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Anwendungsbereich der
Erfindung:
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Die
Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor. Genauer ausgedrückt betrifft
diese Erfindung einen Impulsstrahl- oder Impuls-Explosionsgasstrommotor.
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Hintergrund der Erfindung:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Motor dieser Erfindung ist ein Drehkolbenmotor, bei dem entweder
Impulsstrahl- oder Impulsexplosionsgase als Quelle der Triebkraft
verwendet werden können.
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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.
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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.
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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.
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Die
Zündung
des komprimierten Kraftstoff-Luftgemisches wird unter Verwendung
eines elektrisch angetriebenen Zünders
und geeigneter elektrischer und elektronischer Steuerungen erreicht.
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Der
Motor dieser Erfindung kann ein Kühlsystem unter Verwendung einer
umlaufenden Kühlflüssigkeit
umfassen.
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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.
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Eine
Hauptaufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Drehkolbenmotors,
bei dem Impulsstrahl- oder
Impulsexplosionsenergie zum Bewegen eines Kolbens verwendet wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Drehkolbenmotors, der einen ununterbrochenen ungehinderten, kreisförmigen Kolbenbewegungspfad
aufweist.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden an Hand der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung der Konstruktion und des Betriebes offensichtlich.
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Zusammenfassung der Erfindung:
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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.
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Die
Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches kann Verpuffung oder Explosion
sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung:
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1 ist
eine Grundrissansicht des Drehkolbenmotors,
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2 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
des Drehkolbenmotors, die einige zusätzliche bauliche Details darstellt,
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3 ist
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
des Kompressorabschnittes des Drehkolbenmotors,
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4 ist
eine Teilschnittansicht des Motors von 1, die entlang
der Linie 4-4 von 1 abgenommen ist,
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5 ist
eine Teilschnittansicht des Motors von 4, die entlang
der Linie 5-5 abgenommen ist,
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6 ist
eine rückseitige
Grundrissansicht des in 4 und 5 dargestellten
Kolbens,
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7 ist
eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 5, die einen
Kolben in einer ersten Arbeitsposition darstellt,
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8 ist
eine rückseitige
Grundrissansicht des Kolbens von 5,
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9 ist
eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 7, die einen
Kolben in einer zweiten Arbeitsposition darstellt,
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10 ist
eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 7 mit einem
alternativen Kolben in einer ersten Arbeitsposition, und
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11 ist
eine Teilschnittansicht des Motors ähnlich 10 mit
einem alternativen Kolben in einer ersten Arbeitsposition.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform:
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Öffnungen 154 verteilen
die von den Turbinenschaufeln 164 strömende Luft und wandeln die Geschwindigkeit
der Kolben in ein ruhendes, druckbeaufschlagtes Fluid um.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Betriebsbeschreibung:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Vorbrennkammer 60 ist von der Brenn-/Explosionskammer 80 durch
ein gerichtetes Durchsatzregelventil 130 getrennt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
durch den Arbeitstakt erzeugte Leistung dreht den Kompressor 160,
wodurch die Wiederholung des Kompressions-, Einspritz-, Verbrennungs-/Explosions-
und Abgastaktes ermöglicht
wird.
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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.
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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.
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Es
ist auch möglich,
die Ausführungsform von 7 und 8 unter
Verwendung entweder von Impulsexplosions- oder Impulsstrahlprinzipien zu betreiben.
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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.
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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.