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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen Drehkolbenmotor, bei dem ein oder
mehrere Kolben in einer Ringkammer umlaufen. Der Drehkolbenmotor
ist eine 1-Takt-Maschine, die direkt eine Drehbewegung einer Ausgangswelle
erzeugt.
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Gegenwärtig werden
in der Antriebstechnik hauptsächlich
4-Takt-Motoren oder 2-Takt-Motoren nach dem Otto-Prinzip oder dem
Diesel-Prinzip verwendet. Bei diesen Motoren bewegen sich Kolben
in einem Zylinder hin und her. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens
muss bei diesen Motoren in eine Drehbewegung einer Motorausgangswelle
umgewandelt werden. Zur Umwandlung der Bewegung wird eine Vielzahl
von Motorkomponenten benötigt, die
sehr genau gearbeitet sein müssen,
was zu hohen Herstellungskosten des Motors führt.
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Weiterhin
steht ein Anteil der erzeugten Bewegungsenergie der Kolben nicht
als Antriebsenergie zur Verfügung.
Die Bewegungsenergie wird zum Teil in Reibung und Verformung und
somit in Wärme umgewandelt,
weil sich die Bewegungsrichtung der Kolben bei jedem Hub ändert. Bei
der Änderung
der Bewegungsrichtung treten auch hohe Kräfte auf, die die Motorstruktur
und die Motorlager stark belasten. Somit sind die im Betrieb möglichen
Drehzahlen von Kolbenmotoren unter anderem durch die Masse der Kolben
begrenzt, da insbesondere bei größeren Motoren
und damit einhergehenden größeren Kolbengewichten
die dynamischen Kräfte
der Kolben sehr hoch werden können.
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Weiterhin
ist in der Antriebstechnik ein Drehkolbenmotor nach dem Wankel-Prinzip bekannt.
Ein solcher Wankel-Motor vermeidet die oben erwähnte Umwandlung der Hin- und
Herbewegung. Dadurch werden sehr hohe Drehzahlen und eine kleine
Bauformen des Motors möglich.
Der Wankelmotor arbeitet ebenfalls nach einem 4-Takt-Prinzip und
hat es trotz der Vermeidung der Umwandlung von axialer Hin- und
Herbewegung in eine Drehbe wegung nicht geschafft, den Wirkungsgrad
gegenüber
einem herkömmlichen
Motor zu verbessern.
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Ausgehend
von den bekannten Motoren liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, einen Motor mit einfachem Aufbau vorzusehen, der die oben
genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch einen Drehkolbenmotor
mit umlaufendem Kolben nach Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Insbesondere
ist gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein Drehkolbenmotor vorgesehen, der Mittel
zum Bilden wenigstens einer Ringkammer und wenigstens ein in der
Ringkammer angeordnetes Kolbenelement aufweist, das umlaufend in
der Ringkammer bewegbar ist und mit einem Abtrieb außerhalb
der Ringkammer gekoppelt ist. Wenigstens ein Schieber ist vorgesehen,
der in die Ringkammer hinein und aus dieser heraus bewegbar ist,
um die Ringkammer zusammenwirkend mit dem Kolbenelement in getrennte
Ringkammerbereiche zu unterteilen. Wenigstens ein mit der Ringkammer
in Verbindung stehender Auslass und wenigstens ein mit der Ringkammer
in Verbindung stehender Einlass sind vorgesehen, wobei der Auslass
und der Einlass benachbart zu entgegengesetzten Seiten des Schiebers
angeordnet sind. Weiterhin ist wenigstens eine Quelle eines unter
Druck stehenden Kraftmittels vorgesehen, die mit dem Einlass in
Strömungsverbindung steht,
um das Kraftmittel über
den Einlass in die Ringkammer einzuleiten. Ein solcher Motor verzichtet
auf eine Hin- und Herbewegung von Kolben, wodurch auch die damit
in Verbindung stehenden Probleme vermieden werden. Er kann mit einem
unter Druck stehenden Strömungsmittel
(beispielsweise zur Stromerzeugung in Wasserkraftwerken) oder auch mit
einem brennbaren Kraftstoff (als Verbrennungsmotor) betrieben werden.
Der Drehkolbenmotor ist als Verbrennungsmotor beispielsweise in
der Lage, als 1-Takt-Motor zu arbeiten, der auf einen Kompressionshub
in der Ringkammer (die als Brenn raum dient) verzichtet. Eine entsprechende
Kompression würde
außerhalb
des Brennraums erfolgen.
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Ein
Vorteil des hier offenbarten Drehkolbenmotors ist, dass er eine
Umwandlung einer Hin- und Herbewegung in einer Drehbewegung vermeidet.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Anzahl der Komponenten und das
Gewicht des Motors verringert werden. Ein weiterer Vorteil ist,
dass der Drehkolbenmotor einen ruhigen und vibrationsfreien Betrieb
aufweist. Der Drehkolbenmotor hat auch einen sehr hohen Wirkungsgrad.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung weisen die Mittel zum Bilden der wenigstens einen Ringkammer
einen Hauptkörper
auf, der einen kreiszylindrischen Innenraum definiert, wenigstens
einen Zylinderkörper,
der zentriert derart in dem kreiszylindrischen Innenraum angeordnet
ist, dass ein Ringraum zwischen Hauptkörper und Zylinderkörper gebildet
wird, wobei der Zylinderkörper
um seine Zylinderachse relativ zum Hauptkörper drehbar ist, und Endwände, welche
den Ringraum seitlich begrenzen, wobei das wenigstens eine Kolbenelement
fest mit dem Zylinderkörper
verbunden ist.
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Der
Zylinderkörper
und der Kolben sind gemäß einem
Aspekt der Erfindung einteilig ausgebildet. Ebenfalls können der
Hauptkörper
und wenigstens eine Endwand einteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise
weisen die Mittel zum Bilden der Ringkammer einen Hauptkörper auf,
der eine Ringkammer definiert, und Endwände, welche die Ringkammer
seitlich begrenzen.
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Bei
einer Ausführungsform
ist wenigstens eine Zwischenwand zum Definieren benachbarter Ringkammern
vorgesehen, um eine einfache Anordnung mehrerer Ringkammer benachbart
zueinander zu ermöglichen.
Für einen
einfachen Aufbau ist der Hauptkörper
vorzugsweise aus wenigstens zwei Teilen aufgebaut, die gemeinsam
die wenigstens eine Ringkammer definieren. Dabei sind die Teile
vorzugsweise lösbar
aneinander befestigt, um einen Zugriff auf die Ringkammer für Wartungs-
und/oder Reparaturzwecke zu erleichtern.
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Das
Kolbenelement ist gemäß einer
Ausführungsform
fest mit wenigstens einer Endwand verbunden, die bezüglich des
Hauptkörpers
drehbar angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher
Aufbau des Motors. Ferner kann sich bei dieser Anordnung eine leichtere
Abdichtbarkeit des Drehkolbenmotors ergeben.
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Vorzugsweise
ist wenigstens eine Steuervorrichtung zum Steuern der Schieberbewegung
und der Einleitung von Kraftmittel in den Ringraum vorgesehen. Dabei
ist das Kraftmittel gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein unter Druck stehendes nicht brennbares
Strömungsmittel.
Das Kraftmittel kann beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Dampf oder ein
Gas sein. Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist das Kraftmittel ein brennbares
Strömungsmittel,
insbesondere ein unter Druck stehendes brennbares Strömungsmittel.
In diesem Fall ist im Bereich des Einlasses vorzugsweise eine Zündvorrichtung
zum Entzünden
des Strömungsmittels
vorgesehen. Das Strömungsmittel
kann Gas, Benzin, Diesel oder Wasserstoff, Äthanol, Alkohol oder jegliches
andere entflammbare Strömungsmittel
sein. Bei der Verwendung eines entflammbaren Strömungsmittels muß eine Verbrennung
nicht im Ringraum erfolgen. Vielmehr ist es auch möglich, dass
ein außerhalb
der Ringkammer liegender Verbrennungsraum vorgesehen ist, der über den
Einlass mit der Ringkammer in Strömungsverbindung steht. Dabei
könnte
der außen liegende
Verbrennungsraum ein festes Volumen besitzen. Hierdurch könnte dann
die Verbrennungsenergie in Form eines Druckgases über den
Einlass zur Verfügung
gestellt werden.
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Um
Druckluft über
den Einlass in die Ringkammer einzuleiten, ist vorzugsweise wenigstens eine
Druckluftquelle vorgesehen, die mit wenigstens einem Einlass in
Strömungsverbindung
steht. Wenn die Druckluft in Kombination mit einem weiteren Kraftmittel,
insbesondere einem brennbaren Strömungsmittel, verwendet wird,
können
für das
Kraftmittel und die Druckluft ein gemeinsamer Einlass oder aber
getrennte Einlässe
vorgesehen sein.
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Der
wenigstens eine Auslass ist gemäß einem
Aspekt der Erfindung ständig
geöffnet.
Er kann jedoch gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung über
ein Ventilelement selektiv geöffnet
und geschlossen werden. Ein möglicher
Vorteil ist dabei eine gesteuerte Abgasrückführung in den nächsten Takt.
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Ein
Winkelabstand zwischen Schieber und Einlass bzw. Auslass beträgt gemäß einem
Aspekt der Erfindung weniger als 15° und vorzugsweise weniger als
5°, um einen
möglichst
großen
Arbeitshub der jeweiligen Kolben zu definieren. Um eine gute Trennung
der durch Kolben und Schieber definierten Ringkammerbereiche zu
erhalten, ist zwischen dem Kolbenelement und den Innenwänden der
Ringkammer vorzugsweise wenigstens eine Dichtung vorgesehen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist wenigstens ein Einlass und/oder ein Auslass in
einer der Seitenwände
ausgebildet. Vorzugsweise sind alle Ein- und Auslässe in dem
selben Wandelement ausgebildet.
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Der
Schieber ist gemäß einer
Ausführungsform
ein Drehschieber, um wiederum eine Hin und Herbewegung und die damit
verbundenen Nachteile zu vermeiden. Weiterhin ist die Bewegung des
Schiebers vorzugsweise mit der Bewegung des Kolbenelementes gekoppelt.
Die Koppelung kann dabei mit gleich bleibendem oder variablem Geschwindigkeitsverhältnis ausgeführt sein.
Ein Vorteil einer Koppelung mit variablem Verhältnis liegt darin, dass eine Bewegung
des Schiebers beispielsweise in einer Öffnungsstellung verlangsamt
wird, während
sie beim Öffnen
und Schließen
beschleunigt wird. Hierdurch lassen sich Strömungen zwischen den Ringkammerbereichen
minimieren und es kann auch die Ausnehmung im Schieber für den Durchlauf
des Kolbens verkleinert werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist eine Vielzahl von Kolbenelementen vorgesehen,
wobei jedes Kolbenelement umlaufend in der Ringkammer bewegbar ist
und mit dem Abtrieb außerhalb
der Ringkammer gekoppelt ist. Hierdurch können während eines Umlaufs eines Kolbens
mehrere Arbeitszy klen vorgesehen werden. Vorzugsweise ist eine Vielzahl
von Schiebern vorgesehen, wobei je Schieber wenigstens ein mit der
Ringkammer in Verbindung stehender Auslass und wenigstens ein mit
der Ringkammer in Verbindung stehender Einlass vorgesehen ist, und
wobei der Auslass und der Einlass benachbart zu entgegengesetzten
Seiten jedes Schiebers angeordnet sind. Auch hierdurch können alleinstehend
oder auch in Kombination mit einer Vielzahl von Kolben mehrere Arbeitszyklen
bei einem einzelnen Umlauf eines Kolbens vorgesehen werden.
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Weitere
Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors aus Blickrichtung
einer Motorausgangswelle in einer ersten Betriebsphase;
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2 eine
schematische Darstellung des Drehkolbenmotors gemäß
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1 in
einer zweiten Betriebsphase;
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3 eine
schematische Darstellung des Drehkolbenmotors gemäß
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1 in
einer dritten Betriebsphase;
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4 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors in einer
Schnittansicht, die senkrecht zur der Ansicht der 1–3 und
entlang der Linie A-A verläuft;
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5 eine
schematische Darstellung eines alternativen Drehkolbenmotors in
einer Schnittansicht, ähnlich
der 4;
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6 eine
vergrößerte schematische
Darstellung eines Teils des Drehkolbenmotors in einer Schnittansicht
entlang der Linie B-B in 1;
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7 eine
schematische Teildarstellung eines alternativen Drehkolbenmotors
in einer Schnittansicht ähnlich
der 6;
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8 eine
Anordnung von mehreren Drehkolbenmotoren auf einer Motorausgangswelle,
die hintereinander geschaltet sind; und
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9 eine
Anordnung eines Getriebes für eine
Drehgeschwindig keitsmodulation eines Drehschiebers.
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Angaben
von Richtungen und Anordnungen, wie oben, unten, rechts, links usw.
beziehen sich auf die Zeichnungen und dienen zur Erklärung der
speziellen, hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. Sie sollen
die Erfindung in keiner Weise einschränken.
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1. Ausführungsbeispiel (Runder Kolben – Drehschieber – Druckfluid)
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1–3, 4 und 6 zeigen
schematische Darstellungen eines Drehkolbenmotors 1. Der
Drehkolbenmotor 1 weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse 10,
eine im Gehäuse
aufgenommene Kolbenscheibe 20, Absperrelemente 50,
Einlasselemente 30 und Auslässe 40 auf. 4 zeigt
den Drehkolbenmotor 1 in einer Ansicht aus der Richtung der
Pfeile A-A in 1. Das Gehäuse 10 ist aus zwei Gehäuseteilen 11 und 12 aufgebaut,
die miteinander durch lösbare
Verbindungselemente verbunden sind, beispielsweise durch nicht gezeigte
Schrauben. Das Gehäuse 10 definiert
eine radial außen
liegende Ringkammer 13 und einen radial innen liegenden Führungsteil 14.
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Am
Außenumfang
der Kolbenscheibe 20 sind vier Kolben 22 im gleichen
Winkelabstand angeordnet. Die Kolben 22 und die Kolbenscheibe 20 können aus
einem Teil hergestellt sein. Alternativ können die Kolben 22 als
getrennte Teile hergestellt werden und an der Kolbenscheibe 20 befestigt
werden. Es sei bemerkt, dass auch eine andere Anzahl von Kolben 22 an
der Kolbenscheibe 20 angeordnet sein kann. Die Kolbenscheibe 20,
die Kolben 22 und das Gehäuse 10 bilden zusammen
die Ringkammer 13. Im Betrieb läuft die Kolbenscheibe 20 im
Uhrzeigersinn um.
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Durch
die Mitte der Kolbenscheibe 20 verläuft eine Motorausgangswelle 24,
die mit der Kolbenscheibe 20 drehfest verbunden ist. Die
Motorausgangswelle 24 ist im Gehäuse 10 gelagert. Somit
ist die Kolbenscheibe 20 mit den daran angebrachten Kolben 22 im
Gehäuse 10 drehbar.
Die Kolben 22, die Kolbenscheibe 20 und das Gehäuse 10 sind
in einer engen Passung zuein ander angeordnet. Die in der Zeichnung
gezeigten Abstände
sind nicht im Maßstab
und dienen nur zur Veranschaulichung.
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Wie
in 1–3 und 6 gezeigt,
sind vier Schieber 50 vorgesehen, die von außen in das Gehäuse 10 eingeführt werden,
um in Verbindung mit den Kolben 22 und der Kolbenscheibe 20 die
Ringkammer 13 in einen Einlassbereich 15 und einen Auslassbereich 16 aufzuteilen.
Die Schieber 50 werden jeweils durch einen Schieberantrieb 53 und
ein Schiebergetriebe 54 synchron zu der Drehbewegung der
Kolbenscheibe 20 und der Kolben 22 angetrieben,
so dass verhindert wird, dass die Kolben 22 mit den Schiebern 50 zusammenstoßen. In 1 ist
zur Vereinfachung der Darstellung nur der obere Schieber 50 mit
seinem assoziierten Antrieb vollständig dargestellt. Die übrigen Schieber
sind nur schematisch und nicht in ihrer vollen Ausführung dargestellt.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung eines Schiebers 50. Der Schieber 50 ist
dabei als runder Schieber bzw. als rotierende Scheibe ausgebildet.
Der Schieber besitzt einen Schließbereich 51 und einen Öffnungsbereich,
der durch einen Ausschnitt 52 definiert wird. Der Ausschnitt 52 erstreckt sich über einen
Winkelbereich des Schiebers 50, der in der Ringkammer liegt,
während
der Kolben 22 am Schieber 50 vorbeiläuft. Der
Schieber 50 ist durch das Schiebergetriebe 54 und
den Schieberantrieb 53 an die Drehung der Kolbenscheibe 20 gekoppelt.
Der Ausschnitt 52 im Schieber 50 ist so angeordnet,
dass er während
der Bewegung des Kolbens 22 an der Position des Schiebers 50 vorbei
den Weg des Kolbens 22 in der Ringkammer 13 freigibt.
Wenn der Kolben 22 an der Position des Schiebers 50 vorbei
bewegt ist, dann ist der Schließbereich 51 des
Schiebers 50 wenigstens teilweise in der Ringkammer 13 angeordnet
und bildet eine Wand zur Unterteilung des Ringraums 13.
Die Bewegung des Schiebers 50 ist an die Kolbenposition
derart gekoppelt, dass die Zeit, in der sich der Ausschnitt 52 im
Schieber 50 in der Ringkammer 13 befindet minimiert
ist.
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In 9 ist
eine Getriebeanordnung gezeigt, die eine Drehgeschwindig keitsmodulation
eines Schiebers 50 gestattet. Dabei sind zwei ellipsenförmige Räder 56, 58 vorgesehen,
wobei eines der Räder
mit dem Schieber 50 und das andere mit der Motorausgangswelle 24 gekoppelt
ist. Die Räder 56, 58 sind
jeweils auf einer Mittelachse angeordnet. Die ellipsenförmigen Räder 56, 58 haben
jeweils einen langen und einen kurzen Ellipsenabschnitt. Die Mittelachsen
der Räder 56, 58 sind
um die Summe der langen und kurzen Ellipsenabschnitte voneinander
entfernt. Bei einer gemeinsamen Drehung der Räder 56, 58 haben
sie abwechselnd einen langen und einen kurzen Weg am Umfang zurückzulegen.
Dadurch ergibt sich eine variierende Drehbewegung, die ermöglicht,
die Drehzahl der Schieber 50 während des Durchlaufs der Kolben 22 zu
verlangsamen und sonst zu beschleunigen. Hierdurch lässt sich
die Gesamtverweilzeit des Ausschnitts 52 im Bereich der Ringkammer 13 optimieren,
da insbesondere während
des Öffnens
und Schließens
der Ringkammer der Schieber 50 mit höherer Geschwindigkeit gedreht werden
kann.
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Der
Schieberantrieb 53 kann eine getrennte Antriebsvorrichtung
sein, die über
das Schiebergetriebe 54 den Schieber 50 unabhängig von
der Drehung der Motorausgangswelle 24 antreibt. Der Schieberantrieb 53 kann
beispielsweise ein Elektromotor sein. Vorteilhafterweise ist der
Schieberantrieb 53 jedoch eine Vorrichtung, die Antriebsleistung
von der Motorausgangswelle 24 abnimmt und durch das Schiebergetriebe 54 auf
den Schieber 50 überträgt. Dies
kann beispielsweise durch eine Zahnradanordnung erreicht werden.
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In
der Nähe
der Schieber 50 ist jeweils ein zur Ringkammer 13 gerichtetes
Einlasselement 30 vorgesehen, in dem ein (nicht gezeigtes)
Einlassventil vorgesehen ist. Die Einlasselemente 30 sind
von den Schiebern 50 am Umfang um etwa 5° bis 10° in Laufrichtung
(im Uhrzeigersinn) der Kolben entfernt. In Umfangsrichtung auf der
anderen Seite der Schieber 50 sind jeweils zur Ringkammer 13 geöffnete Auslässe 40 vorgesehen.
Die Anordnung der Auslässe 40 hängt von
der beabsichtigten Betriebsweise des Drehkolbenmotors ab, liegt
jedoch vorzugsweise in einem Winkelbereich von 5° bis 15° vor (gegen den Uhrzeigersinn)
dem jeweiligen Schieber 50.
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Der
Drehkolbenmotor 1 kann durch unterschiedliche Kraftstoffe
angetrieben werden. Diese Kraftstoffe können irgendwelche unter Druck
stehenden Strömungsmittel
sein, wie beispielsweise Druckluft, unter Druck stehender Dampf
oder unter Druck stehendes Wasser. Unter Druck stehendes Strömungsmittel
kann auch durch eine Verbrennung eines Brennstoffes außerhalb
der Ringkammer 13 erzeugt werden. Im Folgenden wird der
Funktionsablauf des Drehkolbenmotors für einen Betrieb mit unter Druck
stehendem Strömungsmittel
beschrieben.
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Der
Drehkolbenmotor 1 arbeitet in einem 1-Takt-Zyklus, der
beispielsweise in drei Phasen eingeteilt werden kann. Eine erste
Phase ist in 1 gezeigt. In der ersten Phase
ist der Kolben 22 im Uhrzeigersinn an der Position des
geöffneten
Schiebers 50 vorbeigelaufen, und der Schließbereich 51 des Schiebers 50 beginnt,
sich in die Ringkammer 13 zu bewegen. Hierdurch werden
zwischen dem Schieber 50 und dem Kolben 22 ein
Einlassbereich 15 und ein Auslassbereich 16 gebildet.
Zu diesem Zeitpunkt ist das Einlasselement 30 durch das
Einlassventil zunächst
geschlossen. Eine nicht gezeigte Motorsteuerung öffnet das Einlassventil, wenn
der Kolben 22 vollständig
am Einlasselement 30 vorbeibewegt ist, (wie in 1 gezeigt
ist) und lässt
unter Druck stehendes Strömungsmittel
in den Einlassbereich 15 einströmen. Zu diesem Zeitpunkt ist
der Ausschnitt 52 des Schiebers 50 vollständig aus
der Ringkammer herausbewegt.
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Die
zweite Phase des Motorbetriebs ist in 2 gezeigt.
In der zweiten Phase ist das Einlasselement 30 für das unter
Druck stehende Strömungsmittel
geöffnet,
und dessen Druck treibt den Kolben 22 an, bis er die Position
des Auslasses 40 erreicht hat. Wenn der Kolben 22 den
Auslass 40 erreicht, wird das Einlasselement 30 geschlossen,
so dass keine direkte Strömungsverbindung
zwischen Einlasselement 30 und Auslass 40 entsteht.
Im Auslassbereich 16 befindliches Strömungsmittel wird während dieser
Phase über
den Auslass 40 ausgelassen, der so bemessen ist, dass er
möglichst
keine Rückstaueffekte
erzeugt. Der Schieber 50 ist während dieser zweiten Phase
geschlossen, um eine Gegenfläche für den Druck
des Strömungsmittels
im Einlassbereich 15 zu bilden.
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3 zeigt
die dritte Phase des Motorbetriebs. Der Kolben 22 ist am
Auslass 40 vorbeigelaufen, und das zuvor über das
Einlasselement 30 eingeleitete Strömungsmittel kann über den
Auslass 40 entweichen. Der Schieber 50 ist aus
der Ringkammer 13 zurückgezogen,
und der Kolben 22 läuft
an der Position des Schiebers 50 vorbei. Nachdem der Kolben 22 an
der Position des Schiebers 50 vorbei gelaufen ist, wird
der Schieber 50 wieder geschlossen, und ein neuer Motorzyklus
beginnt, wie bei Phase 1 gezeigt.
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Obwohl
bei dem obigen Funktionsablauf ein nicht brennbares, unter Druck
stehendes Strömungsmittel
verwendet wurde, ist die obige Vorrichtung auch in Zusammenhang
mit brennbarem Kraftstoff einsetzbar. In diesem Fall besitzt das
Einlasselement 30 eine Einspritzeinheit für ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, oder getrennte
Einlässe
für unter
Druck stehende Luft und Kraftstoff. Ferner ist in diesem Fall eine
Zündeinheit
im Einlasselement 30 vorgesehen, um den Kraftstoff zu zünden, wie
durch den Zündpfeil in 1 dargestellt
ist. Dabei ist der Funktionsablauf im Wesentlichen der selbe, wie
zuvor beschrieben. In der ersten Phase gemäß 1 werden
Kraftstoff und Luft mit Druck in den Einlassbereich 15 zwischen Schieber 50 und
Kolben 22 eingespritzt, und anschließend gezündet.
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Die
zweite Phase beschreibt im Wesentlichen die Expansionsphase des
gezündeten
Kraftstoffs, welche den notwendigen Druck erzeugt, um den Kolben 22 anzutreiben,
bis er die Position des Auslasses 40 erreicht hat.
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Auch
die dritte Phase entspricht der zuvor beschriebenen Phase, da sobald
der Kolben 22 am Auslass 40 vorbeiläuft, der
verbrannte Kraftstoff über den
Auslass 40 austreten kann. Der Schieber wird wiederum geöffnet, um
den Durchtritt des Kolbens 22 zu ermöglichen und es beginnt ein
neuer Motorzyklus.
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Die
Unterteilung des Motorzyklus in die oben genannten drei Phasen ist
nur beispielhaft zu sehen und soll den Schutzbereich der Erfindung
nicht einschränken.
Vielmehr könnte
der Motorzyklus auch in andere Phasen unterteilt werden.
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2. Ausführungsbeispiel (nicht runder
Kolben – Linearschieber – Brennstoff)
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Die 5 und 7 zeigen
schematische Darstellungen eines alternativen Aufbaus eines Drehkolbenmotors 100,
der im Schnitt jedoch auch den Aufbau gemäß den 1–3 besitzt. Ähnliche
oder gleiche Teile des Drehkolbenmotors 100 werden mit
den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie Teile des Drehkolbenmotors 10.
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Der
Drehkolbenmotor 100 weist ein stationäres Gehäuse 10, eine drehbare
Kolbenscheibe 20, Absperrelemente bzw. Schieber 50,
Einlasselemente 30 und Auslässe 40 auf, wie in 1 gezeigt.
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5 zeigt
den Drehkolbenmotor 100 in einer Ansicht aus der Richtung
der Pfeile A-A in 1. Das Gehäuse 10 ist aus zwei
Gehäuseteilen 11 und 12 aufgebaut,
die miteinander durch lösbare
Verbindungselemente verbunden sind, beispielsweise durch nicht gezeigte
Schrauben. Das Gehäuse 10 besteht
aus einem ersten Gehäuseteil 11,
der einen L-förmigen
Querschnitt aufweist, und aus einem zweiten Gehäuseteil 12, der mit
dem ersten Gehäuseteil 11 beispielsweise
durch Schrauben verbunden ist. Zwischen dem ersten Gehäuseteil 11 und
dem zweiten Gehäuseteil 12 kann
eine Passscheibe 19 angeordnet sein, um Herstellungstoleranzen
des Kolbens 22 oder der Gehäuseteile 11, 12 auszugleichen. Die
Gehäuseteile 11, 12 definieren
somit einen Ringkanal, der radial nach innen weisend offen ist.
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Am
Außenumfang
der Kolbenscheibe 20 sind vier Kolben 22 im gleichen
Winkelabstand angeordnet. Die Kolben 22 und die Kolbenscheibe 20 können aus
einem Teil hergestellt sein. Alternativ können die Kolben 22 als
ge trennte Teile hergestellt werden und an der Kolbenscheibe 20 befestigt
werden. Es sei bemerkt, dass auch eine andere Anzahl von Kolben 22 an
der Kolbenscheibe 20 angeordnet sein kann. Wie in den 5 und 7 zu
erkennen ist, besitzt die Kolbenscheibe 20 eine größere Breite
als die der jeweiligen Kolben 22. Hierdurch werden, wie in 5 und 7 dargestellt
ist, zwei radial umlaufende Umfangsbereiche 70 der Kolbenscheibe 20 gebildet.
Im Bereich dieser Umfangsbereiche 70 erfolgt eine Abdichtung
zwischen dem Gehäuse 10 und der
Kolbenscheibe 20, wie bei 72 dargestellt ist.
In diesem Bereich erfolgt somit eine Abdichtung zwischen dem stationären Gehäuse 10 und
der rotierenden Kolbenscheibe 20. Die Kolbenscheibe 20 und das
Gehäuse 10 bilden
somit zusammen eine geschlossene Ringkammer 13, in die
sich die Kolben 22 hinein erstrecken. Im Betrieb läuft die
Kolbenscheibe 20 im Uhrzeigersinn gemäß 1 um.
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In 5 ist
gezeigt, dass der Kolben 22 einen rechteckigen Querschnitt
hat, wobei er jedoch auch andere Formen besitzen kann. In diesem
Fall ist der durch die Gehäuseteile 11, 12 gebildete
Ringkanal natürlich
entsprechend angepasst.
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Durch
die Mitte der Kolbenscheibe 20 verläuft eine Motorausgangswelle 24,
die mit der Kolbenscheibe 20 drehfest verbunden ist. Somit
ist die Kolbenscheibe 20 mit den daran angebrachten Kolben 22 im
Gehäuse 10 drehbar.
Die Kolben 22, die Kolbenscheibe 20 und das Gehäuse 10 sind
in einer engen Passung zueinander angeordnet. Die in der Zeichnung
gezeigten Abstände
sind nicht im Maßstab
und dienen nur zur Veranschaulichung.
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Wie
in den 1–3 gezeigt
ist, sind vier Schieber 50 vorgesehen, die von außen in das
Gehäuse 10 eingeführt werden,
um in Verbindung mit den Kolben 22 und der Kolbenscheibe 20 die
Ringkammer 13 in einen Einlassbereich 15 und einen Auslassbereich 16 aufzuteilen.
Die Schieber 50 werden jeweils durch einen Schieberantrieb 53 und
ein Schiebergetriebe 54 synchron zu der Drehbewegung der
Kolbenscheibe 20 und der Kolben 22 angetrieben,
so dass verhindert wird, dass die Kolben 22 mit den Schiebern 50 zusammenstoßen.
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7 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Schiebers 50.
Der Schieber 50 ist dabei als sich linear bewegender Schieber 50 ausgebildet.
Der Schieberantrieb 53 und das Schiebergetriebe 54 erzeugen
bei dieser Ausführungsform
eine lineare Bewegung des Schiebers 50. Wie beim Schieber
der 6 ist die Bewegung des Schiebers 50 an
die Drehung der Kolbenscheibe 20 gekoppelt. Die Koppelung
ist derart ausgeführt,
dass der Schieber 50 den Weg des Kolbens 22 in
der Ringkammer 13 freigibt, kurz bevor der Kolben 22 die
Position des Schiebers 50 erreicht. Der Schieber 50 wird
nach dem Vorbeilaufen des Kolbens wieder in die Ringkammer 13 hinein
bewegt und bildet eine Wand zur Unterteilung des Ringraums 13.
Wie beim Ausführungsbeispiel
der 6 kann der Schieberantrieb 53 eine getrennte
Antriebsvorrichtung sein. Vorteilhafterweise ist jedoch hier ebenfalls
der Schieberantrieb 53 eine Vorrichtung, die Antriebsleistung
von der Motorausgangswelle 24 abnimmt und über das Schiebergetriebe 54 auf
den Schieber 50 überträgt. Dies
kann beispielsweise über
eine nicht gezeigte Nockenscheibe auf der Motorausgangswelle und eine
nicht gezeigte Schieberstange erfolgen. Weiterhin kann die lineare
Bewegung beispielsweise durch eine nicht gezeigte Hydraulik-Kolbenanordnung
erreicht werden.
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In
der Nähe
der Schieber 50 ist jeweils ein zur Ringkammer 13 gerichtetes
Einlasselement 30 vorgesehen, in dem ein nicht gezeigtes
Brennstoffeinlassventil vorgesehen ist. Weiterhin sind in dem Einlasselement 30 jeweils
ein nicht gezeigter Lufteinlass mit einem nicht gezeigten Lufteinlassventil
und eine ebenfalls nicht gezeigte Zündungsvorrichtung vorgesehen.
Die Einlasselemente 30 sind von den Schiebern 50 am
Umfang um etwa 5° bis
10° in Laufrichtung
(im Uhrzeigersinn) der Kolben 22 entfernt. In Umfangsrichtung
auf der anderen Seite der Schieber 50 sind jeweils Auslässe 40 vorgesehen.
Die Anordnung der Auslässe 40 hängt von
der beabsichtigten Betriebsweise des Drehkolbenmotors ab, liegt
jedoch vorzugsweise in einem Winkelbereich von 5° bis 15° vor (d. h. gegen den Uhrzeigersinn)
dem jeweiligen Schieber 50.
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Der
Drehkolbenmotor 100 kann durch Einleitung eines nicht brennbaren
unter Druck stehenden Strömungsmittels
oder durch Verbrennung eines Brennstoffes angetrieben werden. Der
Brennstoff kann ein flüssiger
oder gasförmiger
Brennstoff sein, der zusammen mit ebenfalls eingeleiteter Luft nach einer
Zündung
durch eine Zündungsvorrichtung
in der Ringkammer 13 verbrennt und Wärme und Druck erzeugt, um den
Kolben 22 zur Rotation in der Ringkammer 13 anzutreiben.
Im Folgenden wird der Betrieb der Drehkolbenmotors 100 mit
einem solchen verbrennenden Kraftstoff anhand der 1–3 beschrieben.
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Der
Drehkolbenmotor 100 arbeitet ebenfalls in einem 1-Takt-Zyklus,
der beispielsweise in drei Phasen eingeteilt werden kann. Eine erste
Phase ist in 1 gezeigt. In der ersten Phase
ist der Kolben 22 im Uhrzeigersinn an der Position des
geöffneten Schiebers 50 vorbeigelaufen,
und der Schließbereich 51 des
Schiebers 50 beginnt, sich in die Ringkammer 13 zu
bewegen. Dadurch werden zwischen dem Schieber 50 und dem
Kolben 22 ein Einlassbereich 15 und ein Auslassbereich 16 gebildet.
Zu diesem Zeitpunkt ist das Brennstoffeinlassventil des Einlasselementes 30 zunächst geschlossen.
Eine nicht gezeigte Motorsteuerung öffnet das Brennstoffeinlassventil,
wenn der Kolben 22 vollständig am Einlasselement 30 vorbeigelaufen
ist (wie in 1 gezeigt) und lässt Brennstoff
in den Einlassbereich 15 einströmen. Die Motorsteuerung öffnet ebenfalls
das Lufteinlassventil des Einlasselementes 30 und lässt (Druck-)Luft in
den Einlassbereich 15 der Ringkammer 13 ein. Zu diesem
Zeitpunkt ist der Ausschnitt 52 des Schiebers 50 vollständig aus
der Ringkammer herausbewegt.
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Die
zweite Phase des Motorbetriebs ist in 2 gezeigt.
In der zweiten Phase sind das Brennstoffeinlassventil und das Lufteinlassventil
des Einlasselementes 30 nach der Einleitung von Brennstoff und
Luft wieder geschlossen. Die Zündungsvorrichtung
zündet
das brennbare Gemisch aus Luft und Brennstoff. Der mit der Luft
verbrennende Brennstoff erzeugt ein heißes Gas bzw. Strömungsmittel
unter Druck und treibt den Kolben 22 an, bis er die Position des
Auslasses 40 erreicht hat. Im Auslassbereich 16 befindliches
Strömungsmittel
wird während
dieser Phase über
den Auslass ausgelassen, der so bemessen ist, dass möglichst
keine Rückstaueffekte
verursacht werden. Der Schieber 50 ist während dieser zweiten
Phase geschlossen, um eine Gegenfläche für den Druck der Verbrennungsgase
im Einlassbereich 15 zu bilden.
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3 zeigt
die dritte Phase des Motorbetriebs. Der Kolben 22 ist am
Auslass 40 vorbeigelaufen, und das den Kolben 22 antreibende
Verbrennungsgas kann durch den Auslass 40 austreten. Der Schieber 50 ist
aus der Ringkammer 13 zurückgezogen und der Kolben 22 läuft an der
geöffneten
Position des Schiebers 50 vorbei. Nachdem der Kolben 22 an
der Position des Schiebers 50 vorbei gelaufen ist, wird
der Schieber 50 wieder geschlossen, und ein neuer Motorzyklus
beginnt, wie bei Phase 1 gezeigt.
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Weiterhin
sei bemerkt, dass der in 7 gezeigte Linearschieber 50 auch
im ersten Ausführungsbeispiel
der 1–3, 4 und 6 eingesetzt
werden kann. Die Form des Schiebers 50 muss nur an die
Form der Kolben 22 und der Ringkammer 13 angepasst
sein.
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Die
Form der Kolben 22 (und entsprechend der Ringkammer) kann
andere Querschnitte aufweisen, als die hier gezeigten runden oder
rechteckigen Querschnitte. Für
eine rasche und gleichmäßige Öffnung der
Ringkammer für
den Durchgang des Kolbens wird beispielsweise ein trapezförmiger Querschnitt
in Betracht gezogen, der an die Form des Ausschnittes 52 im
Schieber 50 angepasst ist. Alternativ ist auch eine Anpassung
des Ausschnittes 52 im Schieber an eine Form des Querschnitts
der Ringkammer 13 denkbar, um eine möglichst rasche und gleichmäßige Öffnung für den Durchlauf
des Kolbens 22 vorzusehen. Für die Wahl des Querschnittes
der Kolben 22 sind Überlegungen
bezüglich
der Herstellbarkeit, der Abdichtung und der Passgenauigkeit relevant.
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Wenn
der Drehkolbenmotor 1, 100 durch ein verbrennendes
Luft/Brennstoff- Gemisch
angetrieben wird, kann im Auslass 40 zusätzlich ein
betätigbares Auslassventil
vorgesehen sein. Das Auslassventil kann zu einem erwünschten
Zeitpunkt geöffnet
und geschlossen werden, um den Betrieb des Drehkolbenmotors zu beeinflussen.
Beispielsweise kann das Auslassventil geschlossen werden, bevor
das „verbrauchte" Strömungsmittel
bzw. Abgas vollständig ausgestoßen wurde.
So kann ein Teil des Abgases in der Ringkammer 13 verbleiben – d. h.
auf einfache Weise rückgeführt werden – und im
nächsten
Takt des Drehkolbenmotors 1, 100 verwendet werden. Auch
kann ein Schließen
des Auslassventils zum Abbremsen des Motors eingesetzt werden.
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Obwohl
die Erfindung anhand konkreter Ausführungsformen beschrieben wurde
ist sie nicht auf diese beschränkt.
Beispielsweise ist es in Abwandlung zur Ausführungsform in 5 möglich, dass
das Gehäuseteil 12 an
der Kolbenscheibe 20 befestigt oder einteilig damit ausgebildet
ist. Eine Abdichtung 72 der Ringkammer 13 ist
dann statt der stationären Passscheibe 19 zwischen
dem stehenden Gehäuseteil 11 und
dem rotierenden Gehäuseteil 12 vorgesehen.