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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine zur Verwendung als Pumpe,
Kompressor oder Wärmekraftmaschine,
insbesondere Verbrennungsmotor, mit einem in einem Kolbenraum eines
Maschinengehäuses
beweglich angeordneten Arbeitskolben, und mit verschließbaren Ansaug-
und Auslassöffnungen
für ein
Arbeitsfluid.
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Bekannte
Kolbenmaschinen arbeiten überwiegend
mit hin- und her laufenden Kolben, wodurch bei hohen Drehzahlen
große
Beschleunigungskräfte und
relativ starke Vibrationen auftreten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Kolbenmaschine der eingangs genannten
Art anzugeben, bei der die auf den Kolben wirkenden Beschleunigungskräfte besser
beherrschbar sind als beim Stand der Technik.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe dadurch, dass das Maschinengehäuse ein Kolbenraumgehäuse umfasst,
welches einen im wesentlichen torusförmigen Kolbenraum umschließt, dass
im Kolbenraum zumindest ein Kolben kreisförmig umlaufend bewegbar ist
und dass das Kolbengehäuse
mit Trennventilen zum periodischen Abtrennen von Kolbenraumsegmenten
versehen ist, wobei die Trennventile mit der Kolbenbewegung synchronisiert
sind. Auf Grund der kreisförmig
umlaufenden Kolben treten hier im wesentlichen nur relativ gut beherrschbar
Zentrifugalkräfte
auf. Aufgrund der Trennventile können
im Kolbenraum Kompressions- oder Expansionsräume abgetrennt werden, wobei
durch die erfindungsgemäße Synchronisation
der Trennventile die Abtrennung immer dann aufgehoben wird, wenn
der Kolben am Trennventil vorbeifährt. In Verbindung mit einer Ansaugöffnung und
einer Auslassöffnung
sowie einem Ventil, welches das Arbeitsfluid nur in eine Strömungsrichtung
hindurchlässt,
kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine
als Pumpe für
Flüssigkeiten und
Gase oder als Kompressor für
Gase verwendet werden. Durch Hinzufügen einer Kraftstoffeinspritzung
und ggf. einer Zündkerze
lässt sich
die erfindungsgemäße Kolbenmaschine
als Verbrennungsmotor nutzen. Auch eine Verwendung als Wärmepumpe
oder Heißluftmotor
ist grundsätzlich
möglich.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Kolbenraumgehäuse
auf seiner radial inneren Seite mit einem umlaufenden Ringspalt
versehen ist und dass der oder die Kolben auf dem radial äußeren Rand
eines Kolbenrades angebracht ist/sind, welches mit einem Scheibenring-förmigen Abschnitt
in den Ringspalt des Kolbenraums hineinragt und mit seiner Drehachse
auf einer Antriebswelle sitzt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
des Kolbenrades wird es möglich,
die Bewegungsenergie des oder der Kolben auf die Antriebswelle zu übertragen.
Dabei dient der scheibenförmige
Abschnitt des Kolbenrades zum Abdichten des umlaufenden Ringspaltes
des Kolbenraumgehäuses.
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Wenn
das Kolbenrad scheibenförmig
ist, lässt
es sich auf besonders einfache Weise herstellen. Ein Scheibenring-förmiger Abschnitt
ist somit ohne besonderen Aufwand enthalten. Andere denkbare Ausführungsformen
können
aber auch eine Scheibe mit Durchbrüchen aufweisen, so lange im
radial äußeren Randbereich
ein Scheibenringförmiger Anschnitt
verbleibt. Das Kolbenrad kann andererseits auch als Speichenrad
ausgebildet sein.
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Auch
wenn alle näher
erläuterten
konkreten Ausführungsformen
das beschriebene Kolbenrad enthalten, ist dies nicht zwingend zur
Funktion der Kolbenmaschine gemäß Anspruch
1. Im Kolbenraumgehäuse
könnte beispielsweise
ein einziger freilaufender Kolben angeordnet sein, dessen Bewegungsenergie
beispielsweise magnetisch auf ein außerhalb des Kolbenraumgehäuses angeordnetes Rad
oder sonstige Mechanik übertragen
wird. Dies würde
Probleme mit der Abdichtung des umlaufenden Ringspaltes des Kolbenraumgehäuses erst
gar nicht entstehen lassen.
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In
Ausgestaltung der Erfindung weisen die Trennventile in einem Ventilgehäuse drehbar
angeordnete, mit Durchbrüchen
versehene Ventilscheiben auf, die im wesentlichen in radialer Richtung
in den Kolbenraum hineinragen und je nach Drehwinkel ein Kolbenraumsegment
verschließen
oder eine Durchgangsöffnung
für den
Kolben freigeben. Aufbau und Synchronisation der Trennventile mit
den Kolben ist jeweils denkbar einfach. Die Trennventile öffnen und schließen, indem
die Ventilscheiben einfach immer in eine Richtung gedreht werden.
Wenn sich die Durchbrüche
der Ventilscheiben mit dem Kolbenraum decken, entsteht eine Durchgangsöffnung für den Kolben.
Ansonsten wird der Kolbenraum an der Stelle der Ventilscheibe in
Kolbenraumsegmente abgetrennt. Die Synchronisation mit dem Kolben
erfolgt in einfacher Weise beispielsweise durch ein Zahnradgetriebe,
welches insbesondere die Drehbewegung der Antriebswelle mit einer
geeigneten Übersetzung auf
die Drehbewegung der Ventilscheiben überträgt.
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In
einer für
die Verwendung der Kolbenmaschine als Kompressor oder Pumpe geeigneten
Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass am Kolbenrad ein Kolben und am Kolbenraumgehäuse ein
mit der Antriebswelle synchronisiertes Trennventil sowie in Bewegungsrichtung
des Kolbens nach dem Trennventil eine Ansaugöffnung und vor dem Trennventil eine
Auslassöffnung
angeordnet ist. Auf Grund der einfachen Ausgestaltung mit einem
einzigen Kolben und mit einem einzigen Trennventil eignet sich diese Ausführungsform
besonders für
kostengünstige Kompressoren
oder Pumpen.
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Wenn
es andererseits auf besonders hohe Förderleistung ankommt, wird
eine andere Ausführungsform
empfohlen, bei der am Kolbenrad drei Kolben in gleichen Winkelabständen und
am Kolbenraumgehäuse
drei mit der Antriebswelle synchronisierte Trennventile in gleichen
Winkelabständen
angeordnet sind, wobei in Bewegungsrichtung des Kolbens nach den
Trennventilen je eine Ansaugöffnung und
vor den Trennventilen jeweils eine Auslassöffnung angeordnet ist. Diese
Ausführungsform
ist zwar auf Grund der dreifachen Zahl von Kolben, Trennventilen
und Ansaug- bzw. Auslassöffnungen
aufwendiger in der Herstellung, erlaubt aber eine höhere Pumpleistung.
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Zur
Verwendung der Kolbenmaschine als Verbrennungsmotor wird eine Ausführungsform
empfohlen, bei der am Kolbenrad drei Kolben in gleichen Winkelabständen von
etwa 120° und
am Kolbenraumgehäuse
zwei mit der Antriebswelle synchronisierte Trennventile im Winkelabstand
von etwa 120° angeordnet
sind, wobei in Bewegungsrichtung des Kolbens vor dem ersten Trennventil
eine Überströmöffnung und
nach dem ersten Trennventil eine Einlassöffnung vorgesehen ist, die
beide durch einen Überströmkanal miteinander
verbunden sind, wobei die Einlassöffnung mittels eines mit der
Antriebswelle synchronisierten Überströmventils
verschließbar
ist und vor dem zweiten Trennventil eine Auslassöffnung und nach dem zweiten
Trennventil eine Ansaugöffnung
angeordnet ist. Die Anordnung von drei Kolben und drei Trennventilen
ermöglicht
das Ansaugen und Komprimieren von Frischluft sowie die Einleitung
der komprimierten Luft durch die Überströmöffnung und den Überströmkanal in
die Einlassöffnung,
hinter der nach dem Verschließen
mittels des Überströmventils
die Verbrennung stattfindet, um dann die Abgase durch die Auslassöffnung hinauszublasen.
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Mit
dieser Ausführungsform
des Verbrennungsmotors ist eine hohe Zahl von Arbeitstakten pro Umdrehung
der Antriebswelle möglich,
allerdings kann keine besonders hohe Verdichtung der komprimierten
Gase vor dem Verbrennungszeitpunkt erreicht werden.
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Wenn
eine höhere
Verdichtung erforderlich ist, empfiehlt sich eine alternative Ausführungsform, die
durch die Maßnahmen
gekennzeichnet ist, dass drei in gleichen Winkelabständen angeordnete Trennventile
vorgesehen sind, dass in Bewegungsrichtung der Kolben nach dem ersten
und zweiten Trennventil je eine Ansaugöffnung vorgesehen ist, dass
vor dem zweiten und dritten Trennventil je eine Überströmöffnung vorgesehen ist, dass
nach dem zweiten Trennventil eine Einlassöffnung vorgesehen ist, dass
die beiden Überströmöffnungen
und die Einlassöffnungen
jeweils durch ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Überströmventil
verschließbar
und durch einen gemeinsamen Überströmkanal miteinander
verbunden sind und dass vor dem ersten Trennventil eine Auslassöffnung vorgesehen
ist. Bei dieser Ausführungsform
arbeiten jeweils zwei der drei Kolben als Kompressor zur Komprimierung
von Frischluft, welche über
den gemeinsamen Überströmkanal und
die Einlassöffnung
in den Verbrennungsraum gelangt. Wegen der doppelten Zahl von komprimierenden
Kolben kann somit eine höhere
Verdichtung erzielt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind zur Erzielung einer höheren
Verdichtung zwei Kolbenraumgehäuse
sozusagen in Serienschaltung vorgesehen, wobei ein erstes Kolbenraumgehäuse als Kompressor
arbeitet und der Verbrennungsvorgang der vorkomprimierten Frischluft
in dem anderen Kolbenraumgehäuse
statt findet. Dies wird durch die Maßnahmen ermöglicht, dass jedes der beiden
Kolbenraumgehäuse
jeweils ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Trennventil sowie
zwei auf der gemeinsamem Antriebswelle angeordnete Kolbenräder mit
jeweils einem Kolben aufweist, dass die Trennventile und die Kolben
jeweils im Drehwinkel von etwa 20° bis
30° zueinander
angeordnet sind, dass in Bewegungsrichtung der Kolben nach dem Trennventil
des ersten Kolbenraumgehäuses
eine Ansaugöffnung
und vor dem Trennventil eine durch ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Überströmventil
verschließbare Überströmöffnung vorgesehen
ist, die in einen Überströmkanal führt, der
in eine Eintrittsöffnung
des zweiten Kolbenraumgehäuses
mündet,
die nach dem zweiten Trennventil angeordnet ist, und dass vor dem
zweiten Trennventil eine durch ein mit der Antriebswelle synchronisiertes
Auslassventil verschließbare
Auslassöffnung
angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele
werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im
Einzelnen:
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1:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenrades
mit drei Kolben;
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2:
eine schematische Darstellung eines torusförmigen Kolbenraumgehäuses mit
radial innenliegendem Ringspalt;
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3:
einen Schnitt S1 gemäß 6a eines Abschnitts
des Kolbenraumgehäuses
mit geschnittenem Trennventil;
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4:
eine geschnittene Darstellung eines Kolbenraumgehäuses einer
als Kompressor oder Pumpe verwendbaren erfindungsgemäßen Kolbenmaschine;
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5a–d: eine
alternative Ausführungsform einer
als Pumpe oder Kompressor verwendbaren Kolbenmaschine mit drei Kolben
in vier Phasen a – d;
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6a–g: geschnittenen
Darstellungen einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine in einer ersten
Ausführungsform
als Verbrennungsmotor in sieben verschiedenen Phasen a – g;
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7a–d: eine
Kolbenmaschine in einer zweiten Ausführungsform als Verbrennungsmotor,
in vier Phasen a – d;
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8:
eine schematische, dreidimensionale Darstellung einer Kolbenmaschine
in einer dritten Ausführungsform
als Verbrennungsmotor mit zwei torusförmigen Kolbenraumgehäusen;
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9a–c: drei
verschiedene geschnittene Darstellungen a – c des Verbrennungsmotors
von 8.
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In 1 erkennt
man ein scheibenförmiges Kolbenrad 4,
an dessen radial äußerem Rand
drei Kolben 2a, 2b, 2c befestigt sind.
In der Drehachse des Schreibenrades 4 ist eine Antriebswelle 3 angeordnet.
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In 2 erkennt
man ein torusförmiges
Kolbenraumgehäuse 1,
das auf seiner radial inneren Seite mit einem umlaufenden Ringspalt 16 versehen ist,
der zur Aufnahme des radial äußeren scheibenförmigen Bereiches
des Kolbenrades 4 bestimmt ist, so dass sich die Kolben 2 im
torusförmigen
Kolbenraum 17 des Kolbenraumgehäuses 1 kreisförmig bewegen
können.
In 3 ist eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenraumgehäuses 1 im
Schnitt S1 gemäß 6a gezeigt,
wobei die Antriebswelle 3 das Kolbenrad 4 und
ein Kolben 2 erkennbar sind. Des Weiteren ist ein Trennventil 10 dargestellt,
welches eine um eine Ventilwelle 19 drehbare Ventilscheibe 18 aufweist,
die mit einem Durchbruch 20 zum Durchgang des Kolbens 2 versehen
ist. Die Drehrichtung 21 der Ventilscheibe 18 ist
durch einen Pfeil angedeutet.
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In
der geschnittenen Darstellung von 4 erkennt
man wieder das Kolbenraumgehäuse 1 und das
darin angeordnete Kolbenrad 4, welches hier nur mit einem
einzigen Kolben 2 ausgestattet ist. Die Drehrichtung 22 des
Kolbenrades 4 um die Antriebswelle 3 ist durch
den Pfeil angedeutet. Das einzige Trennventil 10 dreht
sich um die Ventilachse 19 und befindet sich gerade in
einem geöffneten
Zustand, wobei der Kolben 2 ungehindert durch den nicht
gezeigten Durchbruch der Ventilscheibe 18 hindurchgeht.
In Drehrichtung 22 nach dem Trennventil 10 befindet
sich eine Ansaugöffnung 6 und
vor dem Trennventil 10 eine Auslassöffnung 9.
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Die
in 4 dargestellte Kolbenmaschine kann als Kompressor
für Gase
oder als Pumpe für
die Förderung
von Gasen oder Flüssigkeiten
verwendet werden. Nachfolgend wird als Beispiel die Funktion bei
der Kompression von Gasen beschrieben.
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Der
Kolben 3 überstreicht
in Drehrichtung 22 die Ansaugöffnung 6, wobei sich
das Trennventil 10 schließt, so dass zwischen dem Trennventil 10 und dem
Kolben 2 ein abgetrenntes Kolbenraumsegment entsteht. Bei
einer weiteren Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 vergrößert sich
das genannte Kolbenraumsegment, wobei durch die Ansaugöffnung 6 Gas
angesaugt wird. Wenn das Kolbenrad 4 fast eine ganze Umdrehung
vollendet hat, überstreicht
der Kolben 2 die Auslassöffnung 9. Die Auslassöffnung ist
mit einem nicht gezeigten Rückschlagventil
ausgestattet, so dass zwar Gas nach außen gedrückt werden kann, jedoch kein
Gas von außen
in den Kolbenraum 17 gelangen kann. Während der Kolben 2 die
Auslassöffnung 9 überstreicht, öffnet das
Trennventil 10 den Durchgang, so dass der Kolben 2 wieder
in die in 4 dargestellte Position gelangt.
Der gesamte Kolbenraum 17 ist jetzt mit angesaugtem Gas
gefüllt,
welches bei einer anschließenden
weiteren Drehbewegung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 vor
dem Kolben 2 hergeschoben wird. Da sich kurz nach dem Passieren
des Kolbens 2 das Trennventil 10 wieder schließt, schiebt
der Kolben 2 das Gas in dem in Drehrichtung 22 vor
ihm befindlichen Kolbenraumsegment durch die Auslassöffnung 9 aus
dem Kolbenraum 17 hinaus, während er gleichzeitig auf seiner
Rückseite
frisches Gas durch die Ansaugöffnung 6 ansaugt.
Das Gas kann somit durch den Kolben 2 in dem vor dem Kolben
befindlichen Segment des Kolbenraums 17 komprimiert und durch
die Auslassöffnung 9 nach
draußen
gefördert werden.
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In ähnlicher
Weise funktioniert die in den 5a – d dargestellte
Kolbenmaschine zur Komprimierung von Gas oder Förderung von Gas oder Flüssigkeit.
Der Unterschied zur 4 besteht darin, dass auf dem
Kolbenrad 4 jetzt drei Kolben 2a, 2b, 2c und
am Kolbenraumgehäuse 1 drei
Trennventile 10a, 10b, 10c angeordnet
sind. Die drei Trennventile 10a, 10b, 10c ermöglichen
die Unterteilung des Kolbenraums 17 in Kolbenraumsegmente 17a, 17b, 17c. Anhand
des Kolbens 2a wird nachfolgend die Arbeitsweise der Kolbenmaschine
gemäß 5 beschrieben, wobei die anderen beiden
Kolben 2b und 2c entsprechend dem Kolben 2a arbeiten,
was zu einer Verdreifachung der Förderleistung führt.
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In
der in 5a gezeigten Stellung sind alle Trennventile 10a, 10b, 10c geschlossen,
so dass die Kolbenraumsegmente 17a, 17b, 17c abgetrennt sind.
Bei einer Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 überstreicht
der Kolben 2a die Ansaugöffnung 6a und saugt
in der Folge gemäß der Darstellung
von 5b frisches Gas aus der Ansaugöffnung 6a an, bis
er die in 5c dargestellte Stellung über der
ersten Auslassöffnung 9a erreicht.
Da die Drehung der Trennventile 10a, 10b, 10c mittels
eines nicht gezeigtes Antriebes mit der Drehung der Antriebswelle 3 gekoppelt
und synchronisiert ist, öffnen die
drei Trennventile 10a, 10b, 10c in dem
Moment, in dem die drei Kolben 2a, 2b, 2c passieren
müssen. Dieser
Zustand ist in 5d dargestellt. Nach dem Passieren
der drei Kolben 2a, 2b, 2c erhält man einen
Betriebszustand entsprechend der Darstellung von 5a,
nur daß jetzt
an die Stelle des Kolbens 2a der Kolben 2c getreten
ist. Der Kolben 2a wird nun in der Folge im Kolbenraumsegment 17b einen
Ansaugvorgang aus der Ansaugöffnung 6b und
danach im Kolbensegment 17c einen Ansaugvorgang aus der
Ansaugöffnung 6c bewirken,
wobei alle drei Phasen bis zum vollem Umlauf des Kolbens 2a analog ablaufen.
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Nach
dem anhand der 5a–d zunächst die in Drehrichtung 22 hinter
dem jeweiligen Kolben 2a, 2b, 2c parallel
ablaufenden Ansaugvorgänge
betrachtet worden sind, sollen jetzt die in Drehrichtung 22 jeweils
vor den drei Kolben 2a, 2b, 2c ablaufenden
Kompressionsvorgänge
bzw. das Ausdrücken des
Gases durch die Auslassöffnungen 9a, 9b, 9c betrachtet
werden.
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Die
Ausgangssituation finden wir in 5a, wo
beispielsweise der Kolben 2b im Kolbenraumsegment 17a einen
Ansaugvorgang verrichtet hat. die Kolben 2a, 2b, 2c haben
die Trennventile 10a, 10b, 10c passiert
und die Trennventile 10a, 10b, 10c sind geschlossen.
Bei einer weiteren Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 schieben
sich die Kolben weiter entgegen dem Uhrzeigersinn, beispielsweise
der Kolben 2a im Kolbenraumsegment 17a auf die
Auslassöffnung 9a zu,
wobei das zuvor vom Kolben 2b in das Kolbenraumsegment 17a eingesaugte Frischgas
komprimiert und unter Druck durch die Auslassöffnung 9a hinausgeschoben
wird. Parallele und analoge Vorgänge
laufen in den Kolbenraumsegmenten 17b und 17c ab.
Dabei sind die Auslassöffnungen 9a, 9b, 9c mit
nicht gezeigten Rückschlagventilen
versehen, so dass das komprimierte Gas dort nur ausgestoßen werden
kann, nicht jedoch in das jeweilige Kolbenraumsegment 17a, 17b, 17c zurückströmen kann.
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In
den 6a bis 6g ist
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine
als Verbrennungsmotor näher
erläutert.
Auf einer Antriebswelle 3 sitzt wieder ein scheibenförmiges Kolbenrad 4 mit
drei Kolben 2a, 2b, 2c. Das Kolbenrad 4 bewegt
sich entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß Drehrichtung 22.
Am Kolbenraumgehäuse 1 sind
zwei Trennventile 10, 11 im Winkelabstand von etwa
120° zueinander
angeordnet. In Bewegungsrichtung der Kolben 2a, 2b, 2c befindet
sich vor dem Trennventil 11 eine Auslassöffnung 9 und
danach eine Ansaugöffnung 12.
Vor dem anderen Trennventil 10 befindet sich eine Überströmöffnung 13,
die über
einen gestrichelt angedeuteten Überströmkanal 14 mit
einer Einlassöffnung 26 verbunden
ist. Unmittelbar an der Einlassöffnung 26 ist
ein Überströmventil 5 angeordnet,
welches zum Öffnen
und Verschließen
der Einlassöffnung 26 bestimmt
ist. Das Überströmventil 5 besitzt
eine Ventilscheibe 25 mit einem Durchbruch 24.
Die Drehung der Ventilscheibe 25 ist mit der Drehung der
Antriebswelle 3 synchronisiert. Dasselbe gilt für die Drehung
der Ventilscheibe 18 der Trennventile 10, 11.
Das Überströmventil 5 unterscheidet
sich in Aufbau und Synchronisation grundsätzlich nicht von den Trennventilen 10, 11.
Unterschiede bestehen lediglich in der Form des Durchbruchs 20 bzw. 25 und
in der Anordnung der jeweiligen Ventile. Im Bereich der Einlassöffnung 26 ist
ein Verbrennungsraum 15 vorgesehen, der radial außerhalb
des Kolbenraums 17 angeordnet ist. Am Verbrennungsraum 15 ist
außerdem
eine Zündkerze 7 und
eine Einspritzdüse 8 zum
Einspritzen von Kraftstoff angeordnet.
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Anhand
des Kolbens 2a wird anschließend die Funktion des Verbrennungsmotors
näher erläutert. Die
anderen beiden Kolben 2b, 2c führen analoge Vorgänge aus.
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In
der Situation von 6a befindet sich im Verbrennungsraum 15 und
in dem oberen Raumabschnitt zwischen dem Kolben 2a und
dem ersten Trennventil 10 komprimierte Frischluft. Das Überströmventil 5 ist
geschlossen. Auch die beiden Trennventile 10 und 11 sind
geschlossen. Durch die Einspritzdüse 8 wird Kraftstoff
eingespritzt, der mittels der Zündkerze 7 gezündet wird.
Dadurch dehnt sich das brennende, komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch
stark aus und treibt den Kolben 2a nach links, wobei das
Kolbenrad 4 eine Drehbewegung 22 entgegen dem
Uhrzeigersinn ausführt.
In 6b hat der Kolben 2a die Auslassöffnung 9 erreicht,
die nunmehr frei gegeben wird, so dass das verbrannte Abgas teilweise
schon durch die Auslassöffnung 9 entweicht.
Im weiteren Verlauf werden die beiden Trennventile 10, 11 geöffnet, so
dass die beiden Kolben 2a, 2c passieren können. Danach
werden die Trennventile 10, 11 wieder geschlossen,
wobei die in 6c dargestellte Situation entsteht.
Der Kolben 2a wird nun auf seinem weiteren Weg die Ansaugöffnung 12 freigeben
und aus der Ansaugöffnung 12 Frischluft ansaugen.
Diese Situation ist in 6d dargestellt. In 6e hat
der Kolben 2a die Überströmöffnung 13 erreicht.
Jetzt werden wieder die beiden Trennventile 10, 11 geöffnet, so
dass die Kolben 2a, 2b passieren können. In
der in 6 dargestellten Position des Kolbens 2a ist
das Trennventil 10 bereits wieder geschlossen, während das
Trennventil 11 noch geöffnet ist.
Bei der in 6g dargestellten Situation hat
der Kolben 2a den Brennraum 15 passiert. In diesem
Moment öffnet
das Überströmventil 5,
so dass komprimierte Frischluft aus dem Überströmkanal 14 in den Brennraum 15 gelangt,
wo es wiederum zum Einspritzen von Kraftstoff und zur Zündung kommt.
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Bisher
wurden nur die Vorgänge
besprochen, die sich in Drehrichtung 22 hinter dem Kolben 2a abspielten.
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Betrachten
wir jetzt die Vorgänge
vor dem Kolben 2a. Beginnend mit 6a befindet
sich im Kolbenraum 17 vor dem Kolben 2a Abgas,
welches durch Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beim vorherigen Durchgang
des Kolbens 2b entstanden ist. Bei weiterer Bewegung des
Kolbens 2a im Rahmen der Drehung des Kolbenrades 4 in
Drehrichtung 22 schiebt der Kolben 2a das Abgas
aus der Auslassöffnung 9 vollständig aus,
bis er etwa die in 6b dargestellte Stellung erreicht.
Jetzt öffnet
sich das Trennventil 11, so dass der Kolben 2a hindurchgehen
kann. In der in 6c gezeigten Situation hat der
Kolben 2a die Ansaugöffnung 12 passiert,
wodurch zwischen dem Kolben 2a und dem Kolben 2b ein
Raum mit Frischluft abgeteilt wird, die vorher der Kolben 2b durch
die Ansaugöffnung 12 angesaugt hat.
Bei der in 6d gezeigten Situation hat sich das
Trennventil 10 geöffnet,
so dass der Kolben 2b passieren kann. Ergibt dabei gleichzeitig
die Überströmöffnung 13 frei.
Im weiteren Verlauf wird sich das Trennventil 10 schließen, so
dass die zwischen dem Trennventil 10 und dem Kolben 2a befindliche Frischluft
durch die weitere Bewegung des Kolbens 2a komprimiert wird,
bis der Kolben 2a die in 6e gezeigte
Stellung erreicht, in der er die Überströmöffnung 13 abdeckt
und verschließt.
Die komprimierte Luft wird dabei kurzfristig im Überströmkanal 14 aufbewahrt.
Die Überströmöffnung 13 ist
mit einem nichtgezeigten Ventil versehen, das ein Rückströmen der
komprimierten Frischluft in den Kolbenraum 17 verhindert.
Insbesondere in der Situation von 6f, in
der der Kolben 2a das Trennventil 10 passiert
hat, welches sich danach geschlossen hat, kann die komprimierte
Luft aus dem Überströmkanal 14 durch
die Überströmöffnung 13 nicht
zurückströmen.
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In 6g haben
wir jetzt wieder die Situation, in der das Überströmventil 5 öffnet, so
dass auf der Rückseite
vom Kolben 2a ein erneuter Verbrennungsvorgang und auf
seiner Vorderseite wieder ein Ausschieben der Abgase erfolgt.
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Eine
zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine
als Verbrennungsmotor ist in den 7a–d dargestellt.
Hier haben wir ebenfalls ein auf einer Antriebswelle 3 angeordnetes Kolbenrad 4 mit drei
in gleichmäßigen Winkelabständen von
120° angeordneten
Kolben 2a, 2b, 2c. Am Kolbenraumgehäuse 1 sind
drei Trennventile 10a, 10b, 10c angeordnet.
Des Weiteren ist das Kolbenraumgehäuse 1 mit drei Überströmventilen 5a, 5b, 5c versehen,
die jeweils eine Ventilscheibe 25 aufweisen. Die Ventilscheiben 25 drehen
sich entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehrichtung 21 und
sind mit der Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 synchronisiert.
Auch die Ventilscheiben 18 der Trennventile 10a, 10b, 10c sind
mit der Drehung des Kolbenrades 4 synchronisiert. In Bewegungsrichtung der
Kolben 2a, 2b, 2c gemäß Drehung 22 des Kolbenrades 4 befindet
sich vor dem ersten Trennventil 10a eine Auslassöffnung 9 nach
dem ersten Trennventil 10a eine Ansaugöffnung 12a, vor dem
zweiten Trennventil 10b eine Überströmöffnung 13a, nach dem
zweiten Trennventil 10b eine Ansaugöffnung 12b, vor dem
dritten Trennventil 10c eine Überströmöffnung 13c und nach
dem dritten Trennventil 10c eine Einlassöffnung 26.
Die Einlassöffnung 26 ist über einen
modifizierten Überströmkanal 23 sowohl mit
der Überströmöffnung 13a als
auch mit der Überströmöffnung 13c verbunden.
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In
Bewegungsrichtung des Kolbens 2a befindet sich vor diesem
verbranntes Abgas im Kolbenraum 17, welches bei der weiteren
Drehung des Kolbenrades 4 entsprechend der Drehrichtung 22 aus der
Auslassöffnung 9 ausgeblasen
wird. Vor dem Kolben 2a befindet sich komprimierte Frischluft,
die bei der in 7a dargestellten Situation aus
dem Überströmkanal 23 gerade
in das Kolbenraumsegment zwischen dem Trennventil 10c und
dem Kolben 2a einströmt,
weil das Überströmventil 5c gerade
geöffnet
ist, denn der Durchbruch 24c der Ventilscheibe 25 deckt
sich gerade mit der Einlassöffnung 26. Nachdem
das Überströmventil 5c geschlossen
wurde, wird über
eine nicht gezeigte Einspritzdüse
Kraftstoff in den Raum zwischen dem dritten Trennventil 10c und
dem Kolben 2a gespritzt und anschließend mittels einer nicht gezeigten
Zündkerze
gezündet,
so dass der Kolben 2a in Richtung auf das erste Trennventil 10a getrieben
wird. Dabei saugen die beiden Kolben 2b und 2c auf
ihrer Rückseite
durch die beiden Ansaugöffnungen 12a und 12b Frischluft
an. Gleichzeitig verdichten die Kolben 2b und 2c auf
ihrer Vorderseite die während
der vorangegangenen 120°-Drehung
des Kolbenrades 4 durch die Kolben 2c bzw. 2a angesaugte
Frischluft. Während
der Kompression der Frischluft durch die Kolben 2b und 2c werden
die beiden Überströmventile 5a und 5b geöffnet, indem
die länglichen
Durchbrüche 24a und 24b in
Deckung mit den jeweiligen Überströmöffnungen 13a und 13c gebracht
werden. Die Kompression dauert an bis zu der in 7b gezeigten
Situation, in der die Kolben 2b und 2c die jeweiligen Überströmöffnungen 13a und 13c überdecken
und die in den Überströmkanal 22 gelangte
komprimierte Luft dort eingeschlossen wird, indem die Überströmventile 5a und 5b wieder
schließen.
Anschließend öffnen alle drei
Trennventile 10a, 10b, 10c, damit die
jeweiligen Kolben 2a, 2b, 2c passieren
können.
Diese Situation ist in 7c gezeigt.
Nach dem Passieren der Kolben 2a, 2b, 2c werden
die Trennventile 10a, 10b, 10c wieder
geschlossen, wie man in 7d erkennt.
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Jetzt
beginnen die Vorgänge
des Ausstoßens
verbrannten Abgases aus dem Kolbenraum 17 durch die Auslassöffnung 9,
das Einlassen von komprimierter Frischluft aus dem Überströmkanal 23 über das
sich öffnende Überströmventil 5c durch
die Einlassöffnung 26 in
den Brennraum und der anschließende
Verbrennungsvorgang erneut, nur dass jetzt der Kolben 2c an
diesen Vorgängen
beteiligt ist. Analog gilt für
die Vorgänge
des Ansaugens von Frischluft durch die Ansaugöffnungen 12a und 12b und
für das
Komprimieren der zuvor eingesaugten Frischluft analog dasselbe,
wie weiter oben beschrieben, nur dass jetzt die Kolben 2a und 2b daran
beteiligt sind.
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Die
zweite Ausführungsform
des Verbrennungsmotors gemäß 7a –d hat gegenüber der ersten
Ausführungsform
den Vorteil, dass stets zwei Kolben am Kompressionsvorgang beteiligt
sind, wodurch sich eine höhere
Kompression der angesaugten Frischluft vor dem Einspritzen und Zünden des Kraftstoffes
erreichen lässt.
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In
einer dritten Ausführungsform
gemäß 8 sind
zwei Kolbenraumgehäuse 1a, 1b vorgesehen,
in denen jeweils ein Trennventil 10a, 10b angeordnet
ist. Die beiden torusförmigen
Kolbenraumgehäuse 1a, 1b sind
auf derselben Achse einer Antriebswelle 3 im axialen Abstand
zueinander angeordnet. Die Antriebswelle 3 ist der Übersichtlichkeit halber
in 8 nicht eingezeichnet. Zwischen den beiden Kolbenraumgehäusen 1a und 1b ist
ein Überströmkanal 27 angeordnet.
Wie man in den 9a–c erkennt, ist am Kolbenraumgehäuse 1a ein
Kolbenrad 4a und am Kolbenraumgehäuse 1b ein Kolbenrad 4b jeweils
auf einer gemeinsamen Antriebswelle 3 angeordnet. Die Kolbenräder 4a, 4b drehen
sich in Drehrichtung 22 entgegen dem Uhrzeigersinn. Wie man
am besten 9c erkennt, sind sowohl die
beiden Trennventile 10a, 10b als auch die beiden
Kolben 2a, 2b in Drehrichtung 22 jeweils
in einem Winkel von ca. 25° zueinander
angeordnet. Am Kolbenraumgehäuse 1a ist
außerdem
ein Überströmventil 5a und am
Kolbenraumgehäuse 1b ein Überströmventil 5b angeordnet.
Außerdem
besitzt das Kolbenraumgehäuse 1a eine
Ansaugöffnung 6,
während
das Kolbenraumgehäuse 1b mit
einer Auslassöffnung 9 versehen
ist.
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Das
Kolbenraumgehäuse 1a dient
als Kompressor für
angesaugte Frischluft. Bei einer Drehung in Drehrichtung 22 und
geschlossenem Trennventil 10a saugt der Kolben 2a bei
seiner Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn auf seiner in Bewegungsrichtung
hinten liegenden Rückseite
Frischluft durch die Ansaugöffnung 6 an
und komprimiert gleichzeitig auf seiner Vorderseite die zuvor angesaugte
Frischluft, um sie in den Überströmkanal 27 zu
pressen. Für
diesen Zweck gibt das Überströmventil 5a den
Weg zum Überströmkanal 27 frei.
Anschließend
schließt
das Überströmventil 5a und
das Trennventil 10a wird geöffnet, damit der Kolben 2a den Überströmkanal 27, das
Trennventil 10a und die Ansaugöffnung 6 passieren
kann. Danach wird das Trennventil 10a wieder geschlossen
und der Ansaug- bzw. Kompressionsvorgang im Kolbenraumgehäuse 1a beginnt
erneut.
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Wie
man in 9b erkennt, spielt sich im Kolbenraumgehäuse 1b der
Arbeitstakt und Auspufftakt des Verbrennungsmotors gleichzeitig
ab. Bei der in der 9b gezeigten Situation ist das
Trennventil 10b geschlossen. Das Überströmventil 5b wird kurz geöffnet, um
komprimierte Frischluft aus dem Überströmkanal 27 in
den kleinen Verbrennungsraum zwischen der in Bewegungsrichtung 22 hinten
liegenden Rückseite
des Kolbens 2b und dem Trennventil 10b einströmen zu lassen.
Jetzt wird durch eine nicht gezeigte Einspritzdüse Kraftstoff eingespritzt
und mittels einer nichtgezeigten Zündkerze gezündet, wodurch der Kolben 2b entgegen
dem Uhrzeigersinn angetrieben wird. Dabei entspannt sich das verbrennende
Kraftstoff-Luft-Gemisch und leistet am Kolben 2b Arbeit,
die auf die Antriebswelle 3 übertragen wird. Gleichzeitig
schiebt der Kolben 2b auf seiner Vorderseite das verbrannte
Abgas aus der vorangegangenen Umdrehung durch die Auslassöffnung 9 hinaus. Während einer
kurzen Öffnungsphase
des Trennventils 10b kann der Kolben 2b die Auslassöffnung 9, das
Trennventil 10b und den Überströmkanal 27 passieren.
Danach läuft
der Arbeitstakt auf der Rückseite des
Kolbens 2b und der Auspufftakt auf seiner Vorderseite erneut
ab.
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In 9c kann
man das Zusammenwirken der beiden Kolben 2a und 2b sowie
der beiden Trennventile 10a, 10b und des dazwischen
liegenden Überströmkanals 27 mit
den beiden Überströmventilen 5a und 5b erkennen.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenmaschine
hat insbesondere in der Bauform als Verbrennungsmaschine gegenüber den üblichen
Hubkolbenmotoren den Vorteil, dass die in den heißen Verbrennungsgasen
steckende Energie weit effektiver in mechanische Arbeit umgewandelt
werden kann, denn die Gase lassen sich im erfindungsgemäßen Motor
weiter entspannen als beim Hubkolbenmotor. Der größtmögliche Hubweg
der Kolbenmaschine ist nämlich begrenzt
auf etwa den 1,5-fachen Kolbendurchmesser, weil ansonsten das seitlich
ausschlagende Pleuel mit der Führung
des Kolbens, also der Zylinderwand in Konflikt käme. Beim umlaufenden Kolben
der vorliegenden Erfindung hingegen kann der Kolben je nach vorliegender
Ausführungsform
sehr viel weitere Strecken beim Expansionsvorgang zurücklegen.
Bei der Ausführungsform
mit nur einem Trennventil kann sich der Kolben um mehr als 300° bewegen,
was etwa dem 15-fachen des Kolbendurchmessers entspricht. Dabei
können
sich die Verbrennungsgase etwa 10 mal so weit ausdehnen wie bei
der Hubkolbenmaschine. Die dabei geleistete Arbeit wird bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine
zusätzlich
auf den Kolben und die Antriebswelle übertragen, statt nutzlos im
Auspuff zu verschwinden.
-
- 1
- Kolbenraumgehäuse
- 2
- Kolben
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Kolbenrad
- 5
- Überströmventil
- 6
- Ansaugöffnung
- 7
- Zündkerze
- 8
- Einspritzdüse
- 9
- Auslassöffnung
- 10
- Trennventil
- 11
- Trennventil
- 12
- Ansaugöffnung
- 13
- Überströmöffnung
- 14
- Überströmkanal
- 15
- Verbrennungsraum
- 16
- Ringspalt
- 17
- Kolbenraum
- 18
- Ventilscheibe
- 19
- Ventilwelle
- 20
- Durchbruch
- 21
- Drehrichtung
- 22
- Drehrichtung
- 23
- Überströmkanal
- 24
- Durchbruch
- 25
- Ventilscheibe
- 26
- Einlassöffnung
- 27
- Überströmkanal