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Die
Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine
mit mehreren Kolben-Zylinder-Einheiten, die um eine Welle herum
angeordnet sind, und mit Einrichtungen zur Umsetzung der Translationsbewegungen
der Kolben in eine Drehbewegung der Welle.
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Als
Verbrennungsmotoren arbeitende Wärmekraftmaschinen
solcher Art mit sternartiger Anordnung der Kolben-Zylinder-Einheiten
sind seit langem bekannt. Die Translationsbewegungen der Kolben werden
in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle umgesetzt, deren Achse senkrecht
zur Bewegungsrichtung der Kolben verläuft.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine neue Wärmekraftmaschine der eingangs
erwähnten Art
geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Achsen der
Kolben- bzw. Zylinder parallel oder geneigt zur Drehachse der Welle
verlaufen.
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Erfindungsgemäß bewegen
sich also die Kolben der Wärmekraftmaschine
parallel oder geneigt zur angetriebenen Welle. Hierdurch eröffnen sich
vielfältige
Möglichkeiten
für neuartige
Konstruktionen von Wärmekraftmaschinen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Kolben-Zylinder-Einheiten auf einem zu der
Welle koaxialen Kreis angeordnet und vorzugsweise gleichmäßig über den
Kreisumfang verteilt.
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Während eine
Umsetzung der Translationsbewegungen der Kolben in eine Drehbewegung
der Welle über
Kurbelantriebe und an der Welle angreifende Kegelräder möglich wäre, weisen
die genannten Einrichtungen zur Umsetzung der Translations bewegung
in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine
mit der Welle verbundene, durch die Kolben unter Drehung bewegbare Taumelscheibe
auf.
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Die
Kolben brauchen mit der Einrichtung zur Umsetzung der Translationsbewegung
nicht verbunden zu sein und können über eine
Abrollfläche
an einen die Umsetzungseinrichtung bildenden Gegenhalter, insbesondere
die Taumelscheibe, nur lose anlegbar sein. Die Kolben lassen sich
z. B. über
Rollen an den Gegenhalter bzw. die Taumelscheibe anlegen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegen die Kolben mit der Abrollfläche an einem gegen die übrige Taumelscheibe
drehbaren Ring der Taumelscheibe an, wodurch Verschleiß hervorrufende
Bewegungen des Anlagepunktes relativ zur Taumelscheibe weitgehend
vermieden werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Abrollfläche
durch eine Kugelfläche
gebildet und insbesondere sind die Kolben unter Abrollen ihrer Kugelflächen auf
dem Ring um die Kolben- bzw. Zylinderachsen drehbar. Letztere Ausführungsform
ist insbesondere vorteilhaft im Zusammenhang mit einer durch den
Kolben bewirkten Einlassventilsteuerung, wie sie weiter unten erläutert wird.
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Die
Kolben-Zylinder-Einheit kann je ein Einlassventil zur Zuführung eines
Arbeitsmediums unter Druck, insbesondere dem im Arbeitsraum der
Kolben-Zylinder-Einheit wirksamen Anfangsdruck, vorgesehen sein.
Während
die Wärmekraftmaschine auch
als Verbrennungskraftmaschine arbeiten könnte, wird ihr vorzugsweise
ein Arbeitsmedium unter Druck zugeführt, das dann im Arbeitsraum
des Zylinders eingeschlossen wird, wo es sich unter Umsetzung im
Arbeitsmedium enthaltener Wärmeenergie in
mechanische Arbeit ausdehnt.
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Die
Kolben-Zylinder-Einheiten können
ferner jeweils ein Auslassventil zur Öffnung des Arbeitsraums bei
jedem Kolbenhub aufweisen. Jeder zweite Takt kann dann ein Arbeitstakt
sein.
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Vorzugsweise
ist das Einlassventil zur Öffnungsbetätigung durch
die dem Arbeitsraum zugewandte Fläche des Kolbens bei dessen
Aufenthalt nahe dem oberen Totpunkt vorgesehen. Die genannte Kolbenfläche betätigt also
ein Element des Ventils, wobei durch die obengenannte axiale Drehung
des Kolbens der Betätigungspunkt
unter Meidung von Verschleiß ständig seine
Position ändert.
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Zweckmäßig liegen
in axialer Richtung gesehen, die Einlassventile und die Auslassventile
jeweils auf einem zu der Welle koaxialen Kreis, vorzugsweise die
Einlassventile auf einem äußeren und
die Auslassventile auf einem inneren Kreis.
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Die
Auslassventile können
zur Steuerung durch eine mit der Welle verbundene, mit der Welle mitdrehbare
Taumelscheibe vorgesehen sein. Eine solche Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine, bei
der insbesondere zu der erstgenannten Taumelscheibe noch die Taumelscheibe
zur Steuerung der Auslassventile hinzukommt, ist, ähnlich einer
Turbine, weitgehend rotationssymmetrisch aufgebaut.
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Auch
die zur Steuerung der Auslassventile verwendete Taumelscheibe kann
einen gegen die übrigen
Taumelscheibe drehbaren Ring aufweisen, welcher gegen Betätigungselemente
der Auslassventile anlegbar ist. Durch die Drehentkopplung des Rings
von der übrigen
Taumelscheibe werden Relativbewegungen der Anlagepunkte der Betätigungselemente
auf der Taumelscheibe minimiert.
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Das
Einlassventil weist zweckmäßig einen Ventilkörper mit
einer Kugelfläche
auf, die durch eine einen Ventilsitz bildende Einlassöffnung hindurch
in den Arbeitsraum des Zylinders hinein vorsteht und zum Anschlag
gegen die dem Arbeitsraum zugewandte Fläche des Kolbens in einer Öffnungsphase vorgesehen
ist.
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Während außerhalb
der Öffnungsphase
der Ventilkörper
durch den Druck eines Arbeitsmediums ständig in den Sitz gedrückt wird,
könnte
hierzu zusätzlich
eine Feder vorgesehen sein.
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Zweckmäßig weist
der Ventilsitz eine an die Kugelfläche angepasste Ringfläche auf,
so dass beim Eindrücken
des Ventilkörpers
in den Sitz eine Selbstzentrierung stattfindet.
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Das
Auslassventil kann ebenfalls einen Ventilkörper mit einer Kugelfläche aufweisen,
der durch den Innendruck im Arbeitsraum des Zylinders in einen durch
eine Auslassöffnung
gebildeten Ventilsitz pressbar und durch ein Betätigungselement entgegen der
Pressrichtung bewegbar ist.
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Zweckmäßig weist
auch der Ventilsitz des Auslassventils eine an die Kugelfläche des
Ventilkörpers
angepasste Ringfläche
auf, die für
eine Selbstzentrierung des Ventilkörpers sorgt.
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Während außer in den Öffnungsphasen
der Innendruck im Zylinder den Ventilkörper im Ventilsitz hält, könnte zusätzlich eine
den Ventilkörper
in den Ventilsitz drückende
Feder vorgesehen sein.
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Zweckmäßig sind
sowohl der Ventilkörper des
Einlass- als auch der Ventilkörper
des Auslassventils insgesamt als Kugel ausgebildet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmekraftmaschine einen Motorblock
aus einem wärmeisolierenden
Material auf, wobei die Kolben-Zylinder-Einheiten in das wärmeisolierende Material
eingelassene Buchsen, insbesondere Metallbuchsen, umfassen.
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Zwischen
den Einlassventilen und den Auslassventilen können Einrichtungen zur Wärmedämmung angeordnet
sein, welche verhindern, dass das abgekühlte, aus den Zylindern austretende
entspannte Arbeitsmedium die Temperatur des durch die Einlassventile
zuströmenden
Arbeitsmediums herabsetzt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden,
sich auf diese Ausführungsbeispiele
beziehenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Teilansicht einer Wärmekraftmaschine
nach der Erfindung,
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2 eine
Draufsicht auf die Wärmekraftmaschine
von 1,
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3 und 4 Ventile
zeigende Detailansichten der Wärmekraftmaschine
von 1,
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5 einen
in der Wärmekraftmaschine
von 1 verwendeten Kolben,
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6 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Kolbenbewegungen in der Wärmekraftmaschine
von 1, und
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7 eine
detailreichere Teilansicht der Wärmekraftmaschine
von 1.
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Wie
sich den schematischen Darstellungen von 1 und 2 entnehmen
lässt,
weist eine Wärmekraftmaschine
Kolben-Zylinder-Einheiten 1 mit je einem Zylinder 2 und
einem Kolben 3 auf. Die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
sechs Kolben-Zylinder- Einheiten 1 sind
um eine Welle 4 herum angeordnet und gemäß 2 gleichmäßig über den Umfang
eines zur Welle 4 koaxialen Kreises verteilt. Die Achsen 5 der
Kolben- bzw. Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheiten 1 erstrecken
sich parallel zu der Welle 4.
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Die
Kolben-Zylinder-Einheiten 1 befinden sich in einem im Querschnitt
kreisförmigen
Motorblock 6, der im Wesentlichen aus einem wärmeisolierenden
Kunststoffmaterial besteht.
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Wie 1 erkennen
lässt,
ist die Welle 4 bei 8 starr mit einer zu der Welle 4 geneigten
Taumelscheibe 7 verbunden, die einen äußeren, gegen den inneren Teil
der Taumelscheibe 7 drehbaren Ring 9 umfasst.
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Die
in den Zylindern 2 unabhängig von der Taumelscheibe 7 bewegbaren
Kolben 3 sind über
kugelförmige
Abrollflächen 10 gegen
den äußeren Ring 9 der
Taumelscheibe 7 anlegbar.
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Ventile
zum Öffnen
und Schließen
eines Arbeitsraums 11 der jeweiligen Kolben-Zylinder-Einheit 1 zeigt 3.
Ein mit einem Einlasskanal 12 verbundenes Einlassventil 13 umfasst
eine Kugel 14 als Ventilkörper. Ein Sitz 15 für die Kugel 14,
welcher eine Einlassöffnung 16 umgibt,
weist eine an die Kugelfläche
der Kugel 14 angepasste Ringfläche auf. Wie 3 erkennen
lässt,
steht die Kugel 14 im verschlossenen Zustand des Einlassventils 13 in
den Arbeitsraum 11 des Zylinders 2 hinein in Richtung
zu einer dem Arbeitsraum 11 zugewandten Fläche 17 des Kolbens 3 vor.
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Ein
mit einem Auslasskanal 18 verbundenes Auslassventil 19 weist
als Ventilkörper
eine Kugel 20 auf. Ein Ventilsitz 21 ist durch
eine, wie der Ventilsitz 15, an eine Kugelform angepasste
Ringfläche
gebildet. Auf ihrer dem Sitz 21 abgewandten Seite grenzt die
Kugel 20 an einen Ventilraum 22 an, der über mehrere
Auslassöffnungen 23 in
Strömungsverbindung
mit dem Arbeitsraum 11 des Zylinders 2 steht. Auf
ihrer dem Ventilraum 22 abgewandten Seite liegt gegen die
Kugel 20 ein Betätigungselement
in Form eines Stößels 24 an.
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Wie
aus 4 hervorgeht, lassen sich die Stößel 24 der
einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten 1 durch eine bei 25 mit
der Welle 4 starr verbundene Taumelscheibe 26 betätigen, wobei
die Stößel 24 mit dem
der Kugel 20 abgewandten Ende gegen einen äußeren, auf
dem inneren Teil der Taumelscheibe 26 drehbar gelagerten
Ring 27 anliegen.
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Ein
in 5 gesondert dargestellter Kolben 3 weist
einen zentralen Gewindestab 28 auf, der an einem Ende mit
einer Prallplatte 29 und am anderen Ende mit einem die
kugelförmige
Abrollfläche 10 aufweisenden
Endstück 30 verschraubt
ist. Zwischen der Prallplatte 29 und dem Endstück 30 sind
Bauteile 31 bis 33 eingeschlossen, welche zwei
Nuten 34 für Kolbenringe
und eine Nut 35 für
einen Führungsring bilden.
Die Bauteile 31 bis 33 bestehen aus Leichtmetall,
die Prallplatte 29 und das Endstück 30 aus Stahl.
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7 zeigt
eine detailreichere Darstellung der vorangehend beschriebenen Wärmekraftmaschine.
Wie sich erkennen lässt,
ist der äußere Ring 9 der Taumelscheibe 7 von
deren innerem, mit der Welle 4 starr verbundenen Teil durch
ein Kugellager 36 entkoppelt.
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Zur
Bildung der Zylinder 2 sind in den Motorblock 6 Metallbuchsen 37 eingelassen.
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Eine
Ringnut 38 an der Welle 4 dient zur Aufnahme der
(im Übrigen
nicht gezeigten) Taumelscheibe 26.
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Im
Betrieb der vorangehend beschriebenen Wärmekraftmaschine liegt am Einlasskanal 12 ständig ein
unter Druck stehendes Arbeitsmedium an, z. B. Wasser- oder ein Alkoholdampf.
Der anliegende Dampfdruck hält
die Kugel 14 im Ventilsitz 15 und damit die Einlassöffnung 16 des
Arbeitsraums 11 der Kolben-Zylinder-Einheit 1 geschlossen.
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Wenn
sich der Kolben 3 dem oberen Totpunkt nähert, erreicht die dem Arbeitsraum 11 zugewandte
Kolbenfläche 17 die
Kugel 14, wobei die Kugel 14 gegen die aus Stahl
hergestellte Prallfläche 29 stößt. Der
Kolben 3 drückt
die Kugel 14 aus dem Sitz 15, so dass das Arbeitsmedium
gemäß Pfeil 39 durch die Öffnung 16 hindurch
in den Arbeitsraum 11 einströmen kann. Nachdem sich das
Einlassventil 13 unterhalb des oberen Totpunkts des Kolbens 3 durch den
anliegenden Druck des Arbeitsmediums wieder geschlossen hat, dehnt
sich das eingeströmte
und nun eingeschlossene Arbeitsmedium im Arbeitsraum 11 aus
und drückt
den Kolben in Richtung zum unteren Totpunkt. Im Arbeitsmedium enthaltene
Wärmeenergie
wird in mechanische Arbeit umgesetzt.
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Während der
vorangehend beschriebenen Vorgänge
hält der
Innendruck im Arbeitsraum 11 die Kugel 20 des
Auslassventils 19 in dem Ventilsitz 21 des Auslassventils 19,
so dass das Auslassventil 19 geschlossen ist. Bei der Hubbewegung
der Kolbens 3 nach Durchlaufen seines unteren Totpunkts
wird über
den Stößel 24 die
Kugel 20 aus ihrem Sitz 21 herausgedrückt, so
dass das entspannte Arbeitsmedium durch die Auslassöffnungen 23,
das Ventil 19 und den Auslasskanal 18 hindurch
aus dem Arbeitsraum 11 ausströmen kann. Kurz vor Erreichen
des oberen Totpunkts des Kolbens 3 ist der Stößel 24 wieder
soweit zurückgezogen,
dass sich das Auslassventil 19 unter dem Druck des nun über das
Einlassventil 13 wieder eingeströmten Arbeitsmediums schließt.
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Erreicht
einer der sechs Kolben 3 seinen oberen Totpunkt, so befindet
sich der zu diesen Kolben diametral angeordnete Kolben gerade am
unteren Totpunkt. Der Berührungspunkt
zwischen der kugelförmigen
Abrollfläche 10 des
Kolbens am oberen Totpunkt liegt am höchsten, der entsprechende Berührungspunkt
des Kolbens am unteren Totpunkt am niedrigsten. Die übrigen vier
Kolben nehmen jeweils eine Zwischenstellung ein. Indem die Kolben 3 bei
ihrem Arbeitstakt die Taumelscheibe 7 in deren Randbereich
fortlaufend niederdrücken,
weicht die Taumelscheibe 7 durch Drehung diesen Translationsbewegungen
aus und treibt dadurch die Welle 4 zur Drehung an.
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Die
Taumelscheibe 26 ist gegenüber der Taumelscheibe 7 unterschiedlich
derart geneigt, dass die Stößel 24 vom
jeweiligen unteren Totpunkt der betreffenden Kolbens an betätigt und
die Auslassventile 19 jeweils bis knapp unterhalb des oberen
Totpunkts des Kolbens bis zur Öffnung
des betreffenden Einlassventils 13 offengehalten werden.
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Der
anliegende Druck des Arbeitsmediums hält die Kugel 14 des
Einlassventils 13 außer
in dessen Öffnungsphase
ständig
geschlossen. Durch die Anpassung der Ringflächen der Sitze 15 und 21 an die
Form der Kugel 14 bzw. 20 ergibt sich vorteilhaft eine
Selbstzentrierung der Kugeln.
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Sowohl
die Kugel 14 als auch die Kugel 20 könnten zusätzlich durch
eine Schraubenfeder in den betreffenden Sitz gedrückt werden.
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Wie 6 verdeutlicht,
rollen die kugelförmigen
Abrollflächen 10 der
Kolben 3 auf dem äußeren Ring 9 der
Taumelscheibe 7 während
einer Abwärts- oder
Hubbewe gung der Kolben 3 über die Höhe H um die Strecke S ab. Bei
diesem Abrollvorgang kommt es zu einer Drehung der Kolben 3 um
deren Achse 5. Vorteilhaft wandert dadurch der Stoßpunkt der
Kugel 14 auf der Kolbenfläche 17 auf einer Kreisbahn
um. Der Stoß erfolgt
stets an einer anderen Stelle, was sich verschleißmindernd
auswirkt.
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Auch
die Drehentkopplung des äußeren Rings 9 vom
Innenteil der Taumelscheibe 7 führt zu einer erheblichen Verschleißminderung.
Die Berührungsstellen
zwischen den Abrollflächen 10 und
dem äußeren Ring 9 erfordern
keinerlei Schmierung. In gleicher Weise verschließmindernd
wirkt sich die Drehentkopplung des äußeren Rings 27 vom
Innenteil der Taumelscheibe 26 aus. Auch die Berührungsstellen
zwischen den Stößeln 24 und
dem äußeren Ring 27 brauchen
nicht geschmiert zu werden.
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Die
freie, von der Taumelscheibe 7 unabhängige Beweglichkeit der Kolben 3 führt vorteilhaft
zu einem äußerst reibungsarmen
Leerlauf der Wärmekraftmaschine,
da anders als bei einer festen Verbindung zwischen den Kolben und
einer Kurbelwelle, eine Zwangsbewegung der Kolben unterbleibt. Wenn kein
oder kein genügender
Arbeitsdruck zum Betrieb der Wärmekraftmaschine
anliegt, verbleiben die Kolben 3 in Ruhe und sowohl die
Taumelscheibe 7 als auch die Taumelscheibe 26 können sich
ungehindert drehen. Zur Trennung der Wärmekraftmaschine vom Antriebsstrang
bedarf es keiner gesonderten Kupplung.
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Für einen
insgesamt schmierungsfreien Betrieb lassen sich Kolbenringe und
ggf. ein Führungsring
aus einem selbstschmierenden Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus
Polytetrafluoräthylen
(PTFE) oder PEEK, verwenden.
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Der
aus wärmeisolierendem
Material bestehende Motorblock 6 sorgt dafür, dass
keine Wärmeverluste
entstehen und die Wärmeenergie
des in den Arbeitsräumen 11 eingeschlossenen
Arbeitsmediums weitgehend in mechanische Arbeit umgesetzt wird.
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Im
Bereich zwischen den Einlass- und Auslassventilen kann durch geeignete
Wärmedämmungen
dafür gesorgt
werden, dass es nicht zur Abkühlung
des zugeführten
Arbeitsmediums durch das nach der Entspannung abgekühlte Arbeitsmedium kommt.