DE102013004808A1

DE102013004808A1 - "Ringzylinderkolbenmotor"eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens zwei sich gegenüberliegenden massereichen, in einem ringförmigen Zylinder ununterbrochen umlaufenden Arbeitskolben, zwischen denen mindestens zwei massearme Steuerkolben diskontinuierlich durch ein Umlaufrädergetriebe und eine elektromagnetisch steuerbare Kupplung bewegt werden

Info

Publication number: DE102013004808A1
Application number: DE102013004808.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-18
Also published as: DE202013011786U1

Abstract

Der „Ringzylinderkolbenmotor” ist in Analogie zum Hub- und Kreiskolbenmotor ein Umlaufkolbenmotor. Die Erfindung „Ringzylinderkolbenmotor” bezeichnet eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens zwei in einem ringförmigen Zylinder (2) umlaufenden massereichen Arbeitskolben (16), die mit einer mittelachsig gelagerten Hohlwelle (17) kraftschlüssig verbunden sind. Ein Umlaufrädergetriebe (25) treibt einen auf der Hohlwelle gelagerten Kupplungsring (21) mit steuerbarer Kupplung (23) mit doppelter Drehzahl der Hohlwelle an. Der abtriebseitige Teil der Kupplung steht mit dem Steuerkolbenring (18) auf der Hohlwelle im Eingriff. Mit dem Steuerkolbenring verbunden laufen mindestens zwei sich gegenüberliegende massearme Steuerkolben (19) diskontinuierlich im Zylinderring um. Mit doppelter Geschwindigkeit gegenüber der Hohlwelle verdichten sie zyklisch den Zylinderraum zwischen sich und den Arbeitskolben bis zum Zündzeitpunkt, verriegeln sich im Stillstand mit dem Ringzylindergehäuse, um sich nach Expansion wieder auf die Arbeitskolben zuzubewegen und die Verbrennungsgase auszustoßen. Die Kompression ist gesteuert variierbar. Die Anpassung der Größe des Verbrennungsraumes erfolgt mittels steuerbarer Schließzunge (9). Funktionsbedingte Druckdifferenzen werden durch selbsttätig öffnende und schließende Unterdruckventile (15) und durch freigegebene und geschlossene Überströmkanäle (13) zur Überdruckkammer (12) automatisch ausgeglichen.

Description

Die sich gegenüberliegenden Arbeitskolben sind fest mit einer als Hohlwelle ausgelegten Abtriebswelle verbunden und laufen in einem kreisförmigen Zylinderring, der in einem geteilten Ringzylindergehäuse untergebracht ist ununterbrochen um. Die Steuerkolben, die sich gegenüberliegend mit einem auf der Abtriebswelle gelagerten Steuerkolbenring fest verbunden sind und sich alternierend zwischen den Arbeitskolben bewegen, werden angetrieben von einem auf der Abtriebswelle fest aufgesetzten Umlaufrädergetriebe, das einen auf der Abtriebswelle gelagerten, mit einem Zahnkranz versehenen Kupplungsring mit doppelter Geschwindigkeit der Abtriebswelle antreibt und mittels einer auf ihr und dem Steuerkolbenring befindlichen elektromagnetisch steuerbaren Kupplung den Steuerkolbenring mit den Steuerkolben einkuppelt und mitnimmt, andererseits auskuppelt und im Stillstand mit dem Ringzylindergehäuse gegen Rücklauf verriegelt.
Stand der Technik:
Die Grundlage jeder Verbrennungskraftmaschine ist das Viertaktprinzip, Ansaugen (Ansaugtakt) – Verdichten (Kompressionstakt) – Verbrennen (Arbeitstakt) – Ausstoßen (Ausstoßtakt), bei der die chemische Energie des Kraftstoffes, gleichgültig ob gasförmig, fest oder flüssig, im Verbrennungsprozess des Arbeitstaktes freigesetzt und in mechanische Energie umgewandelt wird.
Der technische Stand auf dem Gebiet des Baues von Verbrennungskraftmaschinen ist durch die allgemeine und umfassende Anwendung des Hubkolbenmotors, dessen Entwicklungsstand seinen Zenit erreicht hat, gekennzeichnet. Wesentlichen qualitativen Verbesserungen, insbesondere des energetischen Wirkungsgrades, sind auf Grund des gewählten technischen Systems, bei dem sich in einem offenen Zylinder der auf und ab bewegende und damit ständig zu beschleunigende und wieder abzubremsende Kolben mit seiner Masse und die Umwandlung der translatorischen Kolbenbewegung in eine Rotationsbewegung mittels Kolbenstange auf eine Kurbelwelle vollzieht, Grenzen gesetzt. Die konstante Größe des Verbrennungsraumes bietet keine Möglichkeit einer optimalen energetischen Nutzung der Verbrennungsenergie.
Die Steuerung der erforderlichen Ein- und Auslaßventile mittels Nockenwelle ist relativ aufwendig. Diese Nachteile des Hubkolbenmotors werden durch den Kreiskolbenmotor nach Wankel in guter Weise eliminiert. Ein exzentrisch gelagerter Rotationskolben durchläuft bei einer Umdrehung alle vier Takte, benötigt weder Ventile noch Nocken- und Kurbelwelle und besitzt keine translatorisch zu bewegende Massen. Die allgemeine und umfassende Anwendung des Kreiskolbenmotors scheiterte bisher an nicht zufriedenstellender Lösung der Abdichtprobleme, der ungünstigen Brennraumform und daraus resultierend dem geringen thermodynamischen Wirkungsgrad, dem hohen Schadstoffgehalt der Abgase und der damit einhergehenden aufwendigen Abgasreinigung und hoher Produktionskosten, insbesondere für die Herstellung der Epidrochoidenlaufbahn.
Seit Anfang des 20. Jahrhunderts ist die Idee des mittelachsigen Umlaufkolbenmotors in der Patentliteratur präsent DE 240853 , die beginnend in den achtziger Jahren des vorigen Jahrhunderts ihre Fortsetzung fand und sich in Schriften wie z. B. DE 3038500 , DE 3036742 und DE 2945496 dokumentiert, ohne das bisher etwas über eine praktische Realisierung bekannt geworden ist. Der mittelachsige Umlaufkolbenmotor, bei dem mindestens ein Kolbenpaar in einem ringförmigen Zylinder umläuft, wobei einer der beiden Kolben sich alternierend dem anderen Kolben nähert oder entfernt, auch als Katze- und Maus-Prinzip bezeichnet, ist dabei die grundlegende Idee.
So vorteilhaft sich die Idee des umlaufenden Kolbens, der die durch den Verbrennungsprozess in einem gut gestaltbaren Verbrennungsraum gewonnene Energie direkt und ohne mechanische Umwandlung auf eine Welle übertragen und damit die Nachteile des Hubkolbenmotors und die des Kreiskolbenmotors auf fast ideale Weise eliminieren kann, so scheiterten die bisher bekannt gewordenen Lösungswege offenbar an der komplizierten und aufwendigen Steuerung des Katze- und Maus-Prinzipes und eines nicht mit dem konstruktiven Gedanken in Übereinstimmung zu bringendes Funktionsprinzip.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile des Hubkolbenmotor, des Kreiskolbenmotor und den bisher nur aus der Patentliteratur bekannten Umlaufkolbenmotor zu eliminieren.
Diese Aufgabe erfüllt erfindungsgemäß der Ringzylinderkolbenmotor. Er ermöglicht eine kompakte, raumsparende und einfache Bauweise ohne aufwendige mechanische Steuermechanismen. Der wesentliche Steuerungsaufwand unter Nutzung eines Umlaufrädergetriebes besteht in der variablen Ansteuerung einer elektromagnetischen Kupplung, mit der die Steuerung der alternierenden Steuerkolben realisierbar und beherrschbar ist und zusätzlich der Abstand zwischen Arbeits- und Steuerkolben verändert werden kann und damit das Verdichtungsverhältnis regelbar wird. Ein weiterer Regelungsaufwand besteht darin, daß die der Ausstömöffnung vorgelagerten Ausströmkanäle stufenlos durch steuerbare Schließzungen geöffnet und geschlossen werden können. Dadurch ist der Verbrennungsraum variierbar in seiner Größe und bietet eine bessere Ausbeutung der Verbrennungsenergie und damit einen höheren energetischen Nutzen bei gleichzeitiger Verminderung des Schadstoffausstoßes. Selbsttätig arbeitende Unterdruckventile gleichen die konstruktionsbedingt funktionell entstehenden Druckabfälle automatisch aus. Die ebenfalls konstruktionsbedingt funktionell entstehenden Überdrücke werden durch eine im Gehäuse befindliche Überdruckkammer, deren Überströmkanäle sowohl durch Arbeits- als auch Steuerkolben freigegeben und verschlossen werden, automatisch ausgeglichen.
Ununterbrochen im Zylinderring umlaufende Arbeitskolben verfügen über eine große Masse und behalten weitestgehend ihre kinetische Energie, nur verringert um den zur Verdichtung notwendigen Anteil. Der Ringzylinderkolbenmotor arbeitet mit einer mittig gelagerten Hohlwelle als Abtriebswelle. Damit ist nicht nur der Zylinderdurchmesser sondern auch der Radius Mitte Abtriebswelle zu Mittendurchmesser Zylinderring extrem variabel und macht hohe Drehmomente erreichbar. Der Ringzylinderkolbenmotor ist unter Beibehaltung seines Funktions- und Konstruktionsprinzips in umfassender Weise auf- und umrüstbar.
Der Ringzylinderkolbenmotor eliminiert in seiner erfindungsgemäßen konstruktiven und funktionellen Gestaltung alle vorgenannten wesentlichen Nachteile der bekannten Hubkolben- und Kreiskolbenmotore und liefert die konstruktiv funktionelle Lösung für eine im weitestgehenden Sinne umfassende praktische Anwendung des Prinzips Umlaufkolbenmotor. Alle Nebenabläufe, wie Luftaufbereitung, Kraftstoffeinbringung, Zündung usw. werden als bekannt vorausgesetzt und nicht behandelt. Ebenso bleiben spezielle Anwendungsprobleme wie Auswahl der Schraubverbindungen, Passungen, Dichtungen, Schmierung, Lagerarten (Einsatz von Gleit- oder Wälzlagern) und dergleichen mehr, da diese größen- und einsatzabhängig sind, dem Anwender überlassen.
Konstruktionsprinzip:
Konstruktiv besteht der Ringzylinderkolbenmotor aus einem ringförmigen Gehäuse, das eine Hohlwelle dicht umschließt. Im Gehäuse befindet sich der „Zylinderring” (2) mit dem konstruktiv festzulegenden Mittelkreisradius „R” zur Mittelachse „M” der Hohlwelle und einem ebenfalls konstruktiv festzulegenden Zylinderdurchmesser „D”, dargestellt in 1, unterteilt in IV Quadranten, und 2 in Schnittdarstellung. In dem ringförmig im Umfang geteilten und nicht geschlossenen „Ringzylindergehäuse” (1), ist der Zylinderring mit nicht geschlossenem, beliebigem, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt eingearbeitet bzw. untergebracht. Aus den Parameter D, R und variierbarem Kreissektor, hier Verbrennungsraum im I. und II. Quadrant, ergibt sich der vergleichbare quasi Hubraum, und das erzielbare Drehmoment Die Querschnittsöffnung des Zylinderringes und Ringzylindergehäuses wird als „Lauföffnung” (3) bezeichnet. Die Trennfläche des Ringzylindergehäuses ist vorzugsweise radial so angeordnet, das sie den Zylinderquerschnitt an der der Lauföffnung gegenüberliegenden Seite symmetrisch in zwei Gehäusehälften, in die „Abtriebseitige Gehäuseschale” (4) und die „Steuerseitige Gehäuseschale” (5) teilt. In beiden Gehäuseschalen befinden sind umlaufend Kanäle zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit, die entgegen der Kolbendrehrichtung durch die Kanäle des Ringzylindergehäuse gepumpt wird. Beide Gehäuseschalen sind lösbar miteinander verschraubt, wobei die Trennflächen den Ringzylinder druckdicht schließen ohne den Zylinderquerschnitt zu verändern. Dazu sind beide Gehäuseschalen gegeneinander zentriert, die Trennflächen, die unmittelbar aufeinander liegen sind geschliffen und mit mindestens einer umlaufenden Nut mit Quetschdichtung versehen. Wahlweise befindet sich in einer der Gehäuseschalen eine Öffnung zur Aufnahme einer „Zündkerze”/”Glühkerze” (6), in der anderen Gehäuseschale befindet sich gegebenenfalls eine Öffnung zur Aufnahme einer „Einspritzdüse”/„Einblasdüse” (7). Im I. Quadranten befindet sich ein „Frischlufteintritt” (14) mit „Unterdruckventil” (15), das sich selbsttätig öffnet und Frischluft in den Verbrennungsraum einströmen läßt, sobald sich im Verbrennungsraum sekundär ein Unterdruck ausbildet. Der Frischlufteintritt ist außerhalb des Ringzylindergehäuses mit der Frischluftversorgung der Ansaugöffnung verbunden und wird von dort versorgt. „Ausströmkanäle” (8) sind der Größe und Lage nach im II. Quadranten des Ringzylindergehäuses so angeordnet, dass die Vorderkante der Ausstömkanäle entweder unveränderbar konstruktiv festgelegt wird oder mittels im Bereich der Vorderkante angelenkter steuerbarer „Schließzunge” (9) die Ausströmkanäle in Richtung der Ausströmöffnung stufenlos geschlossen und geöffnet werden können und so das Volumen des Verbrennungsraumes variabel machen, um eine vollständige Verbrennung und damit optimale Nutzung der Verbrennungsenergie zu ermöglichen. Die Ausströmkanäle münden in eine „Ausströmöffnung” (10), die sich wahlweise in einer der beiden Gehäuseschalen im II. Quadranten befindet Parallel zur Ausströmöffnung ist in der jeweils anderen Gehäuseschale eine „Ansaugöffnung” (11) angeordnet, die in den III. Quadranten reicht. Im IV. Quadranten des Zylindergehäuses befindet sich eine „Überdruckkammer” (12), die durch einen oder mehrere „Überströmkanäle” (13) mit dem dem Zylinderinnenraum verbunden ist. Ein „Frischlufteintritt” (14) mit „Unterdruckventil” (15) sind im IV. Quadranten untergebracht. In Analogie zum I. Quadranten öffnet das Unterdruckventil den Frischlufteintritt selbsttätig oder gesteuert sobald der Unterdruck einen vorbestimmten Wert übersteigt so daß Frischluft in den Zylinderraum einströmen kann und den Unterdruck abbaut. Im Zylinderring sind mindestens zwei sich gegenüberliegende große massereiche „Arbeitskolben” (16) kraftschlüssig und lösbar über die Lauföffnung des Zylinderringes auf einer Welle, die vorwiegend als Hohlwelle ausgebildet ist und mit „Abtriebswelle” (17) bezeichnet wird, verbunden. Die Abtriebswelle ist im Ringzylindergehäuse gelagert und wird von diesem vollständig umschlossen. Die Abtriebswelle ist umlaufend unter der Lauföffnung des Ringzylindergehäuses gelagert und schließt die Lauföffnung an der abtriebseitigen Gehäuseschale dicht ab. In die Abtriebswelle sind um 180° versetzt Aufnahmen eingearbeitet, in die der Mitnahmefuß des Arbeitskolben passgenau und lösbar eingefügt wird und somit die Kraftübertragung vom Arbeitskolben auf die Abtriebswelle gewährleistet ist.
Ein „Steuerkolbenring” (18), der als Hohlwelle auf und an der Abtriebswelle in gleicher Richtung umläuft, ist unter der Lauföffnung und der steuerseitigen Gehäuseschale so gelagert, das er die Lauföffnung und die steuerseitige Gehäuseschale druckdicht schließt. Die Druckdichtheit zwischen Steuerkolbenring und Abtriebswelle einerseits und der Lauföffnung des Gehäuses zu Abtriebswelle und Steuerkolbenring andererseits sind auf bekannte Art, z. B. mittels Gleitringdichtung, Labyrinthspaltdichtung und dergleichen mehr, herzustellen. Auf dem Steuerkolbenring befinden sich ebenfalls kraftschlüssig und lösbar über der Lauföffnung des Zylinderringes mindestens zwei sich gegenüberliegende, kleine massearme „Steuerkolben” (19). Der Steuerkolbenring ist stirnseitig so in die Abtriebswelle eingepasst, daß der auf dem Steuerkolbenring verankerte Steuerkolben den Arbeitskolben im Abstand des vorgegebenen maximalen Verdichtungsverhältnisses aus der Mitnahme des Kupplungsringes löst und mit dem Ringzylindergehäuse gegen Rücklauf arretiert. Andererseits hat er die Rückseite des Steuerkolben ohne Berührung der Rückseite des Arbeitskolben auf Minimaldistanz haltend in die Mitnahme des Kupplungsringes zu kuppeln, damit ist der maximal mögliche Spielraum zwischen Arbeits- und Steuerkolben mechanisch sicher und unabhängig vom elektromagnetischen Schaltspiel der Kupplung begrenzt. Der Steuerkolbenring kann sich radial auf der Abtriebswelle um ca. 90° drehen. Auf dem steuerseitigen Ende des Steuerkolbenringes ist der abtriebseitige Teil einer elektromagnetisch schaltbaren „Kupplung” (23) radial kraftschlüssig und axial verschiebbar, ausrückbar, so angeordnet, daß er sich im ausgerückten Zustand mit dem Ringzylindergehäuse gegen Rücklauf verriegelt. Arbeitskolben und Steuerkolben füllen den Zylinderquerschnitt dicht aus und sind gegen die Ringzylinderwandung mittels bekannter „Kolbenringe” (20), die im am Kolbenumfang eingearbeiteten Nuten federnd eingebracht sind und deren Enden am Kolbenfuß gegen radiale Verdrehung gesichert sind, abgedichtet. Arbeitskolben und Steuerkolben sind so angeordnet, das sich die Stirnfläche des Steuerkolben der Stirnfläche des zugehörigen Arbeitskolben gegenüber stehen, wobei sich die Stirnfläche des Arbeitskolben auf der der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Seite des Arbeitskolben befindet. Steuerseitig ist neben dem Steuerkolbenring ein „Kupplungsring” (21) umlaufend auf der Abtriebswelle gelagert. Auf dem Kupplungsring sitzt fest ein Zahnkranz, der „Kupplungszahnring” (22), der den Kupplungsring, durch das Umlaufrädergetriebe angetrieben, mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit und in gleicher Drehrichtung der Abtriebswelle antreibt. Der Kupplungsring trägt auf der dem Ringzylindergehäuse zugewandten Seite eine elektromagnetisch schnellschaltbare „Kupplung” (23), die den Steuerkolbenring periodisch ein- und auskuppelt, dabei im eingekuppelten Zustand die auftretenden Drehmomente übertragen muss und im Moment des Auskuppeln den Steuerkolbenring mit Steuerkolben gegen das Ringzylindergehäuse sperrt, bzw. eine Rücklaufsperre auslöst. Die konstruktive Auslegung bekannter elektromagnetischer Schnellschaltkupplungen erfolgt so, daß für ein weiches einkuppeln der Einschaltschlupf mit sich anschließender definierter, wahlweise auch mechanischer Mitnahme kombiniert wird (Elektromagnetisch schaltbare Zahnkupplung/Induktionskupplung usw). Mit der Steuerung des Zeitpunktes für das Einkuppeln des Steuerkolbenringes ist eine Optimierung des Kompressionsdruckes zum Zündzeitpunkt gegeben. Die Materialauswahl und Dimensionierung von Arbeitskolben und Steuerkolben erfolgt so, dass die Masse des Steuerkolben einschließlich aller steuerkolbenseitiger nicht kontinuierlich bewegter Bauteile sehr gering gegenüber der Masse der Arbeitskolben einschließlich aller abtriebseitiger Bauteile sein muss, d. h. das Minimum anzustreben ist. In den Steuerkolbenring sind unter der Lauföffnung mindestens zwei um 180° versetzte Aufnahmen eingearbeitet, in die der Mitnahmefuß der Steuerkolben passgenau aber lösbar eingefügt wird und damit die Kraftübertragung vom Steuerkolbenring auf den Steuerkolben erfolgen kann. Die Größe eines Kolbenpaares, Arbeitskolben plus Steuerkolben, sind in Abhängigkeit vom gewählten Verdichtungsverhältnis zu dimensionieren und in der Form ihrer Rückseiten konform und so geformt, das ein Abströmen des zwischen ihnen befindlichen Gases in die Überdruckkammer und Ausströmöffnung ermöglicht wird ohne dass nennenswerte Gasvolumina im Zylinderinnenraum verbleiben und die Kolbenböden nicht hart aufeinander schlagen. Gleichzeitig dient die Ausformung der Kolbenböden der Masseverminderung der Steuerkolben und der Masseerhöhung der Arbeitskolben. Das Trägheitsmoment der ständig umlaufenden Arbeitskolben wirkt damit als Schwungmasse.
In der Außenwand der Steuerseitigen Gehäuseschale ist ein „Gehäuse-Zahnkranz” (24) angeordnet, in den ein Übersetzungsgetriebe eingreift, das durch die Abtriebswelle angetrieben wird und einen auf der Abtriebswelle gelagerten und von der Steuerseitigen Gehäuseschale her aufgeschobenen Kupplungsring durch ein geeignetes Getriebe, hier bevorzugt, ein bekanntes „Umlaufrädergetriebe” (25) (3), auf die doppelte Drehzahl der Abtriebswelle bei gleicher Drehrichtung bringt. Der „Stator” (26) des Umlaufrädergetriebes sitzt kraftschlüssig auf der steuerseitigen Profilwelle und wird durch diese in gleicher Drehrichtung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit angetrieben. Der Stator dient in seiner konstruktiven Auslegung auch zur Ausgleichung von Unwuchten. Im Stator sind um 120° versetzt vorzugsweise drei axial fest miteinander verbundene „Umlaufradsätze” (27) drehbar gelagert, wobei die jeweils größeren Zahnräder mit dem Gehäuse-Zahnkranz der steuerseitigen Gehäuseschale im ständigen Eingriff stehen. Die kleineren, nicht mit dem Gehäuse-Zahnkranz kämmenden Zahnräder, greifen ständig in den Zahnkranz des Kupplungsringes, den Kupplungszahnring, ein und sind so dimensioniert, daß sie den Kupplungsring mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle antreiben.
Die Abtriebswelle ist an einem, hier an ihrem steuerseitigen Ende als „Profilwelle” (28), vorzugsweise Keil- oder Zahnwelle, ausgebildet, um das auf die Abtriebswelle aufgeschobene Umlaufrädergetriebe anzutreiben und Anschlussmöglichkeit passender Profilnaben zu bieten. An ihrem anderen, hier abtriebseitigen Ende, ist die Abtriebswelle als „Profilnabe” (29) ausgebildet und bietet damit Anschlussmöglichkeiten passender Profilwellen. Der Ringzylinderkolbenmotor ist als autonomes Modul zu betrachten und mittels sowohl abtriebsseitig als auch steuerseitig angeordneter „Flansche” (30) und der Profilwelle/Profilnabe zu mehrzylindrischen Einheiten zusammenfügbar/verschraubbar. Die Kopplung mehrerer Module hat in ihrer Lage zueinander so zu erfolgen, daß die radiale Lage und Verteilung der Arbeitstakte in den einzelnen Ringzylindergehäusen Unwuchten im Verbund maximal ausgleicht. Das Zusammenfügen von zwei Modulen kann so erfolgen, daß ein modifiziertes Umlaufrädergetriebe, das beidseitig einen Kupplungsring antreibt, von beiden Modulen gemeinsam genutzt wird, dabei sind konstruktive Anpassungen der Profilwelle, Profilnabe und der Flansche erforderlich. Die Variierbarkeit des der Erfindung zugrunde liegenden Moduls ist gegeben durch die axiale Verdrehung der Lauföffnung des Zylinderringes und Ringzylindergehäuses von der mittelachsigen Lage stufenlos über die 90°-Lage, bei der die Abtreiebswelle zur Abtriebsscheibe wird (11) bis zur 180°-Lage, bei der das Ringzylindergehäuse innerhalb der nun außen liegenden Abtriebswelle angeordnet ist (12).
Die konstruktive Gliederung des Ringzylindergehäuses für den gleichzeitigen Ablauf von zwei und mehr – „n” Arbeitszyklen zweier Kolbenpaare (13 und 14) und der gleichzeitige Ablauf von zwei und mehr – „n” Arbeitszyklen von zwei und mehr – „n” Kolbenpaaren (15) und (16), bei einem Umlauf im Zylinderring bietet umfangreiche Erweiterungs- und Anwendungsmöglichkeiten.
Funktionsprinzip und Arbeitsverfahren:
Der Ringzylinderkolbenmotor arbeitet Im Paralleltaktverfahren in den vier bekannten Takten; Ansaugtakt, Kompressionstakt, Arbeitstakt und Ausströmtakt, wobei jeder Arbeitskolben bei einem vollen Umlauf im Ringzylinder mindestens einmal alle vier Takte durchläuft, sich Arbeits- und Ansaugtakt, sowie Ausstoß und Kompressionstakt parallel, also gleichzeitig bei einem halben Umlauf eines jeden Kolbenpaares vollziehen. Da sich konstruktionsbedingt zwischen den Rückseiten der Kolbenpaare Füll- und Entleerungsvorgänge im Zylinderring vollziehen, werden diese in den folgenden Beschreibungen mit „sekundär” bezeichnet. Die in 4 gezeigte Darstellung, in der sich die Stirnseite des Arbeitskolben 1 in der Pos.1 und die Stirnseite des Steuerkolben 1 in der Pos.0 befinden, wird als „Basislage” bezeichnet.
Arbeitstakt/Ansaugtakt:
Arbeitstakt und Ansaugtakt vollziehen sich im I. Und III. Quadranten des Zylinderringes, entsprechend der Darstellung in 4, 5 und 6.
Der Arbeitstakt vollzieht sich im I. Quadranten des Zylinderringes.
Die Stirnfläche des Arbeitskolben 1 passiert durchlaufend die Pos.1. Gleichzeitig erreicht die Stirnfläche des Steuerkolben 1 die Pos.0, in der der Kupplungsring den Steuerring mit dem Steuerkolben 1 aus der Mitnahme des Kupplungsringes löst, auskuppelt, und gegen das Ringzylindergehäuse verriegelt, d. h. gegen Rücklauf sperrt und in die zwischen den Stirnflächen von Arbeitskolben 1 und Steuerkolben 1 komprimierte Luft Kraftstoff eingespritzt und sich selbst entzündet, oder mittels Zündfunken gezündet wird – alternativ wird ein komprimiertes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet. Der Arbeitskolben 1 wird in Richtung Pos.3 angetrieben. Die Stirnfläche des Arbeitskolben 1 erreicht durchlaufend die Pos.3 (6). Der Kupplungsring kuppelt den in der Pos.0 arretierten Steuerring mitnehmend ein und bewegt den Steuerkolben 1 mit doppelter Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle auf den Arbeitskolben 1 zu (8). Der Arbeitstakt ist abgeschlossen.
Sekundär entsteht zwischen den Rückseiten des Arbeitskolben 1 und des Steuerkolben 2 infolge der Geschwindigkeitsdifferenz ein Unterdruck und es öffnet sich daraufhin ein Unterdruckventil Pos.2 (9), das Frischluft aus dem Frischlufteintritt einströmen läßt, die sich, sobald die Rückseite des Steuerkolben die Pos.4 passiert hat, mit Resten zurückströmender Abgase vermischt und über die Ausströmkanäle und die Ausströmöffnung B aus dem Zylinderraum gedrückt wird (10).
Der Ansaugtakt verlauft zeitgleich zum Arbeitstakt. Identisch zu Arbeitskolben 1 passiert die Stirnfläche des Arbeitskolben 2 durchlaufend (4) die Pos.7 und der Steuerkolben 2, dessen Stirnfläche die Pos.6 erreicht hat, wird durch den Steuerring in dieser Position aus der Mitnahme durch den Kupplungsring gelöst, ausgekuppelt, und gegen Rücklauf verriegelt. In der Weiterbewegung des Arbeitskolben 2 in Richtung Pos.9 saugt der Arbeitskolben 2 Luft, alternativ Kraftstoff-Luft-Gemisch, über den Ansaugkanal „A” an (5). Erreicht die Stirnfläche des Arbeitskolben 2 durchlaufend die Pos.9, (6) wird durch den Kupplungsring die Steuerwelle eingekuppelt und läuft mit doppelter Winkelgeschwindigkeit der Arbeitswelle dem Arbeitskolben 2 hinterher und verschließt mit erreichen der Pos.8 die Ansaugöffnung „A”. Der Ansaugtakt ist abgeschlossen (7).
Sekundär saugt der Steuerkolben 2, sobald er sich mit seiner Rückseite aus der Pos.6 in Bewegung setzt, Luft aus der Ansaugöffnung „A” in den Zylinderraum (8). Der Arbeitskolben 1 verschließt mit seiner Rückseite bei passieren der Pos.8 wieder die Ansaugöffnung „A” (9). Durch die schnellere Vorwärtsbewegung des Steuerkolben 2 gegenüber dem nacheilenden Arbeitskolben 1 bildet sich infolge des geringen Volumens sekundär angesaugter Luft ein Unterdruck (10), der, sobald der Steuerkolben 2 mit seiner Rückseite die Pos.10 erreicht, das Unterdruckventil öffnet und druckausgleichend Frischluft aus dem Frischlufteintritt einströmt.
Ausströmtakt/Kompressionstakt:
Ausströmtakt und Kompressionstakt erfolgen im II. und IV. Quadranten des Zylinderringes, entsprechend den Darstellungen in den 7, 8, 9 und 10.
Der Ausströmtakt, (7), beginnt sobald der Arbeitskolben 1 mit seiner Stirnfläche die Pos.3 passiert, der Steuerkolbenring mit Steuerkolben 1 durch den Kupplungsring eingekuppelt und mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle dem Arbeitskolben 1 hinterherläuft. Die Stirnfläche des Arbeitskolben 1 passiert die Pos.4 an der in der Gehäuseschale die Ausströmkanäle beginnend liegen. In dieser Position sind im Ringzylindergehäuse ebenso viele Schließzungen wie Ausströmkanäle angelenkt, die den bzw. die Ausströmkanäle stufenlos schließen und öffnen, und damit den Verbrennungsraum maximal vergrößern oder verkleinern. Der mit doppelter Winkelgeschwindigkeit des Arbeitskolben 1 nachlaufende Steuerkolben 1 drückt auf seinem Weg zu Pos.4 beginnend die Verbrennungsgase aus dem Zylinderraum (8), Hat die Stirnfläche des Arbeitskolben 1 die Pos.7 erreicht (10), sind der Großteil der Verbrennungsgase über die Ausströmöffnung „B” ausgestoßen. Der Ausströmtakt ist abgeschlossen. Mit der Freigabe der Ansaugöffnung „A” beim passieren der Pos.7 durch die Stirnfläche des Arbeitskolben 1 wird erneut ein Ansaugtakt eingeleitet.
Sekundär entsteht wegen der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Steuerkolben 1 und Arbeitskolben 2 zwischen den Rückseiten derselben ein Unterdruck, der das in Pos.2 befindliche Unterdruckventil des Frischlufteintritts öffnet sobald die Rückseite des Steuerkolben 1 die Pos.2 erreicht und damit Frischluft als Druckausgleich in den Zylinderraum einströmen läßt (9). Mit seiner Rückseite verschließt der Arbeitskolben 2 den Einströmkanal, das Unterdruckventil schließt sich (9) Passiert der Steuerkolben 1 mit seiner Stirnfläche die Pos.4, beginnt er die Ausströmkanäle freizugeben und ein erneuter Druckausgleich erfolgt durch Verwirbelung der zugeströmten Frischluft mit Resten der ausströmenden Verbrennungsgase.
Der Kompressionstakt vollzieht sich im IV. Quadranten des Ringzylinders und beginnt mit Erreichen der Pos.9 durch die Stirnfläche des Arbeitskolben 2 (6) Der Steuerring mit Steuerkolben 2 wird mit erreichen der Pos.6 aus der Rücklaufsperre entriegelt und in den Kupplungsring eingekuppelt. Der Steuerkolben 2 läuft dem Arbeitskolben 2 nun mit dessen doppelter Winkelgeschwindigkeit nach und verschließt die Ansaugöffnung „A”, der Ansaugtakt ist abgeschlossen und der Steuerkolben 2 beginnt die in den III. Quadranten gesaugte Luft, alternativ das Kraftstoff-Luft-Gemisch, zu komprimieren (8). Erreicht die Stirnfläche des Arbeitskolben 2 die Pos.11 (9), presst der Steuerkolben 2 während des weiteren Kompressionsvorganges einen Teil der komprimierten Luft/Kraftstoff-Luft-Gemisch über die Überströmkanäle in die Überdruckkammer, die er mit Erreichen der Pos.11 verschließt. Der Arbeitskolben 2 erreicht mit seiner Stirnfläche die Pos.1, der Steuerkolben 2 mit seiner Stirnfläche die Pos.0, der Kupplungsring löst den Steuerkolbenring und verriegelt Steuerkolbenring und Steuerkolben 2 gegen das Zylindergehäuse (4). Das konstruktiv gewählte maximale Verdichtungsverhältnis ist in der Basislage erreicht, der Arbeitstakt kann mit der Zündung eingeleitet werden.
Sekundär hat der Steuerkolben 2, nachdem er mit seiner Rückseite die Pos.8 passiert und die Pos.9 erreicht (9), auf dem zurückgelegten Weg auf seiner Rückseite Luft/Kraftstoff-Luft-Gemisch über den Ansaugkanal „A” in den Zylinderraum des III. Quadranten gesaugt bis der Arbeitskolben 1 mit seiner Rückseite die Pos.8 passiert und den Ansaugkanal „A” wieder verschließt (9). Da sich der Zwischenraum zwischen den Rückseiten der Steuerkolben 2 und Arbeitskolben 1 bis zum erreichen der Pos.11 durch den Steuerkolben 2 stetig vergrößert, wird der entstehende Unterdruck durch Öffnung des Unterdruckventils in Pos.10 und damit erfolgendem Frischlufteintritt ausgeglichen (10). Der Steuerkolben 2 erreicht mit seiner Stirnseite die Pos.0, der Steuerkolbenring wird aus der Mitnahme des Kupplungsringes gelöst und mit dem Steuerkolben 2 zum Zylindergehäuse gegen Rücklauf gesperrt. Gleichzeitig gibt der Steuerkolben 2 in dieser Pos.11 die Überströmkanäle frei, analog 4, damit strömt die in der Überdruckkammer befindliche hoch komprimierte Luft/Kraftstoff-Luft-Gemisch in den zwischen Rückseite Steuerkolben 2 und Rückseite Arbeitskolben 1 entstandenen Zylinderraum und vermischt sich mit der darin befindlichen Frischluft. Dieses sekundäre Luftvolumen/Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet der Arbeitskolben 1 auf seiner Rückseite bei seiner Bewegung gegen die Rückseite des in der Pos.11 verharrenden Steuerkolben 2 und presst bis zum Erreichen der Pos.11 hoch komprimierte Luft/Kraftstoff-Luft-Gemisch über die Überstomkanäle in die Überdruckkammer und verschließt diese wieder (6).
Mit den nachfolgend aufgeführten Zeichnungen 1 bis 16 wird die Erfindung umfassend dargestellt und veranschaulicht.
Bezugszeichenliste

1: Ringzylindergehäuse
2: Zylinderring
3: Lauföffnung
4: Abtriebseitige Gehäuseschale
5: Steuerseitige Gehäuseschale
6: Zündkerze/Glühkerze
7: Einspritzdüse/Einblasdüse
8: Ausströmkanal
9: Schließzunge
10: Ausströmöffnung
11: Ansaugöffnung
12: Überdruckkammer
13: Überstromkanäle
14: Frischlufteintritt
15: Unterdruckventil
16: Arbeitskolben
17: Abtriebswelle
18: Steuerkolbenring
19: Steuerkolben
20: Kolbenring
21: Kupplungsring
22: Kupplungszahnring
23: Kupplung
24: Gehäuse-Zahnkranz
25: Umlaufrädergetriebe
26: Stator
27: Umlaufradsatz
28: Profilwelle
29: Profilnabe
30: Flansch
M: Mittelachse
D: Zylinderdurchmesser
R: Mittelkreisradius Ringzylinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 240853 [0005]
DE 3038500 [0005]
DE 3036742 [0005]
DE 2945496 [0005]

Claims

Der „Ringzylinderkolbenmotor” ist eine nach dem Viertaktprinzip arbeitende Verbrennungskraftmaschine für die Verwendung von flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen, für Kraftstoff-Luft-Gemisch Ansaugung, für Kraftstoff-Einspritzung/-Einblasung, Fremd- und Eigenzündung geeignet und arbeitet mit mindestens zwei massereichen Arbeitskolben, die sich gegenüberliegend fest mit einer als Hohlwelle ausgelegten Abtriebswelle verbunden sind und in einem ringförmigen, in einem geteilten Ringzylindergehäuse untergebrachten vorzugsweise kreisförmigen Zylinder ununterbrochen umlaufen und zwischen denen mindestens zwei massearme Steuerkolben, die sich gegenüberliegend mit einem auf der Abtriebswelle gelagerten Steuerkolbenring fest verbunden sind und sich alternierend zwischen den Arbeitskolben bewegen, angetrieben von einem auf der Abtriebswelle fest aufgesetzten Umlaufrädergetriebe, das mit dem Gehäuse-Zahnkranz des Ringzylindergehäuses im Eingriff steht und einen auf der Abtriebswelle gelagerten, mit einem Zahnkranz versehenen Kupplungsring mit doppelter Geschwindigkeit der Abtriebswelle antreibt und mittels einer auf ihr und dem Steuerkolbenring befindlichen elektromagnetisch steuerbaren Kupplung den Steuerkolbenring mit den Steuerkolben einkuppelt und mitnimmt, andererseits auskuppelt und im Stillstand mit dem Ringzylindergehäuse gegen Rücklauf verriegelt.
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1, bei dem der Stator eines Umlaufrädergetriebes lösbar kraftschlüssig auf der Abtriebswelle aufgeschoben ist und auf dem drei um je 120° versetzte Umlaufradsätze gelagert sind, die jeweils aus zwei axial miteinander fest verbundenen Zahnrädern bestehen, das kleinere äußere Zahnrad kämmt mit dem Gehäuse-Zahnkranz, der fest mit dem Ringzylindergehäuse verbundenen ist, das größere innere Zahnrad kämmt mit dem Kupplungszahnring des Kupplungsringes und die Umlaufradsätze definieren mit den Durchmessern des Gehäuse-Zahnkranzes und des Kupplungszahnringes das Übersetzungsverhältnis Abtriebswelle zu Kupplungsring von 1 zu 2.
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1 und 2, bei dem für die Arbeitskolben in ihrer Dimensionierung und Materialwahl eine maximal erreichbare Masse anzustreben ist und die Steuekolben mit Steuerkolbenring dagegen in ihrer Dimensionierung und Materialwahl das Minimum an Masse erreichen muss, um zusammen mit der konstruktiv frei wählbaren Auslegung von Zylinderdurchmesser und Ringzylinderradius die Erzielung hoher Drehmomente und Leistung zu gewährleisten und über die Abtriebswelle nutzbar zu machen, deren Ausbildung als Hohlwelle ist zudem zur funktionellen Direktnutzung einsetzbar.
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die optimale Nutzung der Verbrennungsenergie durch die Anpassung der Größe des Verbrennungsraumes mittels einer am Anfang des Ausströmkanals drehbar angelenkten Schließzunge erreicht wird, die mechanisch stufenlos in den Ausströmkanal eingedreht werden kann bis sie diesen vollständig verschließt und damit eine minimal bis maximal mögliche Große des Verbrennungsraumes erzielt wird.
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 4, bei dem das Konstruktionsprinzip mit dem Viertakt-Arbeitsverfahren korrespondiert, sodass sich die zwischen den Arbeitskolben und Steuerkolben funktionsbedingt primär und sekundär abspielenden Vorgänge der Ausbildung von Druckdifferenzen einerseits innerhalb des Zylinderraumes durch eine Überdruckkammer im Kompressionsbereich des Zylinderringes, die mittels Überströmkanälen mit dem Zylinderinnenraum in Verbindung steht, wobei diese durch die Kolbenvorderseiten/Kolbenrückseiten freigegeben und geschlossen werden und daß andererseits selbsttätig öffnende und schließende Unterdruckventile im Arbeitsbereich und im Kompressionsbereich des Zylinders Frischluft von außen einströmen lassen und damit druckausgleichend arbeiten.
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 5, bei dem eine mechanische oder eine elektromagnetisch schnellschaltbare verschleißarme/verschleißlose Kupplung, die von einem Umlaufrädergetriebe auf die doppelte Drehzahl der Abtriebswelle gebracht wird, den Steuerkolbenring mit den Steuerkolben in fest definierten und geringen Grenzen regelbaren Positionen ein- und auskuppelt und gegen Rücklauf mit dem Ringzylindergehäuse verriegelt.
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 6, bei dem die Kopplung mehrerer Ringzylinderkolbenmotore als Einzel-Module über Verbindungsflansche und Profilwelle/Profilnabe der Abtriebswelle die Erweiterung zum Reihenmotor, als auch eine steuerseitige Kopplung von zwei Ringzylinderkolbenmotoren bei gemeinsamer Nutzung eines Umlaufrädergetriebes ermöglicht und daß durch radiale Drehung der Ringzylindergehäuse gegeneinander die Kompressionsräume so im Umfang verteilt sind, daß Unwuchten, die durch die Impulse der Zündungen entstehen, weitestgehend ausgeglichen werden.
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 7, bei dem eine Parallelität von zwei Arbeitszylen (Arbeitszyklus: Ansaugen, Verdichten, Verbrennen, Ausstoßen) gegeben ist, wenn diese auf jeweils einen halben Zylinderumfang projiziert werden und beide Kolbenpaare bei einem vollständigen Umlauf im Zylinderring auch zwei komplette Arbeitszyklen durchlaufen, oder eine Parallelität von mehr als zwei – „n” Arbeitszyklen in einem Zylinderumfang inbegriffen sind und gleichfalls die Anordnung mehrerer – „n” Kolbenpaare in einem Ringzylinder erfolgt,
Ringzylinderkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 8, bei dem die Anordnung der Abtriebswelle im Zusammenhang mit der Lage der Lauföffnung des Ringzylindergehäuses konstruktiv in einem Bereich von 180° axial stufenlos ausführbar ist, so dass bei einer um 90° verdrehten Lauföffnung die Abtriebswelle zu einer Abtriebsscheibe wird, die neben dem Ringzylindergehäuse umläuft, und bei 180° Drehung als Außenwelle, bei der das Ringzylindergehäuse innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle liegt.