DE102014001350A1 - Rotationskolbengerät - Google Patents

Abstract

Das Rotationskolbengerät soll neben der bislang bekannten Verwendung als Verbrennungsmotor zahlreichen Mehranwendungen im Bereich der Pumpen, Kompressoren, Druckluftmotoren sowie Hydraulikmotoren zugeführt werden. Der Vorteil des neuen Rotationskolbengerätes ist, dass durch die Gleichheit aller Kolben und Pendelbewegungen eine neue, durch hohe Symmetrien ausgezeichnete Arbeitsweise in allen Anwendungen eingeführt werden soll und die Kolben in Doppelfunktion, also mit Vorder- und Rückseite im Betrieb genutzt werden sollen. Gegenüber den bekannten Geräten ergibt sich dadurch vielfacher Nutzen. In dem neuen Gerät stehen durch die entsprechende Zahl von Kolben K bei einer Umdrehung der zentralen Wellen W vier, sechs, acht und mehr Arbeitsräume AR zur Verfügung. Mit zwei Doppelkolben K1/K3 und K2/K4 wird ein zweistufiger Kompressor oder eine zweistufige Vakuumpumpe, aber auch ein Viertaktmotor dargestellt. Um einen gleichmäßigen, schwingungsarmen Betrieb zu gewährleisten, sind neue mechanische Gewindegetriebe und elektrische Schrittmotoren zur Steuerung der Kolbenpaare K1/K3 und K2/K4 vorgesehen. Bei den Kompressoren kann man zwischen den zwei Stufen Kühler vorsehen, so dass ein relativ hoher Wirkungsgrad in zweistufiger Verdichtung erreicht wird. Bei Vakuumpumpen ist ein Betrieb von Vorpumpe und Hauptpumpe in einem Gerät möglich. Im Fall von Verbrennungsmotoren können die Schrittmotoren bei positiven Momenten zugleich als Generatoren wirken und elektrische Leistung nach außen abgeben. Außerdem kommt bei allen Geräten der ölfreien Betrieb mit den großen Dichtflächen der Kolben, welche den Einbau von Labyrinth-Dichtungen ermöglichen, zum Tragen. Die großen Ein- und Austrittsöffnungen Gö des Gerätes ermöglichen den raschen Austausch der Betriebsmedien und beeinflussen den Wirkungsgrad der Geräte positiv. Der größte Vorteil der Geräte besteht aber in der kompakten Bauweise.

Description

• Ein Rotationskolbengerät zur Verwendung als Pumpe, Verdichter, Druckgas- und Hydraulikmotor mit besonderen Eigenschaften wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Patentansprüche 1 bis 10 auf besonderen Blättern, die beigefügten Zeichnungen 1 bis 17 und vorangegangene Patentliteratur beschrieben. Das bereits früher angemeldete Rotationskolbengerät mit dem Aktenzeichen 10 2013 012 128 der Patentanmeldung wird mit neuen Ansprüchen, Eigenschaften und konstruktiven Ergänzungen ausgestaltet und als Referenz herangezogen. Die vorliegende neue Anmeldung ist als Zusatzanmeldung deklariert.
• Diese neue Anmeldung betrifft ein Rotationskolbengerät mit zylindrischem, konzentrischen im Hohlteil torusförmigen Ringgehäuse konstanten Querschnittes mit geführten und wandschlüssigen, querschnittsfüllenden Kolben, die gegeneinander und im Ringgehäuse rundherum um zentrale Wellen beweglich sind und vorwiegend durch Führungskräfte und Druckkräfte angetrieben, zwischen sich periodisch veränderliche Arbeitsräume einschließen, wie es in der Literatur als Verbrennungsmotor seit vielen Jahren bekannt ist. In der vorliegenden neuen Anmeldung wird die neuartige Verwendung des Rotationskolbengerätes als Flüssigkeits- und Vakuum-Pumpe, als Verdichter, Druckgasmotor, und Hydraulikmotor genauer beschrieben. Für die Verwendung als Verbrennungsmotor werden entscheidende Neuerungen beansprucht. Anhand der beigefügten Zeichnungen werden typische Ausführungsmöglichkeiten erläutert.
• Bei den bekannten Pumpen, Verdichtern, Druckluft- und Hydraulikmotoren anderer Bauart sowie bei den bekannten Patentanmeldungen von Verbrennungsmotoren als Kolbenmaschine oder Rotationskolbengerät sind die Herstellung und Wartung aufwendig.
• Beispielsweise sind bei den sogenannten Roots-Gebläsen die Gehäuse und Kolben sehr speziell geformt und an den sehr dünnen Berührungslinien von Kolben und Gehäuse entstehen Dichtprobleme. Die sogenannten Drehkolbengebläse haben ebenfalls Dichtungsprobleme und überdies auch eine aufwändige Kolbenlagerung und Herstellung. Die normalen Verbrennungsmotoren sind sehr aufwendig im Aufbau und in der Herstellung. Sie sind auch störanfällig durch komplizierte Gehäuse- und Kolbenformen. Die bekannten als Verbrennungsmotoren angemeldeten Rotationskolbengeräte, haben hauptsächlich den Nachteil, dass durch die unterschiedlichen Kolben mit unterschiedlichen Funktionen, die großen Pendelmomente und die aufwändigen Getriebe zur Kolbensteuerung eine Verwendung bislang nicht erfolgt. Die vorgeschlagene Bewegung und Form der Kolben ist unterschiedlich und durch starke Beschleunigungen gekennzeichnet. Der größte Mangel besteht aber darin, dass meist Leerräume zwischen den unterschiedlichen Kolben mitgeführt werden. Durch die schmalen Kolbenprofile entstehen aber auch noch Dichtungs- und Steuerungsprobleme. Außerdem sind aufwendigen äußere Getriebe nötig.
• Das neue Rotationskolbengerät mit den hier vorgestellten zusätzlichen Eigenschaften soll gegenüber dem Stand der Technik, den vorangegangenen Patentanmeldungen und der bekannten Literatur die eingangs genannten, zahlreichen Verwendungen als Pumpe, Verdichter, Druckgas- und Hydraulikmotor bei besserer Leistung, einfacherer Herstellung, und größerer Flexibilität erbringen. Dies geschieht durch die Verwendung von gleichartigen Doppel- oder Mehrfachkolben mit einer Doppelfunktion der Nutzung von Vorder- und Rückseite der Kolben und neuartige Pendelantrieben der Kolben (Patentanspruch 1). Als wesentliche Ergänzung und Erläuterung der Patentansprüche der ursprünglichen Anmeldung soll im Patentanspruch 1 dieser Anmeldung außerdem die Gleichartigkeit der Kolben des Gerätes in Bezug auf Funktion, Form und Bewegung herausgestellt werden. Erst wenn diese Symmetrie im Gerät vorhanden ist, können zwischen den Kolben mehrere gleichartige Arbeitsräume während eines Umlaufes im Gehäuse gebildet werden.
• Dazu weist das Rotationskolbengerät (Zeichnung 1) im Ringgehäuse G mindestens vier geführte und wandschlüssige, querschnittsfüllende, in der äußeren Form identische Kolben K in gerader Anzahl auf, vorzugsweise realisiert durch zwei gleichartige, starre Doppelkolben K1/K3 und K2/K4, wobei die gegenüberliegenden Kolben über Wellenabschnitte W starr verbunden sind und jeweils ineinander verschränkt im Ringgehäuse der Rotationskolbenmaschine, durch Führungskräfte angetrieben, gleichartig rundherum um die zentrale Welle W angeordnet sind, wobei den benachbarten Kolben eine paarweise phasenverschobene Drehschwingung um die zentrale Welle, welche dazu auch spezielle, neuartige Gewinde-Antriebe (Zeichnung 2) enthält, im Ringgehäuse aufgezwungen und überlagert wird, so dass sich die benachbarten Kolben bei Drehung der Welle dadurch annähern und voneinander entfernen.
• So kann beispielsweise bei einer Pumpe mit einer Kolbenanordnung von zwei Doppelkolben bei einer Umdrehung der Zentralwelle zweimal ein Ansaug- und ein Verdichtungstakt realisiert werden (Zeichnung 3). Die Zahl der nutzbaren Arbeitsräume Av1, Av2, ... bei einer Umdrehung der Zentralachse entspricht also der Anzahl der vorhandenen Einzelkolben K1–K4 (Zeichnung 1). Der wichtigste Unterschied gegenüber den bekannten als Verbrennungsmotor konzipierten Rotationskolbengeräten ist, dass dabei die Kolben mit Vorder- und Rückseite im Betrieb aktiv sind und im Gerät keine Totvolumina existieren. – Das neue Rotationskolbengerät weist also im Ringgehäuse mindestens vier geführte und wandschlüssige, querschnittsfüllende, in der äußeren Form identische Kolben in gerader Anzahl auf, vorzugsweise realisiert durch zwei gleichartige, starre Doppelkolben, wobei gegenüberliegende Kolben starr verbunden sind und jeweils ineinander verschränkt im Ringgehäuse der Rotationskolbenmaschine durch Führungskräfte angetrieben gleichartig oszillierend rundherum um eine zentrale Welle kreisend angeordnet sind (Zeichnungen 1–6). Diesen Kolben wird dabei eine für die benachbarten Kolben paarweise phasenverschobene Drehschwingung um eine zentrale Welle W im Ringgehäuse aufgezwungen und überlagert, so dass sich die Kolben dabei annähern und voneinander entfernen.
• Diese überlagerte symmetrische Drehschwingung der Kolbenpaare und die Anpassung der Kolbenbreite an die Ein- und Austrittsöffnungen ermöglicht erst einen effizienten und vibrationsarmen Betrieb des Gerätes. Während eines Umlaufes der Kolben im Gehäuse entsteht mehrmals ein umlaufendes, sich vergrößerndes und verkleinerndes rotierendes, veränderliches Volumen zwischen der Rückseite des vorlaufenden und der Vorderseite des nachlaufenden Kolbens als Arbeitsraum im Ringgehäuse, wobei während einer Umdrehung der zentralen Welle im Ringgehäuse die Zahl der unterschiedlich genutzten Arbeitsräume zwischen den Kolben der Anzahl der Kolben entspricht und vorzugsweise zweimal vergrößert und verkleinert wird.
• Dabei wird auch mittels der ins Gehäuse führenden Achsen A und der Antriebe in den Wellen für die Wellenabschnitte W1/W2 der verschiedenen Kolben die schwingende Kolbenbewegung nach Amplitude und Phasenlage zur Grunddrehung verstellbar gemacht und die Modulationsfrequenz zur Rotationsfrequenz ganzzahlig proportional eingestellt, alles überwacht von Sensoren in der Gehäusewand, an den Wellen und Achsen, die an die äußeren, elektronischen Steuerungen der Antriebe angeschlossen sind, womit der geordnete Ablauf der Prozesse im Rotationskolbengerät eingestellt wird.
• Bei den Doppelkolben sind zwei Kolben an einem Abschnitt der zentralen Wellen W angebracht, bei den Mehrfachkolben (Zeichnung 6) sind vorzugsweise mehrere Kolben z. B. K1 bis K8 symmetrisch an einem Abschnitt der zentralen Wellen angebracht.
• Das Rotationskolbengerät hat in einer Verwendung als Pumpe, Verdichter, Turbine, Druckgasmotor und Verbrennungsmotor (Zeichnung 5) für den Austausch der Medien Öffnungen AÖ in dem Ringgehäuse, den Gehäusedeckeln und Wellen, die von den Kolben K mit ihrer größeren Breite während des Umlaufes zeitweise verdeckt und verschlossen werden.
• Durch die Stellung der Kolben im Gehäuse werden entsprechend den Betriebsphasen des Rotationskolbengerätes die Öffnungen im Gehäuse zum Einlass und Auslass von Medien genutzt und im entsprechend genutzten Gebrauch mehrere Prozesse von Ansaugen und Ausstossen von Medien an den Öffnungen während einer Umdrehung der Welle W erzeugt.
• Im Falle der Kompressoren sind die Auslassöffnungen klein sind und werden erst spät im Laufe der Kolbenbewegung zum Druckausgleich geöffnet, weil sonst eine Rückströmung von bereits verdichteten Medium erfolgen würde.
• Die Ein- und Auslasskanäle am Gehäuse sind nach den entsprechenden Strömungsrichtungen ausgerichtet, um Strömungsverluste zu minimieren.
• Bei sehr schmalen Kolben, wie in der Literatur meist angegeben, müssen die Kolben zur ausreichenden Abdeckung und Nutzung der Gehäuse-Öffnungen praktisch zum Stillstand kommen, wobei dann große Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte entstehen. Ab einem Winkel von etwa 30° für die keilförmige Kolbenform werden die Beschleunigungen moderat und es bleibt genügend Zeit für den Austausch der Betriebsmedien (Zeichnung 5 und Ansprüche 2 und 8).
• Durch Sensoren Sö in der Außenwand des Gehäuses (Zeichnung 1) wird in die Bewegung der Kolben erfasst und an ein Steuergerät (Zeichnung 10) weitergeleitet. Dieses setzt nach einem Betriebs-Programm Steuerbefehle an die äußere Getriebeeinheit ab. So wird zum einen der regelmäßige Ablauf im Betrieb, aber auch eine Anpassung an unterschiedliche betriebliche Anforderungen ermöglicht (Ansprüche 4 und 5).
• das Rotationskolbengerät hat in einer Verwendung als Pumpe, Verdichter, Turbine und Druckgasmotor für den Austausch der Medien Öffnungen an dem Ringgehäuse, den Gehäusedeckeln und Wellen, die von den Kolben während des Umlaufes verdeckt werden (Anspruch 2).
• Mit den Öffnungen wird während der Umdrehung der zentralen Welle durch die Kolbenbewegung entsprechend der Verwendung eine abwechselnde Folge von Einlässen und Auslässen gebildet, wobei zum Einlass und Auslass von Medien die Öffnungen im Gehäuse durch die Stellung der Kolben im Gehäuse entsprechend den Betriebsphasen des Rotationskolbengerätes während einer Umdrehung der zentralen Welle durch Abdecken geschlossen und offengelassen werden und im entsprechend genutzten Gebrauch mehrere Prozesse von Ansaugen und Ausstossen von Medien an den Öffnungen erzeugt werden.
• Die Prozesse von Ansaugen und Ausstossen von Medien werden je nach Verwendung durch äußere Verbindungsleitungen parallel oder hintereinander geschaltet (Zeichnung 4), wodurch nach Bedarf eine größere Fördermenge oder ein größerer Druck erzeugt wird und im Fall der Hintereinanderschaltung von Prozessen Zwischenspeicher und Kühler in die Verbindungsleitungen eingefügt werden (Anspruch 2.6), wobei nach Bedarf für die Öffnungen im Gehäuse auch verstellbare Öffnungsklappen über äußere mit dem Betrieb der Rotationskolbenmaschine synchronisierte Hilfsaggregate aktiviert werden.
• Die Öffnungen im Gehäuse, welche dem Zustrom und Abstrom der Betriebsmedien dienen sind im Allgemeinen entsprechend den Anforderungen des Einsatzfalles fest eingestellt, können aber auch bedarfsweise durch verstellbare Klappen angepasst werden (Anpruch 2.6).
• Bei diesem Rotationskolbengerät kann nach Zeichnung 1 durch eine Verlängerung GL des Gehäuses die Leistung des Gerätes innerhalb einer Baureihe einfach dem Einsatzzweck angepasst werden. Durch eine Veränderung der Kolbenzahl kann bei gleichem Gehäuse die Funktion geändert werden (Ansprüche 3, 6 und 10).
• Bei einer symmetrisch geteilten Zentralwelle nach Anspruch 4.5 ist eine stärkere Befestigung, eine schwingungsgedämpfte Führung und eine einfachere Abdichtung der Kolben zusammen mit der Möglichkeit einer kompletten Innenkühlung gewährleistet. Auch sind die symmetrisch befestigten Doppelkolben weniger lastempfindlich. Für bestimmte Anwendungen mit hohen Druckbelastunge wird diese Befestigung daher bevorzugt verwendet (Zeichnungen 7 und 8).
• Bei dem neu konzipierten Rotationskolbengerät mit zusätzlichen Eigenschaften gegenüber der Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2013 012 128 sind nach Anspruch 1 in einem torusförmigen, konzentrischen Ringgehäuse konstanten Querschnittes mit Verlängerungsmöglichkeit GL mindestens zwei geführte und wandschlüssige Doppelkolben gegeneinander und im Ringgehäuse beweglich (Zeichnung 1). Die zylindrischen Gehäusewände G und GL umschließen die Doppelkolben K1/K3 und K2/K4. Durch eine Verlängerung des Gehäuses GL wird für eine andere Leistungsklasse des Gerätes ein größeres Arbeitsvolumen erzeugt. So werden Geräte unterschiedlicher Leistungsklassen einfach mit einer Veränderung der Bauteil-Längen in Achsrichtung hergestellt. Selbstverständlich wird für größere Änderungen der Leistung der Durchmesser des zylindrischen Gehäuses G geändert. Die Arbeitsräume AR und die Öffnungen Gö werden entsprechend größer. Sensoröffnungen Sö und Sensoren Se sind an geeigneten Stellen angebracht.
• Die Zahl der über ein Führungselement starr verbundenen Kolben auf einem Kolbenträger W (Führungselement, zentrale Welle) ist im Prinzip beliebig. Notwendig ist nur eine gleiche Zahl von Kolben auf den verschiedenen Führungselementen gegeneinander arbeiten zu lassen. Die Zeichnungen 2, 3, 4, 10, 11 und 13 zeigen verschiedene, keilförmige Kolbensätze, die im Gerät paarweise für eine entsprechende Zahl der Arbeitsvolumina ineinander greifen. Die Keilform der Kolben resultiert aus dem Anspruch das Minimalvolumen bei Annäherung der Kolben bis auf nahe Null zu bringen.
• Gegenüber der Bauweise mit zwei Doppelkolben bringt der Einsatz von höheren Kolbenzahlen wie in Zeichnung 6 den Vorteil eine höhere Stufenzahl in einer Maschine realisieren zu können oder die Druckdifferenzen zwischen den benachbarten Volumina zu verkleinern. Außerdem verringert sich die Winkelmodulation und die Stärke der Geschwindigkeitsmodulation. Im Gegenzug wird das äußere Pendelgetriebe den veränderten Zyklen durch entsprechende Übersetzungen und unrunde Zahnradformen angepasst (Zeichnungen 9 und 10).
• Die Kolbenbewegung ist nach Anspruch 4 durch ein äußeres Pendelgetriebe in einer bevorzugten Ausführungsform so gestaltet, dass sie über eine spezielle Getriebeübersetzung nach Amplitude, Modulation und Einsatz gesteuert wird. Die verschränkt ineinander gesteckten Kolben K werden über die Achsstummel A, die durch den seitlichen Gehäusedeckel D1 ragen, mit den Abtriebsachsen dieses Getriebes verbunden (Zeichnungen 7 bis 10). Dabei sind je nach Einsatzzweck verschieden Getriebe in Anwendung.
• Eine bevorzugte Ausführung des Gerätes verwendet nach Anspruch 1 neuartige innere Pendelantriebe für die Kolben. Dabei werden nach den Zeichnungen 2 und 7 die Kolben K1 und K2 nicht über Achsabschnitte A von einem äußeren Getriebe in eine Pendeldrehung versetzt, sondern eine Gewindespindel ist im Inneren der Welle W für eine der Drehung überlagerte Schwingung angebracht. Damit die Kolbenpaare gegenphasig schwingen, hat die Spindel für einen Kolben Rechts- und für den anderen Kolben Linksgewinde. Zur Einleitung der Pendelung dient eine Längsbewegung des Inneren der Spindel, dessen Hub über die Kurvenscheibe He bewirkt wird (Zeichnungen 2 und 7).
• Die Zeichnungen 2 und 7 zeigen diese Art eines neuartigen Schrauben-Pendelgetriebes nach Anspruch 4.13, bei dem über eine Spindelachse mit Links- und Rechtsgewinde eine veränderliche Schränkung der Kolben eingeleitet wird, im Detail. Dazu wird die Spindelachse Sp durch eine Hubeinrichtung He in eine durch die Pfeile angedeutete Längsbewegung versetzt. Die verschiedenen Hubeinrichtungen He werden, wie gezeigt, durch verschiedene Konturführungen mit Gleitlagern oder mit Rollen R gebildet.
• Das vorzugsweise in die innere Welle W eingesetzte Schrauben-Pendelgetriebe nach Zeichnung 2 läßt das Rotationskolben-Gerät sehr kompakt werden, weil äußere Getriebeteile entfallen. Lediglich eine kleine Hubeinrichtung He und eine Gleitachse Ga zum Motor-Generator werden unter Umständen je nach Bauweise außen am Gehäuse angebracht.
• Bei Erzeugung der Pendelung über unrunde Getrieberäder in einer äußeren Getriebeeinheit läßt sich eine Verstellung der Arbeitsräume und Phasen nach Unteranspruch 4.11 auch durch einen als Achse ausgeführten Schrauben-Pendeltrieb, im Prinzip dargestellt in Zeichnung 9 unten, erreichen. Dazu wird diese Achse zum Beispiel bei AL2 eingesetzt. In Zeichnung 8 oben wird diese Achse zum Beispiel bei A1 eingesetzt. Durch eine Kraft K auf den Innenteil wird eine Längsbewegung erzeugt, die über das Links- und Rechtsgewinde bei Sp eine Verdrehung der Zahnräder ZR bewirkt.
• Die Zeichnung 8 zeigt in einer Art Schnittzeichnung einen Einblick in ein aufgeschnittenes Gehäuse mit den zwei Kolben K1 und K2, die von zwei Achsen A1 und A2 bewegt werden. Die Bauteile sind einzeln durch Beschriftung kenntlich gemacht. Die Zeichnung 8 zeigt, dass die Kolben verschränkt zusammengesteckt werden und eigene Achsen W und A haben, die bei der Ausführung in Zeichnung 14 für den Kolben K durch den konischen Deckel D1 des Gehäuses G gesteckt werden (Anspruch 7). Die zylindrische, innere Welle W des einen Kolbens dient jeweils dem anderen Kolben als Gleit- und Dichtfläche. K bezeichnet jeweils einen Kolben, der auf dem Achsabschnitt W der geteilten Welle befestigt ist.
• Eine Dichtungen Di1 bis Di6 in Zeichnung 13 oder Di in Zeichnung 15 verhindert ein Ausströmen von Medium durch die Spalte. Normale Wellendichtungen Di sind auch für die Achsenaustritte aus dem Gehäuse vorgesehen (Zeichnung 15).
• Als Kolbenformen sind vorwiegend keilförmige Sektionen mit rechteckigen, trapezförmigen oder runden Querschnitten im Einsatz, weil diese in der Herstellung und Wirkung Vorteile aufweisen (siehe Zeichnungen 1 bis 8 sowie 12 und 14). Die Kolben können auch als Hohlkörper ausgeführt werden, um eine Innenkühlung oder Gewichtsersparnis zu ermöglichen.
• Die Querschnittsform des torusförmigen Gehäuses ist frei wählbar, jedoch sind aus Fertigungs- oder Dichtungsgründen rechteckige (Zeichnung 8) oder trapezförmige Formen (Zeichnung 12 und 14) bevorzugt.
• Auch die Zahl der Kolben ist nicht festgelegt. Aus Gründen der Optimierung der Funktion und des Aufwandes werden jedoch nach Anspruch 1 in den meisten Anwendungen zwei Doppelkolben eingesetzt (Zeichnungen 1, 3 und 5).
• Die bereits erwähnten rechteckigen Kolbenquerschnitte K1 und K2 sind zusammen mit dem entsprechenden Gehäuserand G in Zeichnung 5 dargestellt. Die in Umfangsrichtung vorzugsweise keilförmige Kolbenaußenfläche K ist in Schrägansicht in Zeichnung 1 im zylindrischen Gehäuse G gezeigt, welches durch einen Deckel geschlossen wird.
• Der Wellenteil W1 in Zeichnung 10, an welchem der Kolben K1 befestigt ist, ist durch die Achse A1 in das Gehäuse G eingeführt. Eine zweite Kolbenachse A2 wird als Hohlachse zum Kolben K2 geführt. Diese äußere einseitige Antriebsvariante wird gegenüber einem Antrieb von zwei Seiten, wie er in Zeichnung 11 im oberen Teil der Zeichnung gezeigt ist, bevorzugt, weil so die zweite Seite des Gehäuses für Hilfszuführungen frei bleibt.
• Die Kolben schließen jeweils zwischen sich, vorwiegend durch Führungselemente und Druckkräfte angetrieben, veränderte Volumina ein. Ein äußeres Getriebe nach Zeichnung 7 und 8 erzeugt zusammen mit einem Motor-Generator wie in Zeichnung 10 über Achsen und Führungselemente die Pendeldrehung der Kolben. In den Zeichnungen 7 und 8 ist die Ankopplung und verschiedene Ausführungsformen des äußeren Getriebes gezeigt.
• Wesentlich ist, dass durch nicht runde Zahnräder Z1 bis Z4 oder auch Zahnriemenscheiben (Zeichnung 9) durch äußere Achsen A die Pendeldrehung auf die inneren Wellen W übertragen wird. Dadurch werden die Kolben K zwangsweise in eine pendelnde Drehbewegung versetzt (siehe Zeichnungen 7 und 8). Dazu wird auch eine Pendelung der Kolbenachsen über eine äußere Spindel mit Hubglocke Hg angewendet (Zeichnung 7). Dabei sind auf der Spindel Sp steile Gewindeabschnitte im Einsatz. Die Hubglocke Hg wird durch eine Kurvenführung He mittels Kurvenscheiben auf Hg in eine Hin- und Her-Bewegung versetzt.
• Eine besonders interessante Variante der Steuerung der Rotationskolben-Maschine ist nach Anspruch 5 die Verwendung elektronisch geregelte Motoren, vorzugsweise Schrittmotoren mit Impulssteuerung ohne Zwischenschaltung eines Getriebes. Im unteren Teil der Zeichnung 11 ist ein einseitiger Antrieb mit zwei die Pendelbewegung erzeugenden, vorzugsweise integrierten Motor-Generatoren EMG dargestellt. Oben ist ein Gerät mit zwei Motoren EMG gezeigt, welche durch geeignete Steuerung für die Pendelbewegung der Kolben sorgen. Ein besonderer Vorteil dieser elektrisch gesteuerten Konfigurationen ist auch, dass zum Beispiel ein Anlasser beim Verbrennungsmotor eingespart werden kann oder dass bei anderen Anwendungen große Anlaufmomente vermieden werden können.
• Zeichnung 11 zeigt Ausführungsformen, bei denen die Koppelachsen W1 und W2 über Motor-Generatoren angetrieben wird. Die aus dem Gehäusedeckel austretenden Achsstummel W, W1 und W2 sind mit elektrisch gesteuerten Motor-Generatoren EMG und EMG1, EMG2 verbunden. Die Motor-Generatoren sind dabei vorzugsweise Schrittmotoren, die mvon einem Steuergerät St mit Impulsserien im Bereich um 1000 Hz die Pendeldrehung der Kolben bewirken, Diese Variante der Kolbensteuerung erlaubt eine völlige Freiheit der Kolbenbewegung im Rahmen der möglichen Stellungen, wobei die Phasenlage zum Gehäuse und eine Winkeländerung im Betrieb besonders wichtig sind. Außerdem können die Motor-Generatoren im Fall von Motorvarianten des Rotationskolben-Gerätes auch noch als Generatoren dienen. In jedem Fall läßt sich aber an der Welle W auch noch ein Generator anschließen.
• In den Zeichnung 7 und 8 ist eine Antriebsmöglichkeit gezeigt, bei der die beiden Kolbenachsen auf einer Seite aus dem Deckel des Gehäuses G geführt sind, indem für den hinteren Kolben Ko2 eine Hohlachse verwendet wird. Dadurch kann das Gerät im Ganzen kompakter und wirtschaftlicher gebaut werden. Außerdem können auch Hilfsachsen Z auf der abgewandten Seite aus dem Gehäusedeckel treten.
• Besonders deutlich ist die Kopplung der Kolbendrehung über ein Getriebe in den Zeichnungen 7 und 8 dargestellt. Zeichnung 7 zeigt eine Ausführungsform bei der die beiden aus dem Gehäuse herausstehenden Achsstummel bei Sp mit über zwei gegensinnige Gewindeabschnitte mit Kugelbuchsen mit einer Hubglocke Hg gekoppelt sind, welche, über die Konturführungen He gesteuert, für die Pendelung der Kolben sorgen.
• In den Zeichnung 8 ist eine Antriebsvariante gezeigt, bei der die beiden Kolbenachsen auf einer Seite aus dem Deckel des Gehäuses G geführt sind, indem für den vorderen Kolben K2 eine Hohlachse verwendet wird. Dadurch kann das Gerät im Ganzen kompakter und wirtschaftlicher gebaut werden. Das äußere Getriebe mit unrunden Rädern (Zeichnung 9) bewirkt eine Pendelantrieb der Kolben. Außerdem findet ein weitgehender Momentenausgleich über das äußere Getriebe statt.
• In Zeichnung 9 ist rechts die Kopplung der Kolbendrehung mit einem im Umfang verschiedenen Satz von Koppelrädern dargestellt. Verbunden mittels einer starren Hilfsachse AL2 können solche Koppelräder bei abgestimmter Zähnezahl für eine Pendeldrehung der Kolben sorgen, wobei zugleich eine Übersetzung der Achsdrehzahlen ermöglicht wird. Die Winkelvariationen werden durch die Exzentrizität der Räder eingestellt. Zeichnung 9 zeigt Ausführungsformen, die nicht maßstäblich zu deuten sind.
• Im unteren Teil von Zeichnung 9 ist eine Ausführung der Koppelachse AL2 dargestellt, die über zwei gegensinnige Spindelteile Sp eine Verdrehung der Zahnräder ZR im laufenden Betrieb erlaubt. Dazu wird die innere Spindelschraube durch eine Kraft K in die Spindelmuttern gedrückt, so dass sich diese gegensinnig verdrehen.
• Das Gerät hat in einer Ausführung mit zwei Doppelkolben K1/K3 und K2/K4 (siehe Zeichnung 1) vier variable, rotierende, veränderliche Volumina AR1–4, die zum Pumpen und Verdichten dienen können. Dazu werden im Gehäuse je zwei Ein- und Auslassöffnungen angebracht (in Zeichnung 4 bezeichnet mit E und A). So entstehen zwei parallele Volumenvariationen. Diese können als Pumpe parallel geschaltet (Zeichnung 4 oben) oder als Verdichter auch hintereinander geschaltet werden. Im unteren Teil von Zeichnung 4 ist eine Leitung gezeigt, welche Auslass A und Einlass E von zwei Kammern über einen Zwischenkühler ZK verbindet. Damit entsteht ein zweistufiger Kompressor in einem Gehäuse.
• Das Gerät hat in einer Ausführung mit zwei dünnen Doppelkolben (siehe Zeichnung 17) vier variable, rotierende, veränderliche Volumina, die zum Volumen-Pumpen dienen können. Für ein inkompresibles, flüssiges Medium wird hier mit schmalen Kolben in zwei Kanälen ein Volumenstrom gefördert (Anspruch 8.2). Dies ist im Ablauf 1–4 in der Zeichnung durch Probeteilchen verschiedener Form markiert.
• Bei der Verwendung des Gerätes als Verbrennungsmotor mit inneren Verbrennungsvorgängen können alle vier Takte eines üblichen Viertaktmotors bei einer kompletten Umdrehung des Kolbensystems nach Zeichnung 5 absolviert werden (Anspruch 3). Dabei sind die Einlassöffnung EÖ und Auslassöffnung AÖ dicht nebeneinander im Gehäuse angeordnet (Zeichnung 5). Eine Zündhilfe ist an der geeigneten Stelle X gegenüber angebracht. Der Expansionstakt und der Ausstoßtakt verlaufen auf einer Seite bis zum Auslass AÖ. – Auf der anderen Halbseite erfolgt von BÖ bis X das Ansaugen und die Verdichtung. Durch Aushöhlungen Ah der Kolbenflächen nach Anspruch 5 und konische Seitenwände werden auch besondere Brennraumformen geschaffen (Zeichnung 12).
• Besondere Vorteile bei der Verwendung des Gerätes als Verbrennungsmotor bestehen in der kleinen Bauweise, dem zylindrischen Gehäuse mit zentraler Achse, den freilaufenden und reibungsarmen achs- und lagergeführten Kolben, den großen wandschlüssigen Dichtflächen ohne Kurzschlüsse, dem dadurch möglichen Verzicht auf konventionelle Kolbendichtungen oder ersatzweise dem dadurch einfachen Einsatz von hydrodynamischen oder konventionellen Dichtungen.
• Auch im Fehlen der sonst üblichen Ventile und zugehörigen Antriebe wie Steuerketten und Kipphebel, der Möglichkeit den Antrieb einseitig auszuführen und so auf der anderen Seite des Gehäuses zentral Innenversorgung wie zum Beispiel Kühlmittel für Kolbenkühlung oder Sondenleitungen einzuführen, oder auf der anderen Seite des Gehäuses zentral eine Doppelachse für ein Rotationskolbengerät als Ladekompressor anzuschließen, ergeben sich Vorteile. Aufgrund des einseitigen Achsenaustrittes, ein für sich geschlossenes Getriebe oder einen kompakten elektrischen Motorgenerator, durch diesen Motorgenerator mit einem umfassenden elektronisch geregelten Motormanagement alle gewünschten Betriebszustände im laufenden Betrieb einstellen zu können und so in der Summe der Eigenschaften über einen besseren Motor für den konventionellen aber auch den Hybridantrieb von Fahrzeugen zu verfügen, sind erhebliche Verbesserungen gegenüber bekannten Systemen vorhanden.
• Zeichnung 16 zeigt schematisch zwei Anordnungen, bei denen Hybridsysteme durch Zusammenschalten eines als Motor betriebenen Rotationskolben-Gerätes GR mit einem Pendelgetriebe GG, einem Elektro-Generator GE und einem Abgaslader GA gebildet werden. Im oberen Schema ist der Abgaslader GA über die Welle W3 mechanisch angetrieben, während im unteren Bild die Ankopplung über die Abgasleitung LL und die Rückführung R erfolgt. Die Luftzufuhr erfolgt über die Öffnung ÖE und bei ÖA wird das Abgas ausgestoßen.
• Bei der Verwendung der Rotationskolben-Maschine als Abgaslader wird wie im unteren Teil von Zeichnung 16 von der Rotationskolben-Maschine GR über eine Leitung LL Abgas durch die Maschine zum Ausgang ÖA entspannt. Die bei ÖE angesaugte Frischluft wird nach Verdichtung über die Rückleitung R dem Verbrennungsmotor GR zugeführt. An diesen ist dann im Hybridbetrieb ein Elektro-Generator angeschlossen.
• Auch bei Zuführung von Druckgas kann das Gerät als Motor fungieren (Anspruch 2). Wird in dem Gerät nach Zeichnung 4 unten bei E Druckgas oder Dampf eingeleitet, so wird das Gerät mit Hilfe der Umwegleitung L als Motor-Generator mit zweistufiger Expansion einsetzbar. Das Gerät nach Zeichnung 4 oben kann natürlich auch als parallele Expansions-Maschine betrieben werden. Außerdem kann ein Gerät nach Zeichnung 17 bei entsprechender Gestaltung der Ein- und Auslassöffnungen als Flüssigkeitsturbine laufen.
• Eine besondere Bedeutung kommt noch einer Verwendung des Rotationskolben-Gerätes als Flugzeugmotor, Zweirad- oder Kleinfahrzeugantrieb zu, weil hier der leichte und einfache Aufbau, aber auch die Betriebsicherheit ein großer Systemvorteil sind. Bei einer Verwendung der Rotationskolben-Maschine als Verbrennungsmotor erweist es sich auch als vorteilhaft, bei Bedarf eine zweite Rotationskolben-Maschine GA als freilaufenden Abgaslader oder auch als achsgekoppelten Kompressor zu verwenden (Zeichnung 16).
• Viel dieser Eigenschaften treffen in vergleichbarem Maße für die anderen Verwendungen als Pumpe, Verdichter, Druckluft- und Dampfmaschine zu. Hier ist besonders der dichtungsfreie, sehr reibungsarme Betrieb und die zweistufige Arbeitsweise des Doppelkolbengerätes zur Erhöhung des Wirkungsgrades interessant.
• Um die Pendeldrehung der Kolben zur Variation der Zwischenräume zu erzeugen sind außerhalb des Gehäuses besondere Getriebe, Motoren und Antriebe vorgesehen (Ansprüche 5 und 6). Die Zeichnungen 7 bis 10 zeigen verschieden Möglichkeiten. Diese Getriebe sind zwischen gleichförmig drehenden Motor-Generatoren und Kolbenachsen eingeschaltet.
• Alle Ausführungsformen der mechanischen Getriebe machen Gebrauch von gegeneinander verschränkten, eine ungleichförmige, pendelnde Drehung der Kolben erzeugenden Übertragungsmechanismen. Eine besondere Bedeutung kommt dabei den Zahnradgetrieben mit nicht kreisförmigen Rädern zu. Damit lassen sich, vor allem in der in den Zeichnungen 7 und 8 skizzierten Weise leicht einfache Anordnungen mit aufgeteiltem Pendelgang herstellen, so dass die einzelnen Stufen des Getriebes keine große Pendeloszillation erzeugen müssen. Auch eine in Zeichnung 9 rechts angedeuteter unterschiedlicher Durchmesser der Räder bei angepasster Zähnezahl und Randkurve ist zur Erzeugung von Übersetzungen möglich. Wird ein solches Getriebe im Anlenkwinkel um die Achsen des Drehkolbengerätes im Betrieb verdreht, so lässt sich damit die Phasenlage der Drehkolben gegenüber dem Gehäuse verändern.
• Bei Zahnradgetrieben können Aktuatoren für die Getriebeanlenkung auch die Verstellung der Phasenlage der Kolben zum Gehäuse ermöglichen. Auch eine Verdrehung der Getrieberäder gegeneinander im Stillstand wird zur Veränderung der Phasenlage eingesetzt. Dies kann für bestimmte Anwendungen, wie etwa in Verbrennungsmotoren wichtig sein. Zeichnung 8 zeigt in zwei Beispielen das Zusammenwirken von Antrieb und Gerät.
• Ein Vorteil der Verwendung mechanischer Pendelgetriebe im Bereich mehr konventioneller Drehkolbengeräte gegenüber dem elektronisch gesteuerten Motorgenerator ist der gleichförmig drehende An- oder Abtrieb. Der Motor oder Generator führt hier eine gleichförmige Drehung aus. Damit können dann konventionelle Motoren oder Generatoren beliebiger Bauart eingesetzt werden.
• Zur Kühlung des Gerätes werden nach Anspruch 10 bei Bedarf die Außenseiten des Gehäuses mit Kühlrippen oder Hohlräumen zur Flüssigkeitskühlung ausgeführt. Durch stärker ausgeführte Hohlachsen Z werden auch die Kolben bei Bedarf gekühlt (Zeichnung 15 oben Innenkühlung). Bei dieser Ausführung können außer dem Gehäuse die Kolben und die Kolbenachsen gekühlt werden, so dass die Rotationskolben-Maschine „vollkommen temperiert” läuft und auch für extreme Belastungen geeignet ist.
• In dem Gehäuse (Siehe Zeichnungen 3 bis 6) sind Öffnungen Ö zum Ein- und Austritt von Medium vorhanden. Die Öffnungen EÖ und AÖ dienen der Zu- und Abfuhr des Betriebsmediums. Diese Öffnungen sind so angeordnet, dass sie vorzugsweise von den Kolben abgedeckt und verschlossen werden, wenn keine Zu- oder Ausströmung erfolgen soll. Dadurch benötigt das Rotationskolbengerät in der Regel keine Ventile, wenn die Kolben durch Form und Bewegungsablauf die Öffnungen passend öffnen und verschließen (Anspruch 2).
• Die großen Einlass- und Auslassöffnungen für die Betriebsmedien, deren Abmessungen in Umfangsrichtung mit den wand-benachbarten Abmessungen der Kolbenaußenflächen korrespondieren, garantieren einen vollständigen und verlustarmen Gasaustausch. Die Öffnungen EÖ und AÖ dienen der Zu- und Abfuhr des Betriebsmediums (Siehe Zeichnungen 5 und 14).
• Öffnungen Gö, A und E (Zeichnung 1 und 4) mit Zuführungskanälen in der Gehäusewand dienen dem Austausch von Betriebsmedien (Anspruch 2). Solche Öffnungen werden nicht nur im rohrförmigen Gehäuseteil, sondern bedarfsweise auch in den Deckeln und Seitenwänden der Gehäuse angebracht. Wegen einer besseren Strömungsführung sind die Zuführungskanäle EÖ und Auslasse AÖ in Richtung der Kolbenbewegung auf die Öffnungen gerichtet (Zeichnung 14). Alle Öffnungen sind zumindest auf der Einströmseite nicht scharfkantig und mit kleinen Radien gerundet. In den Zeichnungen sind die Öffnungen als Aussparungen oder Löcher in der Gehäusewand symbolisch kenntlich gemacht. Eine konkrete Ausführung ist in vielen Varianten möglich.
• Wird eine zweite Rotationskolben-Maschine oder ein Turbolader zur Aufladung eingesetzt, so erweisen sich die großen Öffnungen im Gehäuse wegen des geringen Strömungswiderstandes und der Möglichkeit Zuleitungen großen Querschnittes zu verwenden, welche dann auch noch durch konische Ausführung zusätzliche Aufladungseffekte bewirken, zum Beispiel gegenüber Ventilen als besonders vorteilhaft.
• Insbesondere wird durch Achslagerung der Kolben ein wandberührungsfreier Betrieb möglich, so dass abgesehen von Achslagerreibung, keinerlei innere Reibungsverluste entstehen. Das hat einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad aller dieser so betriebenen Rotationskolben-Maschinen. Damit könnten Steigerungen von 20% und mehr im Wirkungsgrad gegenüber bekannten Maschinen erreicht werden. Dabei ist besonders wichtig, dass Doppelkolben und Mehrfachkolben wegen der Druckkräfte auf beide Seiten des einzelnen Kolbens eine zweifache Zahl von gegeneinander gerichteten Momenten auf die Achse leiten. Das bewirkt, dass die Momente sich zum Teil aufheben und geringere Führungskräfte auftreten.
• Durch die großen Kontaktflächen der Kolben mit den begrenzenden Wänden sind nur geringe Dichtungsprobleme vorhanden. Durch die großen Berührungsflächen mit den Wänden und Achsen erfolgt eine gute Abdichtung der Kammern gegeneinander und nach außen. Dennoch werden in speziellen Ausführungen bei den Kolben quer zur Leckströmung dünne Spalte als sogenannte Labyrinth-Dichtung angebracht. In so orientierte Spalten werden bei extremen Anforderungen, ähnlich wie Kolbenringe, auch Dichtleisten eingelegt (Zeichnung 12 und 13). Die Kolbenaußenflächen werden dann zur Verbesserung der Abdichtung mit Rillen, Eindellungen und eingelegten Dichtleisten D1 bis Di5 versehen (Anspruch 7). Es sind aber auch in Rahmen eingefasste Faserdichtungen Di6 möglich, welche bei großem Strömungswiderstand kaum Reibung verursachen. Da die Kolben aber im dafür geeigneten Betrieb durch die exakte Führung und Innenkühlung ohne Wandberührung laufen können und mit Labyrinthdichtungen gearbeitet wird, kann auch vorzugsweise auf Ölschmierung und Abdichtung verzichtet werden (Anspruch 7).
• Die Kolbenscheiben haben nach Zeichnung 12 unten eine zusätzliche Abdichtung R, vorzugsweise als Labyrinth-Dichtung ausgeführt, um die Reibungsverluste am Außenumfang zu minimieren.
• Die großen Dichtflächen der Kolben, ohne die für viele andere Maschinen typischen Leckstellen, lassen auch eine Verwendung von hydrodynamischen Dichtungen zu. Diese werden so ausgeführt, dass quer zur Leckströmungsrichtung scharfkantige Rillen angebracht werden oder dass die Dichtflächen mit kleinen grubenartigen Vertiefungen überzogen werden, welche in versetzten Reihen oder auch einfach statistisch gleichmäßig über die Fläche verteilt werden. In besonderen Fällen, zum Beispiel bei Medienwechsel innerhalb einer Maschine wird auch eine eine stärkere Differenzierung in Anordnung und Größe der Rillen oder Vertiefungen angewendet.
• Selbst wenn man wegen der Leckverluste eingelegte Dichtungen einführt, so können diese, als leichte Trockendichtungen aus Kohle oder Kunststoff ausgeführt, einen ölfreien Betrieb und mithin einen immerhin noch sehr reibungsarmen Betrieb ermöglichen. Solche Trockendichtungen sind anwendbar, weil sie von der Kolbenkante abgesetzt, nur geringen Belastungen ausgesetzt sind und durch den exakten Rundlauf des Rotors nur geringe Ausgleichsbewegungen ausführen müssen. Durch die Kolbenbeschleunigung ausgelöste Querbewegungen können durch eingelegte Spannfedern verhindert werden. – Bei Verwendung von breiten Dichtungen kann durch Profilierung der Auflagefläche der Dichtung Di4 und Di5 eine vom Betriebsmedium getragene Gleitung ohne direkte Wandberührung erreicht werden, die dann trotz guter Wirkung sehr reibungsarm ist (Zeichnung 13).
• Durch die kompakte Bauweise baut eine Rotationskolben-Maschine gegenüber einer normalen Kolbenmaschine klein. Für ein Hubvolumen von 2 Liter ist lediglich ein Zylinder-Gehäuse von nicht einmal 20 cm Durchmesser und 20 cm Länge erforderlich! Das Verhältnis von Gerätevolumen und Arbeitsvolumen erreicht nahezu 50%!
• Die kompakte Bauweise ergibt für eine sogenannte 1-Liter-Hubraum-Maschine ein Gerätevolumen mit äußeren Abmessungen von nur 15 cm Durchmesser und 15 cm Länge. Die zweistufige Vakuum-Pumpe für die Zuckerindustrie mit etwa 1 Kubikmeter Arbeitsvolumen hat bei einer Drehfrequenz von 300 U/min mit einer Pumpleistung von 18.000 m³/h nur Abmessungen von 1,5 m nach Länge und Durchmesser.
• Die vielfälhltigen Verwendungsmöglichkeiten und Bauformen lassen das Gerät bei zahlreichen Anwendungen interessant erscheinen. Diese sind in Kompressoren und Vakuumpumpen, in Druck- und Saugpumpen, Turbinen und nicht zuletzt in Verbrennungsmotoren zu sehen. Sofern aus Gründen der Trägheitsarmut oder Innenkühlung keine Hohlkolben verwendet werden, ist ein Vorteil des Rotationskolbengerätes auch die verhältnismäßig große Masse der Kolben wodurch eine gleichmäßigere Drehung entsteht, und äußere Schwungmassen vermieden werden können. Auch der reibungsarme Betrieb durch die zwangsweise Kolbenführung und die Verstellmöglichkeiten der Kolbenbewegung während des laufenden Betriebes sind große Vorteile gegenüber bekannten Geräten. Abschließend ist festzuhalten, dass die Rotationskolben-Maschine einerseits wegen ihrer einfachen, kostengünstigen Grundkonzeption aber auch andererseits wegen ihrer Anpassbarkeit auf viele Einsatzzwecke eine interessante und wirtschaftlich bedeutsame Innovation darstellt.
• Zusammenfassend sollen am Schluss noch einmal die besonderen Vorteile der neuen Rotationskolbengerätes dargestellt werden.
• Zunächst ist hervorzuheben, das durch die Gleichheit aller Kolben eine neue, durch hohe Symmetrien ausgezeichnete Geometrie eingeführt wird. Gegenüber den bekannten Anordnungen ergibt sich dadurch vielfacher Nutzen, so dass entsprechend der Zahl der Kolben bei einer Umdrehung der zentralen Welle vier, sechs, acht und mehr Arbeitsvolumina oder Zylinder zur Verfügung stehen. Durch die im Allgemeinen leichter ausgeführten Hohl-Kolben können hohe Beschleunigungen bei der überlagerten oszillatorischen Bewegung vermieden werden.
• Gegenüber den bekannten Anwendungen, die sich bislang auf die Nutzung als Verbrennungsmotor beschränkt haben, ergeben sich zahlreiche Mehranwendungen im Bereich der Pumpen, Kompressoren, Druckluftmotoren sowie Hydraulikmotoren.
• Durch die zweiflutige Geometrie der Doppelkolbengeräte ergeben sich zahlreiche völlig neuartige Anwendungen im Bereich der Kompressoren und Vakuumpumpen als zweistufige Geräte.
• Bei den Kompressoren kann man zwischen den Stufen Kühler einbauen, so dass ein relativ hoher Wirkungsgrad in zweistufiger Verdichtung erreicht wird.
• Bei Vakuumpumpen ist ein Betrieb von Vorpumpe und Hauptpumpe in einem Gerät vorteilhaft.
• Außerdem kommt hier der ölfreien Betrieb mit den großen Kolbenflächen, welche den Einbau von Labyrinth Dichtungen ermöglichen, zum Tragen.
• Auch die großen Ein- und Austrittsöffnungen des Gerätes sind von großem Vorteil. Sie ermöglichen den raschen Austausch der Betriebsmedien und beeinflussen den Wirkungsgrad der Geräte dadurch positiv.
• Der minimale Wandkontakt beim schon erwähnten Verzicht auf Schmierung und der Einsatz von Labyrinthdichtungen bewirkt kleine Reibung im Betrieb und ermöglicht hohe Drehzahlen, welche eine kleine Bauweise des Gerätes ermöglichen.
• Durch die periodische, symmetrische Arbeitsweise innerhalb des Gerätes gestalten sich auch die Getriebe und Antriebe besonders einfach. Mechanisch kann man mit einfachen Anordnungen wie zum Beispiel Zahnradgetrieben mit ellipsenförmigen Rädern arbeiten. Dabei ist eine Verstellung der Kolbenwelle über eine gleichförmig rotierende Zentralachse des Getriebes für die Anpassung der Betriebszustände möglich.
• Besonders hervorzuheben ist der Antrieb und die Kontrolle der Kolbenbewegung mittels elektronisch geregelter Schrittmotoren. Über Sensoren am Gehäuse oder auch an den Antriebs Wellen wird die Kolbenbewegung registriert und an eine rechnergesteuerte Regelelektronik weitergegeben, welche dann über einen Leistungsverstärker die entsprechende Impulssteuerung für die Schrittmotoren liefert.
• Im Fall von Verbrennungsmotoren können die Schrittmotoren bei positiven Momenten zugleich als Generatoren wirken und elektrische Leistung nach außen abgeben.
• Insgesamt ergibt sich also ein großer Bereich von Anwendungen durch die neuartige Auslegung des Rotationskolbengerätes mit gleichartigen Doppel-Kolben, wobei besonders die verkleinerte Bauweise und der wirtschaftliche Betrieb durch die geringe Anzahl von Nebenaggregaten hervorzuheben ist.
• Bezugszeichenliste

1, ..2, ..

Bildnummern

A

Achse

A1, A2, ..

Achsen

Ah

Aushöhlungen

AL1, AL2, ..

Achslager

An

Anker

Aö

Auslassöffnung

D1, .V2, ..

Deckel

De1, De2, ..

Gehäuse-Deckel

Di1, Di2, ..

Dichtung

Eö

Einlassöffnung

G

Gehäuse

Ge

Motor-Generator

GG

Pendelgetriebe

GL

Gehäuseverlängerung

Gö

Gehäuse-Öffnung

GR

Rotationskolben-Gerät

Gv

Gehäuseverlängerung

K

Kolben

K1, K2, ..

Kolben

L

Leitung

S

Schraube

W

Welle

W1, .. W2, ..

Wellen

X

Zündhilfe

Z1, Z2, ..

Zahnräder

Zä

Zähne

Za1, Za2, ..

Zahnräder

Zf

Zuführungskanäle

Zk

Zwischenkühler

Zr1, Zr2, ..

Zahnriemenscheiben

Zw

Zentralwelle

Claims (1)

1. Rotationskolbengerät mit zylindrischem, konzentrischen im Hohlteil torusförmigen Ringgehäuse konstanten Querschnittes mit geführten und wandschlüssigen, querschnittsfüllenden Kolben, die gegeneinander und im Ringgehäuse rundherum um zentrale Wellen beweglich sind und vorwiegend durch Führungskräfte und Druckkräfte angetrieben, zwischen sich periodisch veränderliche Arbeitsräume einschließen, zur Verwendung als Pumpe, Verdichter, Druckgasmotor, Hydraulikmotor und auch Verbrennungsmotor gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1. Das Rotationskolbengerät weist im Ringgehäuse mindestens vier geführte und wandschlüssige, querschnittsfüllende, in der äußeren Form identische Kolben in gerader Anzahl auf, vorzugsweise realisiert durch zwei gleichartige, starre Doppelkolben, wobei gegenüberliegende Kolben über Wellenabschnitte starr verbunden sind und jeweils ineinander verschränkt im Ringgehäuse der Rotationskolbenmaschine, durch Führungskräfte angetrieben, gleichartig rundherum um die zentrale Welle angeordnet sind, wobei den benachbarten Kolben durch Getriebe eine paarweise phasenverschobene Drehschwingung um die zentrale Welle, welche dazu auch spezielle, neuartige Gewinde-Getriebe enthält, aufgezwungen und überlagert wird, so dass sich die benachbarten Kolben bei Drehung der Welle dadurch annähern und voneinander entfernen und dabei zwischen sich Arbeitsräume in der Zahl der Kolben schaffen, 1.1 wodurch mehrmals während eines Umlaufes der Kolben im Gehäuse ein umlaufendes, sich vergrößerndes und verkleinerndes rotierendes, veränderliches Volumen zwischen der Rückseite des vorlaufenden und der Vorderseite des nachlaufenden Kolbens als Arbeitsraum im Ringgehäuse gebildet wird, wobei während einer Umdrehung der zentralen Welle im Ringgehäuse die Zahl der unterschiedlich genutzten Arbeitsräume zwischen den Kolben der Anzahl der Kolben entspricht und die Arbeitsräume durch die Führungskräfte vorzugsweise zweimal vergrößert und verkleinert werden, 1.2 dabei wird auch mittels der ins Gehäuse führenden Achsen und der Antriebe in den Wellen für die Wellenabschnitte der verschiedenen Kolben die schwingende Kolbenbewegung nach Amplitude und Phasenlage zur Grunddrehung verstellbar gemacht und die Modulationsfrequenz zur Rotationsfrequenz ganzzahlig proportional eingestellt, alles überwacht von Sensoren in der Gehäusewand, an den Wellen und Achsen, die an die äußeren, elektronischen Steuerungen der Antriebe angeschlossen sind, womit der geordnete Ablauf der Prozesse im Rotationskolbengerät über Betriebsprogramme eingestellt wird, 1.3 bei den Doppelkolben sind zwei Kolben an einem Abschnitt der zentralen Wellen angebracht, bei den Mehrfachkolben sind vorzugsweise mehrere Kolben symmetrisch an einem Abschnitt der zentralen Wellen angebracht; 2. das Rotationskolbengerät hat in einer Verwendung als Pumpe, Verdichter, Turbine und Druckgasmotor für den Austausch der Medien Öffnungen vorzugsweise in der Anzahl der Kolben in dem Ringgehäuse, den Gehäusedeckeln und den Wellen, die von den Kolben mit ihrer größeren Breite während des Umlaufes zeitweise verdeckt und verschlossen werden, 2.1 wobei zum Einlass und Auslass von Medien die Öffnungen im Gehäuse durch die Stellung der Kolben im Gehäuse entsprechend den Betriebsphasen des Rotationskolbengerätes während einer Umdrehung der zentralen Welle durch Abdecken geschlossen und durch Aufdecken offengelassen werden und im entsprechend genutzten Gebrauch mehrere Prozesse von Ansaugen und Ausstoßen von Medien an den Öffnungen erzeugt werden, 2.2 wobei im Falle der Kompressoren die Auslassöffnungen klein sind und erst spät im Laufe der Kolbenbewegung zum Druckausgleich geöffnet werden, 2.3 die Hauptrichtung der Ein- und Auslasskanäle ist zumeist nach den entsprechenden, zu erwartenden Strömungsrichtungen ausgerichtet, 2.4 die Prozesse von Ansaugen und Ausstoßen von Medien werden bei mehreren gleichartigen Öffnungen des Rotationskolbengerätes je nach Verwendung durch Verbindungsleitungen parallel oder hintereinander geschaltet, wodurch nach Bedarf eine größere Fördermenge oder ein größerer Druck erzeugt wird 2.5 und im Fall der Hintereinanderschaltung Zwischenspeicher und Kühler in die Verbindungsleitungen eingefügt werden, 2.6 wobei nach Bedarf für die Öffnungen im Gehäuse auch verstellbare Öffnungsklappen über äußere mit dem Betrieb der Rotationskolbenmaschine synchronisierte Hilfsaggregate aktiviert werden; 3. in einer Verwendung als Verbrennungsmotor sind bei dem Rotationskolbengerät für den Austausch der Medien Öffnungen in dem Ringgehäuse in einer Anzahl gleich der halben Zahl der Kolben angebracht, 3.1 womit bei der Drehung der Kolben eine Folge von abwechselnden Einlässen und Auslässen gebildet wird, die durch die Kolbensteuerung und Kolbenstellung während einer Umdrehung der zentralen Welle entsprechend der Verwendung aktiviert werden, 3.2 womit im entsprechend gesteuerten Gebrauch zwischen zwei Kolben während einer Umdrehung der zentralen Welle jeweils vier gleichartige Prozesse von Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen in der Zahl der Kolben während einer einzigen Umdrehung der inneren Kolbenwelle erzeugt werden, so dass bei vier Kolben während einer einzigen Umdrehung ein Vierzylinder-Viertakt- Motor nachgebildet wird, bei sechs Kolben ein Sechszylinder-Viertakt-Motor nachgebildet wird und bei acht Kolben ein Achtzylinder-Viertakt-Motor nachgebildet wird und so weiter, 3.3 wobei die vier Arbeitstakte eines Verbrennungsmotors durch die Kolbenschwingung und die Steuerung aktiv gestaltet werden und zur Vereinfachung der Mechanik vorzugsweise nur zwei Kolbenwellen eingesetzt werden, an denen die Kolben abwechselnd befestigt werden, 3.4 die Zündung erfolgt bei vier Kolben an einer Stelle des Ringgehäuses mit hoher Kompression, bei acht Kolben an zwei gegenüberliegenden Stellen des Gehäuses, bei anderen Kolbenzahlen entsprechend, wobei stets Ein- und Auslässe mit einem Zwischensteg nebeneinander angeordnet werden; 4. der Antrieb und Abtrieb der inneren Kolbenwellen erfolgt bei dem Rotationskolbengerät durch Motor-Getriebe-Einheiten auch zusammen mit dem speziellen Antrieb in der zentralen Welle nach Anspruch 1, vorzugsweise von einem einseitig am Geräte-Gehäuse angeordneten Getriebe und Antrieb mit separatem Gehäuse, indem die Momente über zentral durch den Gehäusedeckel durchgesteckte Hohlachsen und Steckachsen in der Anzahl der Doppelkolben über die Abschnitte der Kolbenwellen an die Kolben übertragen werden und der Bewegungsablauf von einer mit der Kolbenwelle und der Kolbenbewegung phasenrichtig synchronisierten elektrischen Ansteuerung nach vorgegebenen Einstellungen von einem Steuergerät geregelt wird, 4.1 wobei die Achsen und Getrieberäder der äußeren Antriebe bei Bedarf mit-rotierende Ausgleichsgewichte tragen, 4.2 die Getrieberäder als unrunde Zahnräder mit geraden Zähnezahlen ausgeführt werden, wobei Ausführungen der Paare mit Innen-Außenverzahnung als besonders platzsparend und mit Übersetzung ausgeführt werden, 4.3 bei großen Pendelamplituden der Kolbenwellenabschnitte und Kolben auch mehrstufige Getriebe eingesetzt werden, 4.4 bei Bedarf die Achsen zwischen den Zahnrädern durch innere Mechanismen mit Gewindespindeln abschnittsweise in sich verdreht werden und so durch zusätzliche Verschränkung der Kolbenwellen eine Phasenverschiebung der Kolbenbewegung eingestellt wird, 4.5 zu einer symmetrischen Führung der Kolben wird die zentrale Kolbenwelle auch symmetrisch in drei Abschnitte aufgeteilt, indem ein Doppelkolben an einem mittleren und ein anderer Doppelkolben an zwei äußeren Wellenteilen befestigt wird, 4.6 bei Bedarf wird durch eine Verdrehung des gesamten Getriebes um den Ansatz am Gehäuse eine Phasenverschiebung der Kolbenbewegung eingestellt, 4.7 bei für den Antrieb verschlossenen, abgedichteten Gehäusen des Rotationskolbengerätes werden auch mittels durch die Gehäusewand wirkende Magnetkupplungen die äußeren Antriebe zur Kontrolle der Kolbenbewegung angekoppelt, 4.8 in Ausführungen des Rotationskolbengerätes mit Doppelkolben wird über ein mindestens zweizügiges Verteilergetriebe für die drehende Kolbenbewegung und die Kolbenschwingung, bedarfsweise auch über ein Getriebe mit gleichförmig rotierender Zentralachse, mit unrunden Zahnrädern und Ausgleichsgewichten, ein im Kraftfluss und Momentenausgleich geschlossenes System erzeugt, 4.9 wobei durch die bei Bedarf in sich verstellbare Zentralachse eines Doppelgetriebes mit zwei Paaren von unrunden Zahnrädern, vorzugsweise mit Innen- und Außenverzahnung, die Pendeldrehung der Kolben im Gehäuse gleichförmig und ohne Pendelung auf Generatoren, Elektromotoren und Fahrzeugantriebe übertragen wird, 4.10 wobei im Verteilergetriebe bedarfsweise auch unrunde Kettenräder mit Ketten und unrunde Zahnriemenscheiben mit Zahnriemen verwendet werden 4.11 und die Variation der Arbeitsräume bei dieser Ausführung bedarfsweise für verschiedene Betriebszustände wie Motorbetrieb, Leerlauf und Bremsen über den separaten Antrieb der Kolben mittels einer Verdrehung der Getrieberäder gegeneinander, vorzugsweise über eine in sich abschnittsweise verstellbare Zentralachse, eingestellt wird, 4.12 in einer besonderen Ausführung des Getriebes mit Paaren von unrunden Zahnrädern mit Außen- und Innenverzahnung wird die gleichmäßige Drehung des äußeren Motorgenerators direkt auf die Kolbenachsen übertragen; 4.13 die Erzeugung der oszillierenden Kolbendrehung in dem Rotationskolbengerät und der An- und Abtrieb der gesamten Rotationskolbenmaschine einschließlich eines Elektro-Motor-Generators wird bei Bedarf auch über ein spezielles, neuartiges Schraubengetriebe, mit Links- und Rechtsgewindespindel in der Achse, durchgeführt, 4.14 wobei im Fall eines mechanischen Pendelgetriebes einfache, gleichförmig rotierende und drehzahlgeregelte Motorgeneratoren verwendet werden; 5. zur Verwendung des Rotationskolbengerätes ohne Zwischenschaltung eines Getriebes werden elektronisch geregelte Motoren, vorzugsweise Schrittmotoren mit Impulssteuerung eingesetzt, 5.1 dazu wird in einer Ausführung des Rotationskolbengerätes mit Doppelkolben eine zur Grunddrehung im Gehäuse doppelt periodische Veränderung der Drehgeschwindigkeit der Kolben über nach außen geführte Achsen durch direkt angekoppelte, elektronisch geregelte Schrittmotoren, die über Abtaster und Sensoren am Gehäuse und ein Steuergerät kontrolliert, die Kolbenbewegung sinnvoll steuern, erzeugt, 5.2 wobei die Schrittmotoren vorzugsweise zusammen in ein separates Gehäuse integriert sind, 5.3 in welches Gehäuse bei Bedarf auch ein elektrisch angekoppelter, gleichförmig rotierender, elektrischer Motor integriert wird 5.4 und die Variation der Arbeitsräume bei dieser Ausführung bedarfsweise für verschiedene Betriebszustände wie Motorbetrieb, Förderbetrieb, Leerlauf und Abbremsen mittels der elektronischen Steuerung der Antriebsimpulse der Schrittmotoren durch ein programmiertes Steuergerät zweckmäßig eingestellt wird, 5.4 wobei die Schrittmotoren mit Frequenzen in einem weiten Bereich um 1000 Hz von einer mit der Kolbenachse und der Kolbenbewegung phasenrichtig synchronisierten elektrischen Ansteuerung nach vorgegebenen Einstellungen von dem geregelten Steuergerät versorgt werden, 5.5 auch hier werden bei für den direkten Antrieb verschlossenen Gehäusen mittels durch die Gehäusewand wirkender Magnetkupplungen Antriebe angekoppelt, welche die periodischen Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Kolben bewirken, wobei die Kolben in einer besonderen Ausführung durch in die Gehäusewand integrierte Elektromagnete auch selbst Bestandteil eines Schrittmotors werden; 6. bei Bedarf werden bei dem Rotationskolbengerät mehrere Doppelkolben und Mehrfachkolben mit größerer Kolbenzahl als vier zur Vergrößerung der Zahl der Arbeitsräume eingesetzt, 6.1 wobei in einer einfachen Ausführung des Rotationskolbengerätes mit zwei Mehrfachkolben eine zur Grunddrehung im Gehäuse, geradzahlig periodische Oszillation der Drehgeschwindigkeit der Mehrfachkolben, entsprechend der halben Kolbenzahl, durch die Antriebe nach den Ansprüchen 1, 4 und 5 erzeugt wird, 6.2 bei mehreren Doppelkolben auf separaten Wellenabschnitten werden diese vorzugsweise einzeln angetrieben, 6.3 dies wird durch über nach außen geführte Achsen in der Zahl der Mehrfachkolben und Doppelkolben bewirkt, 6.4 wobei die Antriebe bei Bedarf auch elektronisch geregelte Schrittmotoren sind, die über Abtaster am Gehäuse synchronisiert, die Kolbenbewegung steuern, 6.5 und in einer anderen Ausführung die Antriebe auch Getriebemotoren sind, welche die Kolbenbewegung mechanisch steuern, 6.6 auch hier werden bei für den direkten Antrieb verschlossenen, abgedichteten Gehäusen mittels durch die Gehäusewand wirkender Magnetkupplungen Antriebe angekoppelt, welche die periodischen Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Kolben bewirken, 6.7 wobei die bei allen diesen Konfigurationen entstehenden zahlreichen Arbeitsräume durch Verbindungen zwischen den Öffnungen zu mehrstufigen und parallelgeschalteten Systemen zusammengeschlossen werden und bei Bedarf mehrere Stufen durch kurze Rohrleitungen und Öffnungen in den Zwischenwänden für den Durchtritt von Betriebsmedien unter Zusammen- und Hintereinanderschaltung von Stufen verbunden werden und so ausgewählte Stufen bei Bedarf den jeweils anderen Stufen als Vorschalt- und Nachschaltgeräte zugeschaltet werden, 6.8 dabei werden bei Bedarf auch Zwischenkühler, Absorber und Speicher in die äußeren Verbindungen eingeschleift; 7. die wandschlüssigen Kolbenflächen und Innenwände des Rotationskolbengerätes sind bei Bedarf mit Rillendichtungen und mit in Rillen eingelegten, mittels Kammerdruck angepressten und auch gefederten Dichtleisten versehen, 7.1 die Dichtleisten sind vorzugsweise zur Wand hin so profiliert, dass durch Auftrieb ein minimaler Wandabstand erzeugt wird, 7.2 die breiteren Dichtleisten sind vorzugsweise zur Wand hin mit Rauhigkeiten und Querrillen überzogen, 7.3 die Dichtleisten bestehen in besonderen Anwendungen aus reibungsarmem Material, so dass ein Schmiermittel nur notfalls eingesetzt wird, 7.4 bei Bedarf sind auch die nicht wandschlüssigen, den Betriebsmedien zugewandten, Außenflächen der Kolben mit Aushöhlungen, Rillen, und Rauhigkeiten, auch unterschiedlich nach Vorder- und Rückseite, versehen, 7.5 wodurch bei Bedarf auch die Geometrie der Minimalvolumina für die Betriebsmedien bei Annäherung der Kolben festgelegt wird; 8. die Kolben des Rotationskolbengerätes sind vorzugsweise in radialer Richtung nach außen keilförmig zunehmend ausgeführt, mit einem Keilwinkel, der von der Anwendung und dem Modulationsgrad der Pendelbewegung abhängig ist und bei einigen Ausführungen des Rotationskolbengerätes mit der Umfangsausdehnung der zu überdeckenden Ventilationsöffnungen in der Gehäusewand korrespondiert, 8.1 bei zwei Doppelkolben in einer Ausführung des Gerätes als Verbrennungsmotor, Kompressor und Vakuumpumpe haben die Kolben vorzugsweise einen Keilwinkel um 45 Grad, 8.2 bei zwei Doppelkolben in einer Ausführung als Förderpumpe vorzugsweise einen Keilwinkel um 10 Grad und hier werden die Kolben bedarfsweise auch als gerade Platten sowie nach außen abnehmende Keile ausgeführt, 8.3 wobei in jedem Fall die Kolben und Wellen bedarfsweise zur Gewichtseineinsparung und Innen-Kühlung als Hohlkörper ausgeführt sind und sogar die wand-berührenden Flächen der Kolben in Sonderfallen im Innenfeld offen, nur als dichtender Rand, ausgeführt werden, 8.4 die zentralen Gleit- und Führungswellen der Kolben im Gehäuse haben vorzugsweise einen Durchmesser von etwa einem Drittel bis zur Hälfte des Gehäusedurchmessers, 8.4 die Gehäuselänge und Kolbenbreite des Rotationskolbengerätes ist für eine Leistungsanpassung frei, entspricht aber vorzugsweise der Radiendifferenz zwischen Gleitwelle und zylindrischem Gehäuse, 8.5 bedarfsweise sind die Kolbenseitenflächen zum Gehäusedeckel hin, wie der dazu passende Gehäusedeckel selbst auch, konisch ausgeführt, 8.6 auch ein gerundeter Querschnit des Torus kann eingesetzt werden; 9. das Rotationskolbengerät wird durch Beaufschlagung mit Kühlflüssigkeit und Kühlgas außen am Gehäuse und an seinem Deckel, welche dazu außen auch bei Bedarf nach Wärmeanfall verteilte Kühlrippen und Hohlräume für Kühlmittel aufweisen, über Zuleitungen auch zusammen mit einem äußeren Kühlgehäusemantel und mit hohlen Achsen als Zuleitungen für Kühlmittel zu den Wellen und Kolben hin, gekühlt und temperiert, 9.1 wobei ein von Achsen freier, dem Antrieb gegenüberliegender Gehäusedeckel, mit durchgesteckten Kupplungen und Leitungen für Sensoren, Kühlung und Schmierung versehen wird 9.2 und die Kühlung mittels Kühlflüssigkeit und Gas zunächst über Drehkupplungen, Leitungen und Bohrungen an die Kolbenwellen und von dort bei Bedarf an die Kolben angeschlossen ist; 10. aus Kompressoren, Verbrennungsmotor und Antrieb werden Hybridsysteme zusammengesetzt, die der Erzeugung von elektrischer Energie und mechanischem Antrieb dienen, 10.1 dabei werden vorzugsweise die Abgase des Verbrennungsmotors einem Expansionsteil eines zweiflutigen Doppelkolbengerätes zugeleitet, während der Kompressionsteil dieses Gerätes der Aufladung des Verbrennungsmotors dient, 10.2 dabei wird das Doppelkolbengerät als freilaufende Einheit nur über die Zuführung der Abgase angetrieben und nur in besonderen Fällen mit dem Verbrennungsmotor über die äußeren Achsen mechanisch gekoppelt, 10.3 wobei an den Verbrennungsmotor ein elektrischer Motorgenerator und bedarfsweise ein mechanischer Antrieb angekoppelt wird, 10.4 bei Bedarf werden mehrere Mehrfachkolbengeräte auch unterschiedlicher Größe über Verbindungsleitungen und Achsen zusammengeschaltet.

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