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Vorrichtung mit mehreren in einem Ring-Raum umlaufenden Kolben, wobei die Kolben während des Umlaufes eine Relativbewegung zueinander ausführen. Die Relativbewegung wird durch geknickte und bezüglich ihrer relativen Drehphasenverschiebung nicht kompensierte Kreuzgelenke erreicht. In diesem Fall ist ein gegenüberliegendes Kolbenpaar mit einem Kreuzgelenk verbunden und ein weiteres gegenüberliegendes Kolbenpaar mit einem auf der An-, Abtriebs- oder Regelwelle um 90° verdreht angeordnetem Kreuzgelenk. Die Vorrichtung kann als Verbrennungsmotor, als Pumpe oder als Kompressor genutzt werden. Die einzelnen Maschinentypen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Anordnung der Ein- bzw. Auslasskanäle.
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Vorrichtungen dieser Art sind aus den Patenten
WO001997010419 ,
US000003337123 und
EP00000918138 bekannt. Sie haben alle keine dichtbaren und damit nutzbaren Arbeitsräume. Weiterhin weisen sie eine aufwendige Gelenkkonstruktion mit relativ schwachen inneren Gelenken, labilen Gelenkarmen und einer hohen Bauteilanzahl auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Maschine und besonders die Gelenke zu vereinfachen und zu verbessern, den Arbeitsraum dichtbar zu gestalten und die Möglichkeit der Fremdzündung in der Verbrennungsmotorvariante zu verbessern.
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Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Gelenkanordnung zur Kopplung der Kolbenpaare (bzw. der Innenwelle und der Hohlwelle) mit der An-, Abtriebs- oder Regelwelle verschachtelt worden ist. Dies wird durch zwei gekröpfte Koppelstücke erreicht, die ineinandergreifen und in denen die Gelenkachsen wie in einem Kreuzgelenk vorzugsweise um 90° verdreht angeordnet sind. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Gelenke und Koppelstücke beider Kolbenpaare identisch sind, dass sie das gleiche hohe Moment aufnehmen können und der Aufbau einfach ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein vereinfachter Aufbau dadurch erreicht, dass auf die Wellen zur Kolbenankopplung verzichtet wird. Die Kolben werden direkt von den im Zentrum liegenden Koppelstücken angesteuert.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein dichtbarer Arbeitsraum durch einen Ring-Raum, zwei Kolben und einem mitgeführten Dichtelement erzeugt. Das Dichtelement dichtet den Spalt des Ringraumes ab, durch den die Kolben über Verbindungselemente mit den Koppelstücken bzw. Wellen verbunden sind. In diesem Fall sind vier Arbeitsräume mit vier Dichtelementen in dem Ring-Raum vorhanden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein dichtbarer Arbeitsraum durch einen Ring-Raum und zwei Kolben gebildet, indem die Kolben über Magnete durch die Ringraumwand an die Gelenke bzw. Wellen angebunden werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Fremdzündung in der Verbrennungsmotorvariante über Laser, die auch mehrfach in Umlaufrichtung angeordnet werden können, um eine passende Frühzündung zu erreichen, ausgelöst. Diese Zündung kann durch in die Zylinderwand eingebettete Glasscheiben arbeiten und mittig im Brennraum fokussiert werden.
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Die erfindungsgemäße Kreiskolbenmaschine hat einen einfachen Aufbau und kann als Motor, Kompressor oder Pumpe eingesetzt werden. Je nach Einsatzart sind Ein- und Auslasskanäle unterschiedlich angeordnet. Als Motor weist sie einen kalten Einlasskanal auf und ist damit auch für den Betrieb mit Wasserstoff geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a die Maschine isometrisch in „Regelwellenausführung”,
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1b die Maschine von der Seite in „Regelwellenausführung”,
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1c die Maschine isometrisch mit 45° gedrehter Arbeitswelle in „Regelesellenausführung”,
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1d die Maschine von der Seite mit 45° gedrehter Arbeitswelle in „Regelwellenausführung”,
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2a die Maschine von vorne mit der Arbeitswelle ohne Gehäuse in „Regelwellenausführung”,
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2b die Maschine von hinten mit der Regelwelle ohne Gehäuse in „Regelwellenausführung”,
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2c den Schnitt A-A der Maschine ohne Gehäuse in „Regelwellenausführung”,
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2d den Schnitt B-B der Maschine ohne Gehäuse „Regelwellenausführung”,
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3a die Maschine von vorne,
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3b den Schnitt C-C durch den Ring-Raum, den Kolben und das Dichtelement,
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3c das Detail E eines Arbeitsraumes mit den Dichtelementen,
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3d den Schnitt D-D durch die Laserzündkerze,
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4a das Beispiel einer Regelwelle mit Gelenken,
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4b zwei ineinander liegende Koppelstücke mit Gelenkaufnahmen,
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4c das Beispiel eines Dichtelementes mit Führungsbahnen,
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4d das Beispiel einer Koppelscheibe,
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4e das Beispiel der Antriebwelle einer „vereinfachten Maschine”,
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5 die Arbeitsweise der Vorrichtung, die Kolbenpaare in verschiedenen Stellungen mit den dazugehörigen Arbeitsraumgrößen für eine Umdrehung,
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6a die Maschine ohne Gehäuse von vorne in einer „alternativen Ausführung” mit kombinierter Arbeits- und Regelwelle,
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6b den Vertikalschnitt E-E durch diese Maschine,
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6c den Horizontalschnitt F-F durch diese Maschine,
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7a Isometrie der „vereinfachten Maschine” ohne Gehäuse 7.1,
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7b Frontansicht der „vereinfachten Maschine”,
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7c Schnitt G-G der „vereinfachten Maschine”,
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7d Schnitt H-H der „vereinfachten Maschine”,
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7e Isometrie der „vereinfachten Maschine” mit Magnetanbindung der Kolben,
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7f Frontansicht der „vereinfachte Maschine” mit Magnetanbindung der Kolben, ohne Gehäusehälfte 7.1 dargestellt,
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7g Schnitt I-I durch die Magnetanbindung der „vereinfachten Maschine”.
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Die Kreiskolbenmaschine weist ein erstes Paar von Kolben 1 und ein zweites Paar von Kolben 2 auf, wobei sich die Kolben eines jeden Paares diametral gegenüberliegen. Das erste Kolbenpaar 1 und das zweite Kolbenpaar 2 sind kollinear bzw. koaxial zueinander angeordnet. Die Kolben der Kolbenpaare 1 bzw. 2 sind im Querschnitt vorzugsweise kreisförmig und in einem Kreis angeordnet. Die Kolben der Kolbenpaare 1 und 2 sind in einem kreisringförmigen Raum 5 angeordnet und erstrecken sich somit kreisringausschnittförmig um die Drehachse D. Dieser Ring-Raum 5 wird vorzugsweise von zwei scheibenförmigen Gehäusen 7 und 7.1 gebildet. Die Kolben der jeweiligen Kolbenpaare 1 und 2 sind jeweils über Verbindungselemente 1.1 bzw. 2.1 miteinander gekoppelt. Das erste Kolbenpaar 1 ist über das erste Verbindungselement 1.1 mit einer Innenwelle 1.2 und das zweite Kolbenpaar 2 über das zweite Verbindungselement 2.1 mit einer Hohlwelle 2.2 verbunden. Die Innenwelle 1.2 ist drehbar in der Hohlwelle 2.2 gelagert. Dieses erste Verbindungselement 1.1 und das zweite Verbindungselement 2.1 erstrecken sich im Wesentlichen in einem zentralen Kreisraum 5.3, der sich zwischen dem Ring Raum 5 und der Drehachse D in Umfangsrichtung erstreckt.
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Damit die Kolbenpaare 1 und 2 eine überlagerte Relativbewegung während der Kreisbewegung ausführen können, sind sie über eine Koppeleinrichtung mit einer weiteren Welle 4.1 oder 4 verbunden. Die Koppeleinrichtung besteht aus den Koppelstücken 1.3 und 2.3 mit den dazugehörigen Gelenken. Die äußeren Gelenke 1.4 und 2.4 der Koppelstücke 1.3 und 2.3 werden mit den Gabeln der Innenwelle 1.2 und der Hohlwelle 2.2 verbunden. Die inneren Gelenke 1.5 und 2.5 der Koppelstücke werden mit den im Kreuz angeordneten Gelenken der Regelwelle 4.1 bzw. An- oder Abtriebswelle 4 verbunden.
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Kinematisch weist die Gelenkanordnung das Verhalten von Kreuzgelenken auf und es wird die von einem nicht kompensierten, Gelenk bekannte, vom Beugungswinkel abhängige, zyklische Drehphasenverschiebung genutzt. Kreuzgelenke weisen in gebeugtem Zustand und bei einer gleichförmigen Rotationsbewegung auf der einen Seite (Welle 4 bzw. 4.1) eine ungleichförmige Rotationsbewegung auf der anderen Seite auf (Wellen 1.2 und 2.2). Je Umdrehung gibt es auf der ungleichförmig laufenden Seite zwei voreilende Phasen, zwei nacheilende Phasen und vier Punkte, auf denen die Übertragung synchron abläuft. Bei einem Einsatz als Verbrennungsmotor können in der gezeigten Version je Umdrehung vier Arbeitstakte genutzt werden. Je Umdrehung durchläuft jede Arbeitskammer die Zustände Ansaugen, Verdichten, Arbeitstakt, Ausstoßen. Durch die Veränderung des Beugungswinkels α zwischen der Motorachse D und der An- bzw. Abtriebswelle 4 oder Regelwelle 4.1 wird die Drehphasenverschiebung und damit das Verdichtungsverhältnis geändert. Durch eine Veränderung des Winkels β, Bewegen der Regelwelle 4.1 in oder gegen die Motorumlaufrichtung, werden der Beginn der Drehphasenverschiebung und damit die Steuerzeiten geändert. Diese Regelungen können während des Betriebs der Maschine erfolgen. In diesem Beispiel sind die Gelenke 1.5 und 2.5 der gleichmäßig umlaufenden Gelenkseite in Umlaufrichtung um 90° verdreht angeordnet, sodass jeweils ein Kolbenpaar voreilt während das andere nacheilt. Der Gelenkbeugungswinkel des Beispiels α beträgt ca. 37°. Bei diesem Beugungswinkel laufen die Kolben um ca. 27° aufeinander zu (Winkel δ). Dieses Verhalten mit den dazugehörigen Kolbenstellungen wird für eine Maschinenumdrehung in 5 dargestellt.
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Damit die Maschine in „Regelwellenausführung” eine gleichförmige Ab- bzw. Eingangsdrehzahl aufweist, wird die Welle 4 durch ein kompensierendes Kreuzgelenk mit den Gelenken 4.2 angekoppelt.
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Als Beugungswinkel ist hier ein fixer Winkel vorgesehen, der dem Mittelwert des Regelwellenbeugungswinkels α entspricht.
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Bei einer „vereinfachten Maschine” entfallen die Koppelscheiben 1.1 und 2.1 und die Wellen 1.2 und 2.2. Dies ist möglich, wenn die Koppelstücke im Zentrum der Maschine liegen. Die Kolben werden in diesem Fall direkt über die äußeren Gelenke der Koppelstücke 1.4 und 2.4 angesteuert.
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In dem Ring-Raum 5 befinden sich zwischen den Kolben 1 und 2 die Arbeitskammern 5.2. Um die Wärmeverluste gering zu halten und um einfach dichten zu können, ist der Querschnitt des Ringraumes 5 vorzugsweise rund, sodass er einen nach innen offenen Torus bildet. Die nach innen gerichtete Torus Öffnung wird jeweils im Bereich der Arbeitskammern 5.2 durch Dichtelemente 3 verschlossen. Diese Dichtelemente 3 laufen mit den Kolben um und werden über die Koppelscheiben 1.1 und 2.1 oder bei der „vereinfachten Maschine” über die Gelenkbolzen 1.4 und 2.4 mitgenommen. Geführt werden sie auf Gleit- bzw. Dichtbahnen 5.1, die parallel zur Torus Fläche umlaufen. Während der Relativbewegung der Kolben 1 und 2 untereinander schieben sich die Dichtelemente jeweils unter den vorlaufenden Kolben. Für komplett entkoppelte Arbeitsräume werden die Kolben 1.7 und 2.7 über Magnete 8 mit den Koppelscheiben 1.6 und 2.6 mitgenommen.
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Kreiskolbenmaschinen haben Prinzip bedingt den Nachteil dass die Arbeitsräume 5.2 an den Wandungen der Gehäuse 7 und 7.1 entlang wandern. Beim Überfahren von Einbuchtungen (z. B. Zündkerzenlöchern) kommt es zu unerwünschten Nebenschlüssen und Kompressionsverlusten. Durch den Einsatz eines Glasfensters 9, das die Kontur des Ringraumes aufnimmt, wird dies verhindert. Die Fremdzündung erfolgt über Laser 9.1 durch dieses Fenster. Dabei kann mittig in dem Arbeitsraum fokussiert werden. Eine passende Frühzündung wird durch Anordnung mehrerer Laser in Umfangsrichtung erreicht, die abhängig von der Drehzahl angesteuert werden.
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Es versteht sich, dass die vorgenannten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Verwendung finden können. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolbenpaar 1
- 1.1
- Koppelscheibe 1
- 1.2
- Welle 1
- 1.3
- Koppelstück 1
- 1.4
- Gelenk außen von Koppelstück 1
- 1.5
- Gelenk innen von Koppelstück 1
- 1.6
- Koppelscheibe 1 für Magnetansteuerung
- 1.7
- Kolbenpaar 1 für Magnetansteuerung
- 2
- Kolbenpaar 2
- 2.1
- Koppelscheibe 2
- 2.2
- Hohlwelle 2
- 2.3
- Koppelstück 2
- 2.4
- Gelenk außen für Koppelstück 2
- 2.5
- Gelenk innen für Koppelstück 2
- 2.6
- Koppelscheibe 2 für Magnetansteuerung
- 2.7
- Kolbenpaar 2 für Magnetansteuerung
- 3
- Dichtelement
- 4
- Antriebs- bzw. Abtriebs Welle
- 4.1
- Regelwelle
- 5
- Ring Raum
- 5.1
- Dicht- bzw. Führungsbahn
- 5.2
- Arbeitsraum
- 6
- Kanal
- 7
- Gehäuse 1
- 7.1
- Gehäuse 2
- 8
- Magnet
- 9
- Zündungsfenster
- 9.1
- Laserzündkerze
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 001997010419 [0002]
- US 000003337123 [0002]
- EP 00000918138 [0002]
