DE102006044946A1 - Drehkolbenmotor - Google Patents

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Abstract

Drehkolbenmotor, der durch von einem Impulsstrahl- oder Impuls-Explosionsgasstrom abgeleitete Energie angetrieben wird.

Description

  • Anwendungsbereich der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor. Genauer ausgedrückt betrifft diese Erfindung einen Impulsstrahl- oder Impuls-Explosionsgasstrommotor.
  • Hintergrund der Erfindung:
  • Bei Drehkolbenverbrennungsmotoren werden weniger Teile als bei Hubkolbenmotoren benötigt. Um jedoch eine vollständige kreisförmige Drehkolbenbewegung zu erreichen, wurde es notwendig, Reaktionsplatten bereitzustellen, die in einen Toroidzylinder hinein und aus demselben hinausbewegt wurden, um eine Reaktion für sich ausdehnende Verbrennungsgase bereitzustellen, um eine Kraft zum Bewegen des Kolbens bereitzustellen und dem Kolben das Vorbeibewegen zu ermöglichen. Solche Motoren sind schwierig herstellbar und nicht üblich.
  • Viele sogenannte „Dreh"-Kolbenmotoren sind Motoren, bei denen sich die Kolben über einen Teil des Kreises hin- und herbewegen und sich nicht um einen vollkommen kreisförmigen Bogen drehen.
  • Unter den am besten bekannten Otto-Verbrennungsmotoren mit einem ununterbrochen kreisenden und sich drehenden Kolben ist der Wankel-Motor. Das Konzept war viele Jahre bekannt, doch der Wankel-Motor wurde zuerst erfolgreich durch Felix Wankel betrieben. Ein Wankelmotor ist in dem U.S.-Patent Nr. 2,988,008 dargestellt, welches am 13. Juni 1961 an F. Wankel („Wankel-Patent") erteilt wurde. Das Wankel-Patent betrifft einen Motor, der ein peritrochoidförmiges Gehäuse aufweist, bei dem die Innenfläche des Gehäuses einen im Allgemeinen dreieckigen Kolben in einer exzentrischen Umlaufbahn umschließt und diesem Unterstützung und Führung bereitstellt. Während des Umlaufs des Kolbens beschreibt der Kolbenmittelpunkt eine kreisförmige Umlaufbahn um den Drehmittelpunkt einer Abtriebswelle. Die exzentrische Bewegung des Mittelpunktes des Kolbens im Verhältnis zu dem Drehmittelpunkt der Abtriebswelle wird zum Antreiben einer Kurbelwelle ver wendet, die eine kreisförmige Drehung der Abtriebswelle erzeugt.
  • Andere Arten von Drehkolbenmotoren sind in den U.S.-Patenten Nr. 1,687,511, erteilt am 16. Oktober 1928 an Powell („das Powell-Patent"), und 4,076,471, erteilt am 28. Februar 1978 an McClure („das McClure-Patent"), dargestellt. Im Gegensatz zu dem Wankelmotor weisen die in dem Powell- und McClure-Patent dargestellten Motoren Kolben auf, die sich um 360 Grad drehen. Das Powell- und McClure-Patent sind Otto-Verbrennungsmotoren, bei denen ein gasförmiger oder zerstäubter Flüssigkraftstoff mit Einlass-, Kompressions-, Verbrennungs- und Auslasszyklen verwendet wird. Bei den Powell- und McClure-Patenten ist eine volle Drehung eines Kolbens erforderlich, um einen vollen Otto-Zyklus zu erreichen.
  • Bei dem Powell-Patent werden die Kolben auf einer sich drehenden Bahn geführt, die durch eine Abtriebswelle und Lager drehbar gehalten ist, und werden weiterhin in einem kreisförmigen toroidförmigen „Zylinder" geführt. Die Kolben in dem Powell-Patent treiben eine Abtriebswelle an.
  • Bei jedem der Powell- und McClure-Patente erstreckt sich eine Platte oder ein Ventil in den „Zylinder", um eine Reaktions- oder „Gegendruck"-Fläche bereitzustellen, die während eines Verbrennungszyklus erzeugte, sich ausdehnende Verbrennungsgase enthält. Die Reaktionsplattenflächen verlaufen radial und senkrecht zu der „Achse" des toroidförmigen „Zylinders" und sind in den „Zylinder" eingesetzt, um eine Reaktion für die Verbrennungsgase bereitzustellen, und werden von dem „Zylinder" entfernt, um zu ermöglichen, dass sich der Kolben ohne Interferenz in einer vollkommen kreisförmigen Bahn bewegt.
  • Andere Arten von Drehkolbenmotoren sind auf den folgenden Internetseiten beschrieben und dargestellt:
    http://conceptengine.tripod.com/conceptengine/id2.html und
    http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse detonation engine.
  • Das auf der ersten Webseite dargestellte Motorenkonzept ist ein Impulsstrahlumlaufmotor. Im Wesentlichen wird ein Rotor in einem Gehäuse unter Verwendung eines Gegendruckes von der Impulszündung eines Strahlmotors gedreht. Der Rotor wird durch die Impulsübertragung des auf den Rotor wirkenden Strahles angetrieben.
  • Ein Kraftstoff-Luftgemisch und ein Verbrennungszündfunke werden dem Strahlmotor durch den Rotor zugeführt. Die Reaktion auf sich ausdehnende und austretende Verbrennungsgasstrahlen wird zur Beaufschlagung des Rotors des Motors mit Kraft verwendet.
  • Der auf der zweiten Webseite beschriebene Motor wird Impulsexplosionsmotor genannt. Einer der Unterschiede zwischen einem Impulsstrahlmotor und einem Impulsexplosionsmotor besteht in der Art, in der das Kraftstoff-Luftgemisch in ein sich ausdehnendes Gas umgewandelt wird. Bei einem Impulsstrahlmotor ist die Verpuffung oder Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches beteiligt, während bei einem Impulsexplosionsmotor die explosive Detonation des Kraftstoff-Luftgemisches verwendet wird. Durch die Verpuffung wird eine Flammenfrontgeschwindigkeit erzeugt, die unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt, während die Explosion eine Flammenfrontgeschwindigkeit erzeugt, die oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt, d. h. Mach 5. die Explosion ist eine im Wesentlichen kraftvollere Reaktion und hat eine extrem schnelle Art von Verbrennungsreaktion zum Ergebnis, wo sich die erzeugte Druckwelle mit Überschallgeschwindigkeiten fortbewegt.
  • Der Motor dieser Erfindung ist ein Drehkolbenmotor, bei dem entweder Impulsstrahl- oder Impulsexplosionsgase als Quelle der Triebkraft verwendet werden können.
  • Bei einigen Motoren nach dem Stand der Technik wird die herkömmliche Turbinenstrahlmotorentechnologie mit einer Impulsstrahl- oder Impulsexplosionsergänzung kombiniert. Beispiele solcher Hybridstrahlmotoren umfassen U.S.-Patent Nr. 6,477,829, 6,666,018, 6,813,878 und 6,883,302. Ein Drehimpulsexplosionsmotor ist in dem U.S.-Patent Nr. 4,741,154 offenbart, welches am 3. Mai 1988 an Eidelmann erteilt wurde und den Vereinigten Staaten von Amerika zugeordnet ist. Ein weiterer Drehimpulsexplosionsmotor ist in dem U.S.-Patent Nr. 6,725,646 von Callas et al. mit Datum vom 27. April 2004 offenbart.
  • Der Motor dieser Erfindung soll unter Verwendung von Prinzipien der Impulsexplosion, der Impulsstrahlverbrennung oder einer Kombination aus Impulsexplosion und Impulsstrahlverbrennung betrieben werden. Der Motor funktioniert mit einem Explosions- oder Verbrennungszyklus, der die Kompression eines Kraftstoff-Luftgemisches, die Verbrennung oder Explosion des komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches und den Ausstoß der Produkte der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches umfasst. Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, 4 oder mehr Otto-Zyklen bei einer einzigen Umdrehung eines Kolbens zu erhalten.
  • Die Kompression des Kraftstoff-Luftgemisches wird durch herkömmliche Mittel erreicht, d. h. durch einen Radialturbinenkompressor, und der Ausstoß von energiearmen Produkten der Verbrennung wird durch natürliche oder unterstützte Absaugung erreicht.
  • Die Zündung des komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches wird unter Verwendung eines elektrisch angetriebenen Zünders und geeigneter elektrischer und elektronischer Steuerungen erreicht.
  • Der Motor dieser Erfindung kann ein Kühlsystem unter Verwendung einer umlaufenden Kühlflüssigkeit umfassen.
  • Der Motor kann auch einen Anlassermotor zum Starten des Betriebes des Motors umfassen. Der Anlassermotor kann, wenn der Motor in Betrieb ist, auch als Generator zur Bereitstellung von elektrischem Strom funktionieren, der zur Aufrechterhaltung des Betriebes des Motors notwendig ist.
  • Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Drehkolbenmotors, bei dem Impulsstrahl- oder Impulsexplosionsenergie zum Bewegen eines Kolbens verwendet wird.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Drehkolbenmotors, der einen ununterbrochenen ungehinderten, kreisförmigen Kolbenbewegungspfad aufweist.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden an Hand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Konstruktion und des Betriebes offensichtlich.
  • Zusammenfassung der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor, der Folgendes umfasst:
    Ein Gehäuse, welches einen Einlassdurchgang mit einer Vorbrennkammer festlegt, eine Brenn-/Explosionskammer mit einem Auslassdurchgang und eine kreisförmige Toroidkammer;
    eine an dem Mittelpunkt der Toroidkammer in dem Gehäuse drehbar gelagerte Welle;
    eine im Allgemeinen kreisförmige Scheibe, die sich von der Toroidkammer zu der Welle erstreckt, und die antreibbar mit der Welle verbunden ist;
    einen Toroidsegmentkolben, der in der Toroidkammer angeordnet und antreibbar mit der Scheibe verbunden ist;
    eine mit der Brennkammer in Strömungsverbindung stehende Vorbrennkammer;
    eine in der Vorbrennkammer angeordnete Einspritzpumpe;
    wobei sich die zylindrische Brenn-/Explosionskammer im Wesentlichen tangential zu der Toroidkammer erstreckt;
    einen in der Brennkammer angeordneten Zünder;
    ein zwischen der Vorbrennkammer und der Brennkammer angeordnetes Durchflussregelventil zur Steuerung des Fluiddurchsatzes zwischen der Vorbrennkammer und der Brenn-/Explosionskammer; und
    Steuerungen zur Lieferung eines Kraftstoff-Luftgemisches an die Vorbrennkammer und von elektrischem Strom an den Zünder, wodurch das Kraftstoff-Luftgemisch in der Brenn-/Explosionskammer gezündet wird und die sich ergebenen Brenn-/Explosionsgase auf den Kolben einwirken und eine Triebkraft auf denselben aufbringen.
  • Die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches kann Verpuffung oder Explosion sein.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung:
  • 1 ist eine Grundrissansicht des Drehkolbenmotors,
  • 2 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Drehkolbenmotors, die einige zusätzliche bauliche Details darstellt,
  • 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Kompressorabschnittes des Drehkolbenmotors,
  • 4 ist eine Teilschnittansicht des Motors von 1, die entlang der Linie 4-4 von 1 abgenommen ist,
  • 5 ist eine Teilschnittansicht des Motors von 4, die entlang der Linie 5-5 abgenommen ist,
  • 6 ist eine rückseitige Grundrissansicht des in 4 und 5 dargestellten Kolbens,
  • 7 ist eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 5, die einen Kolben in einer ersten Arbeitsposition darstellt,
  • 8 ist eine rückseitige Grundrissansicht des Kolbens von 5,
  • 9 ist eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 7, die einen Kolben in einer zweiten Arbeitsposition darstellt,
  • 10 ist eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 7 mit einem alternativen Kolben in einer ersten Arbeitsposition, und
  • 11 ist eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 10 mit einem alternativen Kolben in einer ersten Arbeitsposition.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform:
  • Wie in 1 dargestellt, handelt es sich bei dieser Erfindung um einen Drehkolben-Verbrennungsmotor 1. Der Motor 1 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 7, eine Nabe und einen Zapfen 39 auf dem Gehäuse 7 und eine drehbar auf der Nabe und dem Zapfen 39 angebrachte Abtriebswelle 40.
  • 2 ist eine Seitenansicht des Motors 1 von 1. Wie in 2 zu sehen, umfasst der Motor 1 das zylindrische Gehäuse 7, Nabe und Zapfen 39 und die Abtriebswelle 40 und umfasst weiterhin ein Kompressorgehäuse 8, eine Quelle für elektrischen Strom und Zeitgebersteuerungen 2, die eine Drehstromgenerator/Batteriekombination umfassen können, eine Kraftstoffpumpe und einen Regler 3 und einen Anlassermotor/Drehstromgenerator 6.
  • 3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der innerhalb des Kompressorgehäuses 8 enthaltenen bzw. damit verbundenen Hauptkomponenten des Umlaufmotors 1. Der Kompressor umfasst einen Diffusor 150 und ein Schaufelrad 160. Das Schaufelrad 160 umfasst eine zentrale Nabe 162, die eine zentrale Durchgangsöffnung 163 und eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Turbinenschaufeln 164 festlegt. Die Abtriebswelle 40 erstreckt sich durch das Schaufelrad 160 an der zentralen Öffnung 163 und weist eine angemessene Antriebsverbindung zu dem Anlassermotor 6 auf. Die Schaufelradnabe 162 ist an der Abtriebswelle 40 drehbar mit derselben befestigt. Wie in Verbindung mit Verbrennungsmotoren gut bekannt ist, wird der Anlassermotor 6 verwendet, um eine Anfangsdrehung der Motorenkomponenten bereitzustellen, bis der Motor unter dem Einfluss von Kraftstoffverbrennung läuft.
  • Der Diffusor 150 ist im Allgemeinen zylindrisch und weist eine Mehrzahl von bogenförmigen Platten 152 auf. Die Platten 152 überlappen einander und legen Öffnungen 154 dazwischen fest, die im Allgemeinen tangential zu der Innenfläche 156 des Kompressorgehäuses 8 verlaufen.
  • Die Öffnungen 154 verteilen die von den Turbinenschaufeln 164 strömende Luft und wandeln die Geschwindigkeit der Kolben in ein ruhendes, druckbeaufschlagtes Fluid um.
  • Das Kompressorgehäuse 8 weist eine Mehrzahl von Auslässen 9 und fluidführenden Kanälen 10 und 11 auf. Die Kanäle 10 und 11 befördern die druckbeaufschlagte Luft von dem Kompressor zu dem Motorengehäuse, wie nachfolgend beschrieben.
  • In 4 ist der Motor im Schnitt durch das Motorengehäuse 7 dargestellt. Das Kompressorgehäuse 8, die Zündersteuerung 2, die Kraftstoffeinspritzsteuerung 3 und der Anlassermotor/Drehstromgenerator 6 sind in der Grundrissansicht dargestellt. Das Motorengehäuse 7 umfasst ein erstes Gehäuseelement 12 und ein zweites Gehäuseelement 13. Das Gehäuseelement 12 weist eine bogenförmige Nut 24 auf, die im Allgemeinen im Quer schnitt halbkreisförmig ist und sich in einem Kreis um das Gehäuseelement 12 herum erstreckt. Das Gehäuseelement 13 weist eine spiegelbildliche bogenförmige Nut 26 auf, die im Allgemeinen halbkreisförmig ist und sich in einem Kreis um das Gehäuseelement 13 herum erstreckt. Wie in 4 dargestellt legen die Nuten 24 und 26 dann, wenn die Gehäuseelemente 12 und 13 gegenüberliegend zueinander passen, eine kreisförmige Toroidkammer 28 in dem Motorengehäuse 7 fest.
  • Außerdem ist in 4 eine im Allgemeinen kreisförmige Scheibe 50 dargestellt, die an der Abtriebswelle 40 befestigt ist. Ein Kolben 30 ist in der Toroidkammer 28 angeordnet. Der Motor 1 kann einen oder mehrere Kolben 30 enthalten, die um den Umfang der Scheibe 50 herum gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die Kolben 30 sind einstückig aus Aluminium, Keramik, Stahl oder anderen geeigneten Werkstoffen oder Legierungen gefertigt, d. h. geschmiedet oder gegossen.
  • In 5 sind zusätzliche Details des Motorengehäuseelementes 13, der Kolben 30, der Scheibe 50 und der Abtriebswelle 40 dargestellt. Das Motorengehäuseelement 13 umfasst radial beabstandete Motorenkühlungsdurchgänge 120, 122 und 124 sowie Abgasdurchgänge 90. Außerdem legen die Motorengehäuseelemente 12 und 13 radial beabstandete Vorbrennkammern 60 fest. Die Vorbrennkammern 60 umfassen Kraftstoffeinspritzelemente 70. Durchsatzregeleinlassventile 130 sind an einem En de der Vorbrennkammern 60 angeordnet und ermöglichen das Strömen des komprimierten Luft-Kraftstoffgemisches in die zylindrischen Brennkammern/Explosionskammern 80, die auch durch die Motorengehäuseelemente 12 und 13 festgelegt sind. Zünder 100 zum Zünden des Kraftstoff-Luftgemisches sind in jeder der Brenn-/Explosionskammern 80 angeordnet.
  • Kraftstoffleitungen 71 stellen Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe und dem Regler 3 für das Kraftstoffeinspritzelement 70 bereit und elektrische Leiter 101 liefern elektrischen Strom von den elektrischen Strom- und Zeitgebersteuerungen 2 zu den Zündern 100.
  • Ebenfalls in 5 weisen die Motorengehäuseelemente 12 und 13 beabstandete Sätze von Kühlungsdurchgängen 120, 122 und 124 sowie bogenförmige Nuten 26 und 27 auf, welche die Toroidkammer 28 festlegen. Die Kolben 30 sind in der durch die Nuten 26 und 27 festgelegten Toroidkammer 28 angeordnet und darin gleichmäßig umfangsmäßig voneinander beabstandet.
  • Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform weisen die Kolben 30 eine im Allgemeinen zylindrische Bohrung oder Kammer 32 mit einer Reaktionsfläche 34 und einer konkaven Gasdurchsatzreaktionsfläche 37 auf. Die Kolben 30 weisen auch eine vor der Kammer 32 angeordnete Fläche 31 auf. Wie oben hinsichtlich 4 beschrieben sind die Kolben 30 antreibbar mit der Scheibe 50 verbunden, die antreibbar mit der Abtriebswelle 40 verbunden ist.
  • In 6 ist ein Abschnitt des Motorengehäuseelementes 13, die Vorbrennkammer 60, das Kraftstoffeinspritzelement 70, das Einlassventil 130, die Brenn-/Explosionskammer 80 und der Zünder 100 detaillierter dargestellt.
  • In 7 ist eine Teilschnittansicht entlang der Linie 4-4 von 3 abgenommen und stellt den Kolben 30 in einer ersten Position im Verhältnis zu der Brenn-/Explosionskammer 80 dar. In 7 ist der Kolben 30 in einer Position dargestellt, in der die zylindrische Bohrung 32 axial mit der Achse der durch die Gehäuseelemente 12 und 13 festgelegten zylindrischen Bohrung 80 ausgerichtet ist.
  • 8 ist eine Grundrissansicht des Kolbens 30, welche die zylindrische Bohrung 32, die Brenn-/Explosionsreaktionsfläche 34 und die Gasdurchsatzreaktionsfläche 37 darstellt. In 8 ist der Kolben 30 an der Scheibe 50 befestigt dargestellt.
  • 9 ist eine Teilschnittansicht ähnlich 7, die entlang der Linie 4-4 von 3 abgenommen ist und die den Kolben 30 in einer zweiten Position im Verhältnis zu der Brenn-/Explosionskammer 80 darstellt. In 9 ist der Kolben 30 im Uhrzeigersinn leicht von der in 7 dargestellten ersten Position gedreht. In der zweiten Position ist die Brenn-/Explosionskammer 80 zu der Gasdurchsatzreaktionsfläche 37 geöffnet.
  • 10 ist eine Teilschnittansicht ähnlich 9, die entlang der Linie 4-4 von 3 abgenommen ist und eine alternative Konstruktion für den Kolben 30 darstellt. In 9 weist der Kolben 30 eine Gasdurchsatzreaktionsfläche 37 auf, umfasst jedoch keine Brenn-/Explosionskammer.
  • 11 ist eine Teilschnittansicht ähnlich 10, die entlang der Linie 4-4 von 3 abgenommen ist, die eine alternative Konstruktion für den Kolben 30 in einer zweiten Arbeitsposition darstellt.
  • Betriebsbeschreibung:
  • Der Hauptunterschied zwischen einem Impulsexplosionsmotor und einem traditionellen Impulsstrahlmotor ist die Art, in welcher der Luftdurchsatz und die Verbrennung in dem Motor gesteuert werden. Bei dem Impulsexplosionsmotor liegt der Verbrennungsvorgang im Überschallbereich, ist effektiv eine Explosion anstatt einer Verbrennung und die Stoßwelle innerhalb des Kraftstoffes wirkt wie Verschlusselemente eines Impulsstrahles. Wenn die Stoßwelle die Rückseite des Motors erreicht und austritt, werden die Verbrennungsprodukte im Wesentlichen „auf einmal" ausgestoßen, der Druck innerhalb des Motors fällt plötzlich ab und Luft wird in den Vorderteil des Motors eingesaugt, um den nächsten Zyklus zu starten. Bei einigen Konstruktionen sind Ventile erforderlich, damit der Prozess ordnungsgemäß funktioniert.
  • Der Motor 1 dieser Erfindung arbeitet unter Verwendung von Explosion, Verbrennung (Verpuffung) oder einer Kombination von Explosion und Verbrennung. Der Motor 1 arbeitet mit einem Explosions- oder Verbrennungszyklus, der die Komprimierung eines Kraftstoff-Luftgemisches, Verbrennung oder Explosion des komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches und den Ausstoß der Verbrennungsprodukte des Kraftstoff-Luftgemisches umfasst. Die Komprimierung des Kraftstoff-Luftgemisches wird durch herkömmliche Mittel erreicht, d. h. durch einen Radialturbinenkompressor, und der Ausstoß der Verbrennungsprodukte wird durch die natürliche Ansaugung erreicht. Das Zünden des komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches wird unter Verwendung eines elektrisch angetriebenen Zündelementes erreicht. Der Motor 1 kann ein Kühlsystem unter Verwendung einer umlaufenden Kühlflüssigkeit umfassen. Der Motor kann einen Anlassermotor zum Starten des Betriebes des Motors 1 umfassen, der auch als Drehstromgenerator/Generator zur Bereitstellung von elektrischem Strom zur Aufrechterhaltung des Betriebes des Motors 1 dienen kann. Der Ausstoß der Verbrennungsgase kann durch Ansaugung oder Verwendung eines Spülgases erreicht werden.
  • In 1 ist der Motor 1 dahingehend dargestellt, dass er eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Die äußerliche Ausgestaltung des Motors 1 ist jedoch nicht relevant für den Betrieb und das Äußere des Motors 1 kann jede gewünschte Form oder Ausgestaltung aufweisen.
  • Unter Bezugnahme auf 2, 3 und 4 nimmt der Motor 1 eine Drehkrafteingabe von einem Anlassermotor 6 an und liefert eine Drehkraftausgabe durch eine Eingabe/Abtriebswelle 40. Der Anlassermotor 6 ist einer mit hoher Leistung, Hochgeschwindigkeitsmechanismus, der zum Antreiben der Abtriebswelle und Motorkomponenten mit 10.000 U/min. oder größer in der Lage ist.
  • Daher agiert der Anlassermotor/Generator 6 dann, wenn er mit elektrischem Strom beaufschlagt und betätigt wird, als ein Motor und treibt die Abtriebswelle 40, die Schaufelradnabe 162, die Turbinenschaufeln 164 und andere Motorkomponenten einschließlich der Scheibe 50 und der Kolben 30 auf eine Geschwindigkeit an, bei welcher der Betrieb des Motors als Verbrennungsmotor beginnen kann.
  • Wenn der Motor 1 in Betrieb ist, wird der elektrische Strom zu dem Anlassermotor 6 abgestellt und die Abtriebswelle 40 treibt den Anlassermotor 6 an. Wenn der Motor 6 durch den Motor 1 angetrieben wird, wird der Motor 6 zu einem Generator von elektrischem Strom. Der elektrische Strom von dem Motor/Generator 6 kann zur Lieferung von elektrischem Strom zu der Kraftstoffpumpe und dem Regler 3, Zünder 100 verwendet werden. Eine Batterie zur Speicherung von elektrischem Strom (nicht dargestellt) und andere, mit dem Motor 1 in Verbindung stehende elektrische Zubehörteile und Vorrichtungen sind auf diesem Gebiet gut bekannt.
  • Die sich drehenden Turbinenschaufeln 164 pumpen Luft von der Atmosphäre radial nach außerhalb der Nabe 162. Die bogenförmigen Platten 152 des Diffusors 150 wandeln mit hoher Geschwindigkeit von den Turbinenschaufeln 152 strömende Luft in Luft mit hohem Druck bzw. Luft mit niedrigerer Geschwindigkeit um, die zu dem Motor 1 geliefert wird, um die Verbrennung oder Explosion zu unterstützen. Die druckbeaufschlagte Luft geht von dem Kompressorgehäuse 8 durch Auslassöffnungen 9 in Auslasskanäle oder -röhren 10, 11 zu den Vorbrennkammern 60.
  • Wenn der Anlassermotor 6 eine zuvor festgelegte Motordrehzahl erreicht, beginnt der Kraftstoffdurchsatz von der Kraftstoffpumpe und dem Regler 3 zu einem Kraftstoffeinspritzelement 70 (5 und folgende), der in dem Motorengehäuseelement 7 angeordnet ist, und die Quelle von elektrischem Strom und die Zeitgebersteuerungen 2 liefern elektrischen Strom an einen in 5 und nachfolgenden Zeichnungsblättern dargestellten elektrischen Zünder 100.
  • Die Kolben 30 des Motors 1 sind Segmente eines Toroids. Die Kolben 30 sind im Allgemeinen im Querschnitt kreisförmig und bogenförmig in Grundrissansicht und weisen eine Krümmung auf, welche zu der durch die Motorenelemente 12 und 13 festgelegten Toroidkammer 28 passt. Der Innenradius der Kolben 30 passt auch zu dem Außenumfang der Rotorscheibe 50, an der die Kolben 30 befestigt sind. Die Kolben 30 passen genau in die Toroidkammer 28, laufen jedoch in der Toroidkammer 28 ohne Interferenz und können eine Gasdichtung (nicht dargestellt) zwischen der Innenfläche der Toroidkammer 28 und dem Außendurchmesser des Kolbens 30 umfassen.
  • Der Motor 1 kann eine variierende Anzahl von Kolben 30 aufweisen. Die Anzahl von Kolben 30 kann von einem zu vier oder mehr variieren. Die Kolben 30 sind so konstruiert, dass sie in einer Toroidkammer 28 in einem vollständigen 360-Grad-Kreis laufen. Durch die Konstruktion des Motors werden Vibrationen bei den meisten Motoren nach dem Stand der Technik verringert, da sich die Kolben 30 auf einer kreisförmigen Umlaufbahn um den Drehmittelpunkt der Abtriebswelle 40 herumbewe gen. Somit ist das statische und dynamische Gleichgewicht durch die ordnungsgemäße Verteilung der Kolben 30 um den Umfang der Scheibe 50 herum leicht erreicht. Die Kolben 30 sind antreibbar mit der Scheibe 50 verbunden.
  • Wie detaillierter beschrieben werden wird, steht die Mechanik hinter dem Antrieb der Kolben 30 bei einigen Ausführungsformen der Erfindung eng mit den Betriebsprinzipien eines Gasturbinenmotors in Zusammenhang. Bei anderen Ausführungsformen werden die Kolben 30 mittels Impulsexplosionsprinzipien oder Impulsstrahlprinzipien angetrieben.
  • Der Motor 1 ist so konstruiert, dass die Kolben 30 mit einer Geschwindigkeit laufen, bei der sie eine geregelte Drehgeschwindigkeit zwischen 30.000 und 50.000 U/min. der Scheibe 50 und der Abtriebswelle 40 erzeugen. Die Scheibe 50 ist dahingehend dargestellt, dass sie mit der Abtriebswelle 40 verbunden ist und dieselbe direkt antreibt. Sowohl die Scheibe 50 als auch der Kompressor 160 sind antreibbar mit der Abtriebswelle 40 verbunden.
  • Wie oben beschrieben kann der Motor 1 durch den elektrischen Anlassermotor 6 gestartet werden, der die Scheibe 50 und die Kolben 30 dreht, bis der Motor unter der durch Verbrennung oder Explosion des Kraftstoff-Luftgemisches bereitgestellten Leistung läuft und autonom läuft.
  • Der Anlassermotor 6 treibt die Welle 40, die Kompressornabe 162 und die Kompressorturbinenschaufeln 164 an. Durch die Drehung der Turbinenschaufeln 164 wird ein radialer Luftdurchsatz erzeugt, wodurch diese Luft in einen Kontakt mit einem Diffusor 150 gedrängt wird. Der Diffusor 150 wandelt den Luftdurchsatz mit hoher Geschwindigkeit von den Turbinenschaufeln 164 in Luft mit niedrigerer Geschwindigkeit und höherem Druck um. Die komprimierte Luft von dem Diffusor 150 wird durch Auslässe 9 und Kanäle 10 und 11 zu einem Fluiddurchsatzdurchgang in dem Motorengehäuse 12 und 13 geleitet. Der Durchgang umfasst eine Vorbrennkammer 60, eine zylindrische Brenn-/Explosionskammer 80, Toroidkammer 28 und Abgasauslass 90.
  • Die Vorbrennkammer 60 ist von der Brenn-/Explosionskammer 80 durch ein gerichtetes Durchsatzregelventil 130 getrennt.
  • Das Durchsatzregelventil 130 kann jeden beliebigen geeigneten mechanischen oder Fluid-Einwegregelventilmechanismus umfassen. Das Durchsatzregelventil 130 ermöglicht das Strömen eines druckbeaufschlagten Kraftstoff-Luftgemisches in die Brenn-/Explosionskammer 80 und verhindert das Strömen von Verbrennungsgasen von der Brenn-/Explosionskammer 80 in die Vorbrennkammer 60.
  • Die Brennkammer 80 umfasst einen Zünder 100, der „ununterbrochen an" oder unterbrochen zündend sein kann, was davon abhängig ist, ob der Motor als Gasturbinen-, Impulsstrahl- oder Impulsexplosionsmotor betrieben wird. Der Zweck des Zünders 100 besteht im Zünden des Kraftstoff-Luftgemisches, welches von der Vorbrennkammer 60 in die Brenn-/Explosionskammer 80 eintritt.
  • Unter Bezugnahme auf 5 und 7 dreht der Anlassermotor/Generator 6 die Welle 40, um den Motor 1 zu aktivieren, welche die Drehung des Kompressors 160 verursacht, der Luft in den Diffusor 150 und in den Motor 1 durch die Auslässe 9 und Kanäle 10 und 11 pumpt, die das Kompressorgehäuse 8 und das Motorengehäuse 7 verbinden. Die druckbeaufschlagte Luft tritt durch die Vorbrennkammer 70 in den Motor 1 ein. Kraftstoff wird von dem Kraftstoffeinspritzelement 150 in die druckbeaufschlagte Luft in der Vorbrennkammer 70 freigegeben. Das Durchsatzregelventil 130 wird geöffnet und gibt das druckbeaufschlagte Kraftstoff-Luftgemisch in die Brenn-/Explosionskammer 80 dazu. Wenn das komprimierte Kraftstoff-Luftgemisch in die Brenn-/Explosionskammer 80 eintritt, blockiert die vordere Fläche 31 des Kolbens 30 den Strom des komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches, wodurch das druckbeaufschlagte Kraftstoff-Luftgemisch eingeschlossen wird.
  • Nachdem das Kraftstoff-Luftgemisch in die Brennkammer 80 eingetreten ist, wobei der Kolben 30 das Kraftstoff-Luftgemisch in der Brenn-/Explosionskammer 80 immer noch blockiert, schließt das Regelventil 130 und der Zünder 100 wird durch elektrischen Strom aktiviert, der durch eine elektronische Zündungszeitgeberregelung 3 bereitgestellt wird.
  • Nach dem Zünden brennt oder explodiert das Kraftstoff-Luftgemisch und erzeugt ein Gas mit einem sich schnell erhöhenden Druck in der Brenn-/Explosionskammer 80. Der sich erhöhende Druck in der Brenn-/Explosionskammer 80 kann direkt verwendet werden, um auf das Rückschlagventil 130 einzuwirken und zu veranlassen, dass sich das Rückschlagventil 130 schließt, um den Strom von Gasen und Flammen zurück in die Vorbrennkammer 60 und darüber hinaus zu verhindern. Alternativ kann die Betätigung des Zünders 100 zur Betätigung bekannter mechanischer oder elektromechanischer Vorrichtungen (nicht dargestellt) zum Schließen des Rückschlagventils 130 verwendet werden.
  • In 5 und 7 sind Kolben 30 veranschaulicht, die so konstruiert sind, dass sie nach Impulsexplosionsprinzipien, Impulsstrahlprinzipien oder einer Kombination von Impulsexplosions- und Impulsstrahlprinzipien funktionieren. Die Kolben 30 weisen die zylindrische Kammer 32 und die konkave Turbinenschaufelfläche 37 auf.
  • Die Achse der Brenn-/Explosionskammer 80 ist mit der Achse der zylindrischen Kammer 32 ausgerichtet und die Reaktionsfläche 34 verläuft vorzugsweise senkrecht zu der Achse der zylindrischen Kammer 32.
  • Die Achsen der Brenn-/Explosionskammer 80 und die zylindrische Kammer 32 sind im Wesentlichen tangential zu dem Mitteldurchmesser der Toroidkammer 28 ausgerichtet, um ein Maximum an Vorwärtskraft und Gegendruck auf den Kolben 30 durch die Reaktionswand 34 bereitzustellen.
  • Wenn der Kolben 30 die in 8 dargestellte Position in der Toroidkammer 28 entweder unter dem Einfluss des Anlasser-/Generatormotors 6 oder in Form der Bedingung eines laufenden Motors erreicht, wird das Kraftstoff-Luftgemisch zu der Brenn-/Explosionskammer 80 zugegeben und gezündet. Die Fläche 31 auf dem Kolben 30 blockiert zeitweilig den Strom von Gasen von der Brenn-/Explosionskammer 80. Wenn sich der Kolben 30 im Uhrzeigersinn von der Position von 8 bewegt, wirkt der eine hohe Geschwindigkeit aufweisende druckbeaufschlagte Gasstrahl auf die konkave (Turbinenschaufel) Fläche 37 des Kolbens 30 ein und strömt über dieselbe hinweg, wobei durch einen Momentaustausch zusätzliche Energie auf den Kolben 30 aufgebracht und der Kolben 30 weiter in Richtung des Uhrzeigersinns getrieben wird. Wenn der Kolben 30 an einer Auslassöffnung 90 vorbeigeht, werden hinter dem Kolben 30 verbleibende, druckbeaufschlagte Gase in die Atmosphäre entlüftet, um die verbrauchten Verbrennungsgase als Abgas auszustoßen. Der Ausstoßprozess kann wenn gewünscht durch die Beimischung eines Spülgases unterstützt werden.
  • Wenn der Motor 1 unter Verwendung von Impulsexplosionsprinzipien arbeitet, wird die Explosion des explosiven Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkammer 80 zeitlich so gesteuert, dass sie gerade dann eintritt, wenn, oder kurz bevor der Kolben 30 die in 8 dargestellte Position erreicht, d. h. so dass der Impuls von dem explodierenden Kraftstoff-Luftgemisch in die Kammer 34 eintritt, wenn die zylindrische Kammer 32 genau mit der Brennkammer 80 ausgerichtet ist. Bei der Zündung tritt die Explosion des Kraftstoff-Luftgemisches ein, das Kraftstoff-Luftgemisch explodiert und das sich schnell ausdehnende, mit hohem Druck beaufschlagte Gas wird entweder direkt oder als Signal zum Schließen des Rückschlagventils 130 verwendet, und bewegt sich in die zylindrische Kammer 32 und trifft auf die Reaktionsfläche 34 auf.
  • Der Explosionsimpuls überträgt durch einen Auftreffimpuls Energie auf den Kolben 30 und treibt den Kolben 30 in einer Richtung im Uhrzeigersinn an, wie in 8 dargestellt. Die Prinzipien der Impulsexplosions energieübertragung werden in dem oben erwähnten Wikipedia-Artikel weiter erklärt.
  • Wenn sich der Kolben 30 von der in 8 zu der in 9 und darüber hinaus dargestellten Position bewegt, wirkt der Strom von verbleibendem, unter hohem Druck stehendem, eine hohe Geschwindigkeit aufweisendem Gas von der Brenn-/Explosionskammer 80 auf die konkave Fläche 37 des Kolbens 37 ein. Der Strom von eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Verbrennungsgasen auf die bogenförmige konkave Fläche 37 hat eine Übertragung zusätzlicher Energie von den Verbrennungsgasen auf den Kolben zum Ergebnis und treibt den Kolben 30 weiter in einer Richtung im Uhrzeigersinn an.
  • Die durch den Arbeitstakt erzeugte Leistung dreht den Kompressor 160, wodurch die Wiederholung des Kompressions-, Einspritz-, Verbrennungs-/Explosions- und Abgastaktes ermöglicht wird.
  • Wenn sich der Kolben 30 entlang der Toroidkammer 28 bewegt, geht er an der Auslassöffnung 90 vorbei, die das Entweichen oder Spülen der verbleibenden druckbeaufschlagten Gase von der Toroidkammer 28 in die Atmosphäre ermöglicht wird.
  • Es ist möglich, 2, 3, 4 oder mehr Arbeitshübe pro Kolben 30 pro Umdrehung zu haben, wenn die passende Anzahl von Vorbrennkammern 60, Einlassventilen 130, Brenn-/Explosionskammern 80, Kolben 30 und Auslassöffnungen 90 vorhanden sind, die in den Motor 1 konstruiert werden.
  • Es ist auch möglich, die Ausführungsform von 7 und 8 unter Verwendung entweder von Impulsexplosions- oder Impulsstrahlprinzipien zu betreiben.
  • In 10 und 11 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Der in 10 und 11 dargestellte Kolben 30 weist eine konkave Reaktionsfläche 37 auf. Wenn der Kolben 30 die in 10 dargestellte Position in der Toroidkammer 28 erreicht, entweder unter dem Einfluss des Anlasser/Generatormotors 6 oder in Form der Bedingung eines laufenden Motors, wird das Kraftstoff-Luftgemisch zu der Brenn-/Explosionskammer zugegeben und gezündet. Die Fläche 31 auf dem Kolben 30 blockiert zeitweilig den Strom von Gasen durch die Brenn-/Explosionskammer. Wenn sich der Kolben 30 im Uhrzeigersinn von der Position von 10 bewegt und der eine hohe Geschwindigkeit aufweisende druckbeaufschlagte Gasstrahl auf die konkave (Turbinenschaufel) Fläche 37 des Kolbens 30 einwirkt und über dieselbe hinwegströmt, wird durch einen Momentaustausch zusätzliche Energie auf den Kolben 30 aufgebracht und der Kolben 30 weiter in Richtung des Uhrzeigersinns getrieben. Wenn der Kolben 30 an einer Auslassöffnung 90 vorbeigeht, werden hinter dem Kolben 30 verbleibende, druckbeaufschlagte Gase in die Atmosphäre entlüftet. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform können bei der Ausführungsform von 10 und 11 2, 3, 4 oder mehr Kolben 30 vorhanden sein, wovon jeder so arbeitet, wie in diesem Dokument beschrieben.
  • Bei jeder Ausführungsform der Erfindung können die Kolben 30 in aufeinanderfolgender Reihenfolge oder gleichzeitig mit Kraft beaufschlagt werden. Zusätzlich können bei Vorhandensein mehrerer Kolben 30 alle oder weniger als alle während jeder Drehung oder einem Teil derselben mit Kraft beaufschlagt werden, um jede beliebige Kombination von Leistung zu erhalten.

Claims (7)

  1. Drehkolbenmotor, der Folgendes umfasst: Ein Gehäuse (12, 13), welches einen Fluiddurchgang mit einer Vorbrennkammer (60) festlegt, eine zylindrische Brennkammer/Explosionskammer (80), die einen zylindrischen Auslassdurchgang aufweist, und eine kreisförmige Toroidkammer (28) und einen Auslassdurchgang (90); eine in dem Gehäuse (12, 13) drehbar angebrachte Welle (40); eine im Allgemeinen kreisförmige Scheibe (50), die in dem Gehäuse (12, 13) angebracht ist, sich von der Toroidkammer (28) zu der Welle (40) erstreckt und antreibbar mit der Welle (40) verbunden ist; einen Kolben (30), der ein Toroidsegment umfasst, welches in der Toroidkammer (28) angeordnet und antreibbar mit der Scheibe (50) verbunden ist; ein Kraftstoffeinspritzelement (70), welches in der Vorbrennkammer (60) angeordnet ist; wobei die zylindrische Brennkammer/Explosionskammer (80) mit der Toroidkammer (28) in Strömungsverbindung steht und einen sich im Wesentlichen tangential zu der Toroidkammer (28) erstreckenden zylindrischen Auslass aufweist; einen Zünder (100), der in der Brenn-/Explosionskammer (80) angeordnet ist; ein Durchflussregelventil (130), welches zwischen der Vorbrennkammer (60) und der Brenn-/Explosionskammer (80) zur Steuerung des Fluiddurchsatzes dazwischen angeordnet ist; und Steuerungen (2, 3) zur Lieferung eines Kraftstoff-Luftgemisches an das Einspritzelement (70) und Vorbrennkammer (60) und von elektrischem Strom an den Zünder (100) zum Zünden des Kraftstoff-Luftgemisches in der Brenn-/Explosionskammer (80), wobei die sich ergebenen, auf den Kolben (30) einwirkenden Brenn-/Explosionsgase eine Triebkraft auf denselben aufbringen.
  2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (30) eine im Allgemeinen zylindrische Kammer (32) umfasst, die eine Reaktionsfläche (34) aufweist, die senkrecht zu der Achse der zylindrischen Brenn-/Explosionskammer (80) verläuft.
  3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen Kompressor (160) zur Lieferung von Druckluft zu der Vorbrennkammer (60) aufweist.
  4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsfläche (34) radial zu dem Mittelpunkt der Toroidkammer (60) verläuft.
  5. Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (30) eine konkave bogenförmige konkave Reaktionsfläche (37) umfasst, die an das offene Ende der zylindrischen Kammer (32) angrenzend angeordnet ist.
  6. Drehkolbenmotor (1), der Folgendes umfasst: Ein Gehäuse (12, 13), welches einen Fluiddurchgang mit einer Vorbrennkammer (60) festlegt, eine zylindrische Brennkammer/Explosionskammer (80), die einen Auslassdurchgang aufweist, und eine Toroidkammer (28) und einen Auslassdurchgang (90); eine an dem Mittelpunkt der Toroidkammer (28) in dem Gehäuse (12, 13) drehbar angebrachte Welle (40); eine im Allgemeinen kreisförmige Scheibe (50), die sich von der Toroidkammer (28) erstreckt und antreibbar mit der Welle (40) verbunden ist; einen Toroidsegmentkolben (30), der in der Toroidkammer (28) angeordnet und antreibbar mit der Scheibe (50) verbunden ist, wobei der Kolben (30) eine konkave Reaktionsfläche (37) aufweist; eine durch das Gehäuse (12, 13) festgelegte zylindrische Brennkammer/Explosionskammer (80); einen Zünder (100), der in der Brennkammer (80) angeordnet ist; eine Vorbrennkammer (60), die mit der Brenn-/Explosionskammer (80) in Strömungsverbindung steht; ein Kraftstoffeinspritzelement (70), welches in der Vorbrennkammer (60) angeordnet ist; ein Durchflussregelventil (130), welches zwischen der Vorbrennkammer (60) und der Brenn-/Explosionskammer (80) zur Steuerung des Fluiddurchsatzes von der Vorbrennkammer (60) zu der Brennkammer (80); und Steuerungen (2, 3) zur Lieferung eines Kraftstoff-Luftgemisches an die Vorbrennkammer (60) und von elektrischem Strom an den Zünder (100), wodurch das Kraftstoff-Luftgemisch explodiert und die sich ergebenden Gase durch die Brenn-/Explosionskammer (80) so ausgerichtet werden, dass sie auf die konkave Reaktionsfläche (37) wirken und eine Triebkraft auf den Kolben (30) aufbringen.
  7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen Kompressor (160) zur Lieferung von Druckluft zu der Vorbrennkammer (60) aufweist.
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