die Komprimierung kann beginnen. Wenn sich nun alle Arbeitskammern 11 zu verkleinern beginnen, so expandieren umgekehrt wieder die Räume hinter allen Kolben 1 und hinter allen Zylinderköpfen 10, wodurch durch die Lufteintritte 19 Luft angesaugt wird, die die Rückseiten aller Kolben 1 und die Rückseiten aller Zylinderköpfe 10 sowie das Innere des ringförmigen Zylinders 9 kühlt.
In Fig. 7 sind alle Kolben 1 im Vergleich zu Fig. 5 um 600 nach links gedreht. Die Arbeitskammern lla', lla" und 1 la"' haben ihre Lage mit den anderen Arbeitskammern alb', llb" und alb"' vertauscht. Beim Übergang von Fig. 6 zu Fig. 7 wurden alle sechs Arbeitskammern 11 ein zweites Mal verkleinert. In den Arbeitskammern lla', 11a" und 11a"' ist das Ausstossen der Abgase beendet und das Ansaugen steht bevor. In allen Arbeitskammern alb', 1 1b" und alb"' ist der Kompressionsprozess beendet und es wird gezündet. Diese Arbeitszyklen wiederholen sich fortlaufend.
Diese Vergrösserungs- und Verkleinerungsbewegung für die Arbeitskammern ist so ausgelegt, dass sie dem
Zylindergehäuse gegenüber immer an bestimmten Stellen stattfindet. Wenn man daher an entsprechenden Stellen zu beiden Seiten sowohl des Zylindergehäuses als auch des ringförmigen Zylinders Öffnungen anbringt, so benö tigt man den üblichen Ventilmechanismus nicht, da durch die Drehung des ringförmigen Zylinders und der
Kolben ein regelmässiges Öffnen und Schliessen stattfin det und die Öffnungen automatisch gesteuert werden.
Im Fall eines Viertakt-Kolbenturboverbrennungsmotors können diese Öffnungen zum Ansaugen, Zünden oder
Brennstoffeinspritzen und Ausstossen der Abgase verwendet werden.
Im Falle der Verwendung als Pumpe usw. können sie für Ein- und Austritt der geförderten Medien verwendet werden.
Wenn man diese Turbomaschine als Explosionsmotor mit Fremdzündung verwendet, so kann die Maschine selbst die Funktion von Schalter und Verteiler des Zündungsmechanismus übernehmen, so dass die Zündung äusserst einfach wird. Man kann das öffnen und Schliessen der Kontaktpunkte durch eine an der Leistungswelle angebrachte Kurvenscheibe steuern, indem man an der Innenseite des Zylindergehäuses zwei feste Kontakte nebeneinander anbringt, so dass der Kontakt offen ist. Der hochgespannte Strom einer sekundären Spule einer Induktionsspule fliesst nach dem einen fixen Kontakt, worauf durch den Durchgang eines Berührungsteils, der sich an geeigneter Stelle am Umfang des ringförmigen Zylinders befindet, die beiden fixen Kontakte einen Augenblick geschlossen werden, so dass der Strom zur Zündkerze fliesst und die Zündung erfolgt.
Wird diese Erfindung für einen Viertakt-Kolbenturboverbrennungsmotor verwendet, führt man in der Zeit, wo ein Kolben jener Anzahl von Kolben, die im Innern des ringförmigen Zylinders in gleichen Abständen angeord net sind, sich in der Drehrichtung an die Stelle des näch sten Kolbens bewegt, zwei Takte der vier Takte Ansaugen, Komprimieren, Verbrennen, Ausstossen einer Viertaktmaschine aus. Die beiden folgenden Takte kann man bei der Bewegung dieses Kolbens in die Stellung des nächsten Kolbens ausführen. Daher leistet jeder Kolben, während er einmal um die Leistungswelle umläuft, so viele Arbeitszyklen als der Hälfte der Gesamtanzahl an Kolben entspricht, die am Umfang der Leistungswelle angeordnet sind.
Es findet eine Totalzahl von Arbeitszyklen statt, welche der halben Kolbananzahl n mit der Gesamt n kolbenanzahl n multipliziert (- X n) entspricht. Z.B. im
2 Falle einer Umdrehung eines Sechskolbentu rboverbren-
G nungsmotors werden 6 = 18 Arbeitszyklen (An 2 saugen, Komprimieren, Verbrennen u. Ausstossen) ausgeführt.
Nach den vorbeschriebenen Ausführungen kann man bei solchen Turbomaschinen die Explosionskraft, welche auf die Kolben wirkt, direkt auf die Leistungswelle mittels eines grossen Drehmoments übertragen. Der mechanische Verlust und die Erschütterung können wegen Fehlens von hin- und herbeweglichen Teilen vermindert werden. Ganz allgemein wird durch den Wegfall des Ventilmechanismus und die Einfachheit der Zündvorrichtung die Konstruktion vereinfacht. Es gibt weniger Störungen, Volumen und Gewichte sinken im Verhältnis zur Leistung. Die Maschine ist aber nicht nur für hohe Geschwindigkeiten und hohe Leistung, sondern auch für niedrige Geschwindigkeiten und Teillast geeignet. Auch ist ihr Lauf ruhig, nicht lärmend, so dass man hier die Vorteile der hin- und herbewegenden Maschinen mit den Vorteilen der rotierenden Maschinen, wie Gasturbinen usw., vereinigen kann.