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Erfindungsfeld
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren und insbesondere orbitale, nicht-reziprozierende Verbrennungsmotoren.
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Stand der Technik
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Der Ottomotor ist ein reziprozierender Verbrennungsmotor. Viele der wichtigen, Arbeit leistenden Komponenten des Ottomotors reziprozieren, d.h. sie bewegen sich in einer ersten Richtung, stoppen und bewegen sich dann in einer zweiten entgegengesetzten Richtung, um den Zyklus abzuschließen. In dem Ottomotor vollzieht die Kolbenanordnung vier Richtungsänderungen, um einen einzelnen Krafthub zu bewerkstelligen. Die Kolbenanordnungen (d.h. Kolben, Ringe, Kolbenbolzen und Verbindungsstangen) bewegen sich nach oben in ihre entsprechenden Zylinder mit einer sich ändernden Geschwindigkeitsrate zu dem oberen Totpunkt (d.h. zu dem Ende des Hubs), wo sie stoppen und dann im Zylinder nach unten zu dem unteren Ende des Hubs zurückkehren. Die Verbindungsstange, die sich mit dem Kolben bewegt, an dem Kolbenbolzen gelagert ist und an der Kurbelwelle kreist, sieht eine sich ändernde Winkelkraft vor, die eine seitliche Ladung des Kolbens gegen die Zylinderwand zur Folge hat. Dadurch werden Reibungsverluste verursacht. Weil sich die Kolbenkomponenten während ihrer Bewegungen beschleunigen und verlangsamen, benötigt der reziprozierende Verbrennungsmotor eine Schwungscheibe, um diese Energiestöße abzumildern, wobei dies jedoch eine unvollkommene Lösung darstellt und Energie verbrauchende Effekte verbleiben.
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Der Ottomotor verwendet auch die Kolben/Zylinder-Beziehung, um Luft in den Zylinder (durch reziprozierende Ventile) zur Unterstützung einer Verbrennung zu pumpen und dann Abgase durch reziprozierende Ventile aus dem Zylinder zu pumpen. Es wird eine beträchtliche Menge der Motorleistung für die Pumpbetätigung aufgewendet, wobei zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erforderlich sind, um einen Krafthub zu bewerkstelligen.
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Weiterer relevanter Stand der Technik ist in der
US 7 721 687 B1 offenbart.
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Zusammenfassung
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Zur Lösung des vorbezeichneten Problems schlägt die vorliegende Erfindung einen orbitalen Motor mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
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Gemäß einem nebengeordneten Aspekt wird ein orbitaler Motor mit den Merkmalen von Anspruch 18 vorgeschlagen. Gemäß einem weiteren nebengeordneten Aspekt wird ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 19 vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Der Motoraufbau der vorliegenden Erfindung, der als CIRCLE CYCLE™-Motor (oder nachfolgend einfach als „CC-Motor“) bezeichnet wird, ändert einige der grundlegenden mechanischen Prinzipien des Ottomotors. Anstelle einer reziprozierenden Bewegung verwendet der CC-Motoraufbau eine nicht-reziprozierende orbitale Bewegung von Kolben und Zylindern. Der CC-Motor enthält also keinen Motorblock, keine Kurbelwelle oder damit assoziierte Verbindungsstangen, keine separate Schwungscheibe, keine Ein- oder Auslassventile, keine Wasserpumpe und keine diese unterstützenden Einrichtungen.
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Statt dessen sind die Kolben und Zylinder des CC-Motors jeweils an ihren eigenen Träger- oder Antriebsrädern angebracht. Indem die Beziehung und die Position des Kolbenantriebsrads relativ zu der Position des Zylinderantriebsrads angeordnet und aufrechterhalten werden, kann eine Überlappung der Kolben-/Zylinderpfade erzielt werden. Diese Vereinigung der Kolben- und Zylinderpfade stellt den „Hub“ des CC-Motors dar. Das Kolbenrad und das Zylinderrad drehen sich in entgegengesetzten Richtungen um ihre entsprechenden (parallelen) Achsen, wobei die dadurch getragenen einzelnen Kolben und Zylinder in einer orbitalen Bewegung getragen werden und um die Radachsen kreisen, aber gleichzeitig eine Gegendrehung um ihre entsprechenden eigenen Achsen vollziehen, um immer in Position für ein Ineinandereingreifen zu bleiben. Das heißt, dass entsprechende Sätze von Kolben und damit zusammenwirkenden Zylindern eine gemeinsame Längsachse unabhängig von der entsprechenden Positionierung an den entsprechenden Rädern verwenden.
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Eine Arbeitseinheit, die ein aus einem Kolben und einem entsprechenden Zylinder bestehender Satz ist, bleibt immer über eine 360-Grad-Drehung des Kolbenrads und des Zylinderrads ausgerichtet. Einfach gesagt, zeigt ein Kolben immer zu seinem assoziierten Zylinder in dem Satz oder der Einheit und zeigt ein Zylinder immer zu seinem assoziierten Kolben. Es gibt also keine Winkelkräfte, die den Kolben gegen die Zylinderwände drücken und eine Reibung verursachen. Dies stellt einen Unterschied zu radialen Kolben/Zylinder-Anordnungssystemen dar, wo die Axialausrichtung transitorisch und lokal ist. In dem CC-Motor ermöglicht die oben genannte Längsausrichtung, bei welcher der Zylinder/Kolben-Winkel nicht größer als ungefähr 0 Grad ist, dass Verdichtungs- und Verbrennungskräfte direkt in einer Linie mit Kolben/Zylinder-Mittenlinien wirken, was weiter unten ausführlicher erläutert wird.
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Die Kolben und Zylinder der vorliegenden Erfindung sind immer gleich für ein Ineinandereingreifen entlang einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet, sodass eine seitliche Ladung vermieden wird. In einigen Ausführungsformen werden die Kolben und Zylinder des CC-Motors durch Zahnräder ausgerichtet gehalten, um sie an den gewünschten relativen Positionen zu halten. In anderen Ausführungsformen können Ritzel und Zahnriemen verwendet werden.
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Im Gegensatz zu dem Ottomotor, dessen maximaler Hebelarm (Drehmoment) in der Mitte des Krafthubs des Kolbens erzielt wird, erhöht der CC-Motor seinen Hebelarm über die gesamte Distanz des Krafthubs. Der Hebelarm des CC-Motors ist 250% größer als der Hebelarm des Ottomotors; der Hub ist 166% länger (in Abhängigkeit von der gewöhnlichen Zylinderbohrung), wobei jeder Zylinder einen Krafthub mit jeder und nicht jeder zweiten Drehung des Motors vollendet, sodass der CC-Motor eine höhere Pferdestärke bei niedrigen Drehzahlen erzielt, was mäßigere Motorgeschwindigkeiten, mehr Arbeit und weniger Verschleiß während des Motorbetriebs bedeutet. Diese mechanischen Vorteile tragen wesentlich zu einer Kraftstoffeffizienz bei.
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Die Zylinder- und Kolbenträgeranordnungen wirken als miteinander verbundene Schwungscheiben. Alle Motorkomponenten mit einer Masse drehen sich/kreisen um die Drehachsen der Räder und sind immer ausgeglichen. Weil die Kolben und Zylinder kreisen und ihre Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit nicht ändern (außer in Bezug auf die Motorgeschwindigkeit), wird die in reziprozierenden Ottomotoren verloren gehende Energie in dem CC-Motor erhalten.
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Der CC-Motor kann in einigen Ausführungsformen durch einen flüssigen, verbrennbaren Kraftstoff wie etwa Benzin, Diesel, Biodiesel usw. betrieben werden. In anderen Ausführungsformen kann der CC-Motor mit gasförmigen, verbrennbaren Fluiden wie etwa Erdgas, Propan usw. betrieben werden. Wie weiter unten beschrieben, sind in einigen Ausführungsformen keine Einlass- oder Auslassventile erforderlich, was eine größere Motoreffizienz und einen einfacheren Aufbau ermöglicht.
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Wie weiter unten mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, weist der CC-Motor ein geringes Gewicht und einen einfachen Aufbau auf und kann kostengünstig hergestellt werden, sodass er ideal für die Verwendung als ein elektrischer Generator oder eine Leistungsübertragungseinrichtung geeignet ist. In einigen Ausführungsformen sind Permanentmagneten mit einer hohen Stärke an oder in Verbindung mit den Kolben-/Zylinderträgerrädern ohne einen direkten elektrischen Kontakt zwischen denselben angeordnet und bilden einen Kern für den elektrischen Generator. Strom wird dann durch stationäre Ständerspulen entwickelt, die an dem Rahmen oder Gehäuse des CC-Motors angebracht sind und durch eine Festkörper-Leistungsverwaltungselektronik gesteuert werden. Ein einzelner CC-Motor/Generator kann also den elektrischen Bedarf eines Hauses, eines Fahrzeugs, einer Brunnenpumpe, eines Schiffs oder eines anderen elektrisch betriebenen Geräts erfüllen.
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Bei einem CC-Motor sind die Reibung, der Pumpebedarf, der Kühlbedarf und auch Vibrationsverluste wesentlich niedriger (z.B. um bis zu 50%) als bei derzeit bekannten Aufbauten. Dazu kommen die Verbrennungseffizienz, das geringere Gewicht und die durch den einfachen Aufbau und die kostengünstigen Materialien reduzierten Herstellungskosten im Vergleich zu den derzeit bekannten Ottomotoren. Der CC-Motor trägt also wesentlich zu einer Modernisierung von Motoren bei.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Zylinder-Antriebsradanordnung und einer Kolben-Antriebsradanordnung eines Motors in einer Vier-Zylinder-Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die zwei Bänke mit zwei Zylinder-/Kolbensätzen umfasst.
- 2A-2D sind mehrere aufeinanderfolgende schematische Seitenansichten des Motors, wobei sich der Kolben und der Zylinder in ihren durch die entsprechenden Trägerräder definierten Bewegungspfaden einander nähern, ineinander eingreifen und sich voneinander entfernen.
- 3 ist eine Teilexplosionsansicht des Motors von 1, wobei ein seitliches Gehäuse und die damit assoziierten Komponenten entfernt sind.
- 4 ist eine perspektivische Querschnittansicht des Motors und zeigt die Kolben-Antriebsradanordnung in einem Schnitt entlang der Linie 4-4 von 13.
- 5 ist eine Querschnittansicht des Motors in einem Schnitt durch die Achse der Zylinderradanordnung entlang der Linie 5-5 von 13.
- 6 ist eine perspektivische Querschnittansicht einer Hälfte der Zylinder-Antriebsradanordnung.
- 7 ist eine perspektivische Querschnittansicht einer Hälfte der Kolben-Antriebsradanordnung.
- 8A ist eine seitliche Querschnittansicht eines oberen Teils eines Zylinders des Motors.
- 8B ist eine vergrößerte Ansicht des Zylinders von 8A und zeigt einen schwimmenden Kartuschensatz.
- 8C ist eine Draufsicht auf den Zylinder von 8A.
- 9 ist eine perspektivische Querschnittansicht des Zylinders und zeigt ein Schmieröl-Zuführrohr, ein Schmieröl-Sperrventil und den schwimmenden Kartuschensatz.
- 10 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Zylinders und zeigt die Komponenten des schwimmenden Kartuschensatzes.
- 11 ist eine Querschnittansicht des Motors und zeigt den Betrieb der Gebläseanordnung und des Abgassystems.
- 12 ist eine Teilexplosionsansicht des Motors.
- 13 ist eine perspektivische Ansicht des zusammengebauten Motors.
- 14 ist eine perspektivische Ansicht einer Zylinder-Antriebsradanordnung und einer Kolben-Antriebsradanordnung eines Motors in einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, die Zahnriemen anstelle von mechanischen Zahnrädern verwendet.
- 15 ist eine perspektivische Ansicht der Zylinder-Antriebsradanordnung und der Kolben-Antriebsradanordnung des Motors von 14 und zeigt den Kolbenanordnungsriemen und den Zylinderanordnungssriemen.
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Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 werden im Folgenden eine Kolben-Antriebsradanordnung 18 und eine Zylinder-Antriebsradanordnung 14 für einen mit einem verbrennbaren Fluid betriebenen orbitalen Motor 10 beschrieben. Eine Ansicht des Motors 10 im vollständig zusammengebauten Zustand ist in 13 gezeigt. Die Zylinder-Antriebsradanordnung 14 umfasst zwei im Wesentlichen spiegelbildliche Sätze von zwei Zylindern 28, und die Kolben-Antriebsradanordnung 18 umfasst zwei entsprechende im Wesentlichen spiegelbildliche Sätze von zwei Kolben 36.
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Die Kolben 36 umfassen jeweils einen Kolbenkopf 40, der mit einer Kolbenwelle 114 gekoppelt ist, und einen Kolbenkörper 38. Die Zylinder 28 umfassen jeweils einen Zylinderkopf 30, der mit einer Zylinderwelle 74 gekoppelt ist, und eine Zylinderhülse 32, die konfiguriert ist, um einen Kolben 36 aufzunehmen. Die Kolben 36 sind derart angeordnet, dass sie sich stets in einer gegenüberliegenden Beziehung auf einer gemeinsamen Längsachse mit einem entsprechenden Zylinder 28 befinden. Wie in 2A-2D gezeigt, sind die Zylinder 28 und die Kolben 36 für eine Orbitalbewegung entlang von einander kreuzenden Gegenpfaden 52 und 54 konfiguriert, die jeweils durch entsprechende Zylinder- und Kolbenträger oder Antriebszahnräder 24 und 20 definiert werden (siehe 1). Die Trägerräder 24 und 20 sind am besten in 1 zu erkennen und können betrieben werden, um die entsprechenden Zylinder 28 und Kolben 36 in einer Kreisbewegung entlang der in 2A-2D gezeigten Pfade 52 und 54 zu drehen. Die Trägerräder 20 und 24 sind derart miteinander verzahnt, sodass sie sich in entgegengesetzten Richtungen drehen. Wie in 5 und 6 gezeigt, sind die zwei Trägerräder 24 der Zylinder-Antriebsradanordnung 14 miteinander über eine Zylinder-Trägerrad-Antriebsverbindung (Welle) 62 gekoppelt. Kugellager 164 (siehe 5) sind vorgesehen, damit sich die zwei Trägerräder 24 um die Antriebsverbindung 62 drehen können. Entsprechend sind die zwei Trägerräder 20 der Kolben-Antriebsradanordnung 18 wie in 7 gezeigt miteinander über eine Kolben-Trägerrad-Antriebsverbindung (Welle) 98 gekoppelt.
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Weil die Zylinder 28 und die Kolben 36 auf einer in 2A-2D gezeigten gemeinsamen Längsachse A-A bleiben sollen, müssen sie um ihre Querachsen gedreht werden (d.h. gegen die Kreisrichtung der Bewegung gedreht werden, um in ihrem entsprechenden Kolben/Zylinder über 360 Grad der Bewegung ausgerichtet zu bleiben, wenn sie kreisförmig durch die Räder 20, 24 getragen werden). Das Verhältnis der Gegendrehung der Zylinder 28 und der Kolben 36 relativ zu der Kreisbewegung der entsprechenden Trägerräder 24 und 20 ist alles, was nötig ist, um die Axialausrichtung der gemeinsamen Längsachse A-A aufrechtzuerhalten, und liegt in den meisten Ausführungsformen bei 1:1.
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Die grundlegende Bewegung jedes der Kolben 36 und der Zylinder 28 des Motors 10 ist schematisch in 2A-2D gezeigt. Wie gezeigt, trägt das Kolbenträgerrad 20 den Kolben 36, der sich im Uhrzeigersinn auf dem Kreispfad 54 um die Welle 98 dreht. Das Zylinder-Trägerrad 24, das den Zylinder 28 trägt, ist hier derart gezeigt, dass es sich gegen den Uhrzeigersinn auf dem Kreispfad 52 um die Welle 62 dreht, die parallel zu der Welle 98 ist. Der Pfad 52 kreuzt den Pfad 54 wie gezeigt. Der Kolben 36 und der Zylinder 28 sind miteinander ausgerichtet, während sie sich einander nähern und während sie sich voneinander entfernen.
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Wie in 1 gezeigt, ist ein Getriebeaufbau vorgesehen, um die Zylinder 28 und die Kolben 36 gegen ihre Kreisbewegung entlang der Pfade 52 und 54 zu drehen, wodurch die Beziehung der gemeinsamen Längsachse A-A trotz der Kreispfade der Räder 20 und 24 aufrechterhalten wird. Die Zylinder 28 und die Kolben 36 werden also kreisförmig auf ihren entsprechenden Trägerrädern 24 und 20 um die Wellen 62 und 98 getragen, wobei der Getriebeaufbau derart wirkt, dass die Zylinder- und Kolbenglieder um ihre entsprechenden durch die entsprechenden Wellen 74 und 114 definierten Achsen gedreht werden, während sie kreisförmig getragen werden. Die Bewegung der Zylinder 28 und der Kolben 36 ist kreisförmig jeweils mit den Rädern 24 und 20, wobei sie sich jedoch gleichzeitig auch um ihre entsprechenden Achsen an den Wellen 74 und 114 drehen, sodass die Bewegung auch orbital ist.
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Um die oben genannte Dreh- und Orbitalbewegung zu erzielen, sind die Wellen 74 und 114 jedes der Zylinder 28 und der Kolben 36 jeweils mit einem entsprechenden Planetengetriebe 96 und 58 gekoppelt, das durch die Trägerräder 24 und 20 getragen wird, die wiederum mit entsprechenden fixen mittleren oder gemeinsamen Zahnrädern 70 und 106 über Laufzahnräder 116 und 117 gekoppelt sind. Der Getriebeaufbau wird derart betrieben, dass er die Zylinder 28 und die Kolben 36 in einem 1:1-Verhältnis zu der Drehung der entsprechenden Trägerräder 24 und 20 gegendreht.
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Wie weiter unten ausführlicher erläutert, wird ein verbrennbares Fluid zu jedem der Zylinder 28 für eine Verbrennung zugeführt, die mit dem periodischen Ineinandereingreifen der Zylinder und Kolben 36 zusammenfällt. Ein Zünder für das verbrennbare Fluid einschließlich einer Zündkerze 128 ist operativ mit jedem der Kolben 36 assoziiert. Während des Betriebs drehen sich die Trägerräder 20 und 24 unter dem explosiven Impetus der Zündung zwischen einem Zylinder/Kolben-Paar, um das andere Zylinder/Kolben-Paar zusammenzubringen usw. in einem Kreiszyklus („Circle Cycle“). Der Motor 10 ist für einen Dieselbetrieb mit einer höheren Verdichtung und einem höheren Einspritzdruck sowie für einen Betrieb mit Dampf, einem komprimierten Gas oder einer anderen Fluidenergiequelle geeignet.
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3 ist eine Teilexplosionsansicht des Motors 10. Wie gezeigt umfasst der Motor 10 zwei spiegelbildliche Seitengehäuse 166, die jeweils verwendet werden, um einen Satz von Kolben/Zylinder-Paaren zu bedecken. Der Motor 10 umfasst weiterhin ein Ölgehäuse, das um die Trägerräder 20 und 24 herum ausgebildet ist und eine Basis 244, Seitenplatten 232 (siehe 4) und eine Abdeckung 240 umfasst. Wie am besten in 4 und 5 gezeigt, umfasst der Motor 10 weiterhin ein Paar von seitlichen Gehäuseblechen 168, die zusammen mit den Seitenplatten 232 des Ölgehäuses und den Seitengehäusen 166 eine Atmosphärensteuerkammer 162 für jeden Satz von Kolben/Zylinder-Paaren bilden.
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Insbesondere erstrecken sich die Mittenwellen 62 und 98 nicht durch die Atmosphärensteuerkammer 162, sind die Zylinderschwenkwellen 74 außerhalb der Zylinder 28 angeordnet und sind die Kolbenschwenkwellen 114 außerhalb der Kolben 36 angeordnet. Weil die Zylinder 28 und die Kolben 36 in dem Raum entlang der gleichen Achse wie die Mittenwellen 62 und 98 bewegt werden können und einander nicht stören, kann eine größere Pferdestärke für das gleiche Volumen (die gleiche Hülle) erzielt werden als bei einem Motor, der Mittenwellen enthält, die sich außerhalb der Zylinder 28 und der Kolben 36 erstrecken. In dieser Ausführungsform müssen die Kolben 36 und die Zylinder 28 also nicht voneinander beabstandet sein, um zu gestatten, dass eine Mittenwelle durch die entsprechenden Drehachsen verläuft.
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Wie in 3, 5 und 6 gezeigt, tritt Kraftstoff durch einen Kraftstoffeinlass 204, der mit der Hauptzylinder-Außenwelle 83 einer äußeren Antriebsplatte 82 an einem äußersten Teil 205 gekoppelt ist, in den Motor 10 ein. Der Kraftstoff wird zu der Zylinderwelle 74 verteilt, wo er durch ein Kraftstoff-Einspritzsolenoid 202 über eine Kraftstoff-Einspritzdüse 208 in die Mitte des Zylinderkopfs 30 eingespritzt wird, um ein ideales Profil für eine Verbrennung vorzusehen. Das Kraftstoff-Einspritzsolenoid 202 wird durch eine Computersteuereinheit (CCU) über einen elektronischen Kraftstoff-Steuerkommutator 140 aktiviert, der an dem Seitengehäuse 166 angeordnet ist. Der elektronische Kraftstoff-Steuerkommutator 140 ist elektrisch mit dem Solenoid 202 an einem Solenoid-Stromeingang 210 über eine Kommutatorbasis 171 und einen Streifen 172 gekoppelt, die an einer Innenfläche des Seitengehäuses 166 angebracht sind (siehe 3).
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Wie in 3 und 7 gezeigt, wird die Zündung für den Motor 10 auch durch die CCU gesteuert, die Energie zu der Zündkerze 128 über einen Endteil 216 eines Zündkerzenkabels 130 zuführt, das sich durch die Kolbenwellen 114 (die sich außerhalb einer äußeren Antriebsplatte 120 erstrecken) zu einem Zündungskommutator 92 erstreckt. Ähnlich wie das weiter oben erläuterte Kraftstoff-Einspritzsolenoid 202 ist das Zündkerzenkabel 130 mit dem Zündungskommutator 92 über eine Kommutatorbasis 171 und einen Streifen 172 gekoppelt, die an der Innenfläche des Seitengehäuses 166 angebracht sind. Es sollte deutlich sein, dass in der Dieselversion des Motors 10 das Zündungssystem nicht erforderlich ist, weil hier die Verdichtungswärme genutzt wird, um die Zündung für das Verbrennen des Kraftstoffs einzuleiten.
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Der Motor 10 umfasst weiterhin eine Ölpumpe 220 und ein Ölfilter 224, die konfiguriert sind, um die Zahnräder des Motors zu schmieren. Wie in 4 gezeigt, wird Öl von dem Ölfilter 224 in das Ölgehäuse über ein Ölverteilungsrohr 230 und Ölsprührohre 228 gepumpt.
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Wie weiter oben erläutert, unterstützt die physikalische Beschaffenheit des vorliegenden Aufbaus einen eingebauten Generator (und Startermotor) für eine größere Flexibilität bei der Leistungsübertragung.
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Wenn der Motoraufbau als Generatorkern verwendet wird, können große Gewichtseinsparungen erzielt werden. Wie in 1 gezeigt, enthalten die Trägerräder 20 und 24 jeweils eine Permanentmagnetnabe 44 mit einer Vielzahl von Permanentmagneten 48, die entlang des Außenumfangs verteilt sind, um die Magnetpole zu bilden. In einigen Ausführungsformen sind die Magnete 48 Neodym-Magnete, wobei aber auch andere Typen verwendet werden können. Wie am besten in 3 und 12 zu erkennen ist, sind die Permanentmagnetnaben 44 jeweils durch sechs Ständeranordnungen 174 umgeben, die mit der Ölgehäuseabdeckung 240 und der Basis 244 gekoppelt sind. Jede Ständeranordnung 174 umfasst einen Ständerkern 178, eine Ständerspule 176, einen Isolator usw., wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Während des Betriebs verursacht die Drehung der Magnetnaben 44 einen Magnetfluss mit einer zu dem Ständer entgegengesetzten (d.h. die Ständerspulen 176 schneidenden) Polarität, wodurch ein aktiver Strom in den Ständerspulen 176 veranlasst wird, der verwendet werden kann, um Leistung in verschiedenen Anwendungen vorzusehen, die elektrischen Strom benötigen.
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Der Motor 10 umfasst weiterhin ein Atmungssystem, das eine Gebläseanordnung 300 und ein Abgassystem 320 enthält. Wie am besten in 4 zu erkennen ist, enthält die Gebläseanordnung 300 einen Gebläsemotor 310 und Gebläse-Flügelräder 308. Die Gebläseanordnung 300 enthält auch zwei Schnecken 306, die jeweils in eine der Atmosphärensteuerkammern 162 gerichtet sind. Wie in 11 gezeigt, enthält die Gebläseanordnung 300 auch eine Zylinderspülklappe (Leitblech) 312, die wahlweise durch ein Spülklappen-Stellglied 304 positioniert werden kann (siehe 4). Die Gebläseanordnung 300 enthält weiterhin eine Ständerlüftung oder Kühlrohre 184, die durch thermostatisch gesteuerte Ventile 182 gesteuert werden. Wie in 12 gezeigt, sind die Ständeranordnungen 174 durch Ständerkühlmäntel 180 bedeckt.
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Das Abgassystem 320 umfasst zwei Abgasköpfe 322, die sich jeweils von einer der Atmosphärensteuerkammern 162 nach unten erstrecken und an einem gemeinsamen Kopf 324 zusammenlaufen. Ein Abgassteuerventil-Stellglied 326 ist vorgesehen und operativ mit einem Schmetterlingsventil 330 (in Strichlinien gezeigt) in dem gemeinsamen Kopf 324 über einen Hebelarm 322 und eine Schmetterlingsventilwelle 334 gekoppelt.
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Während des Betriebs steuert die Computersteuereinheit (CCU) die Gebläseanordnung 300, das Abgassteuerventil-Stellglied 326 und die Zylinderspülklappe 312. Ein positiver Druck kann in den Atmosphärensteuerkammern 162 aufrechterhalten werden, indem das Abgassystem 320 und die Geschwindigkeit der Gebläseanordnung 300 geregelt wird. Bei einer niedrigen Motorgeschwindigkeit können einige der Abgase rezirkuliert werden, um den in den Verbrennungskammern der Zylinder 28 verfügbaren Sauerstoff zu begrenzen. Wenn die Geschwindigkeit des Motors 10 größer wird, kann das Abgassteuerventil 330 allmählich geöffnet werden und kann die Zylinderspülklappe 312 zu der Öffnung der Zylinder 28 wie in 11 gezeigt bewegt werden. Die Motorkühlung wird gesteuert, indem die Ausgabe aus der Gebläseanordnung 300 bei Bedarf erhöht wird.
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Wie in 8A-C, 9 und 10 gezeigt, ist bei dem Motor 10 im Gegensatz zu anderen Kolben/Zylinder-Systemen das Kompressionsdichtungssystem in dem Eingang jedes Zylinders 28 angeordnet und nicht mit dem Kolben 36 verbunden. Weil der Kolben 36 nicht in Kontakt mit dem Zylinder 28 kommt, ist keine Schmierung der Wände des Zylinders 28 erforderlich. Der Aufbau reduziert also die Reibung und den Verschleiß. Der Kolben 36 wird über geteilte Kompressionsdichtungsringe 148A, 148B und 148C geschmiert. Um eine mögliche Fehlausrichtung des Kolbens 36 und der Zylinder 28 zu gestatten, sind die Kompressionsdichtungsringe 148A-C in einem Ringhalter oder einer Kartusche 152 integriert. Die Kartusche 152 erfüllt vier Grundfunktionen: (1) Halten der Ringe 148A-C in einer ausgerichteten Position für den Eintritt des Kolbens 36 (d.h. die Kartusche 152 kann unter einer Reibungslast schwimmen); (2) Halten der Teilungen 150A-C der Ringe 148A-C jeweils 120 Grad voneinander entfernt; (3) Gestatten, dass die Ringe 148A-C sich erweitern und eine Dichtung an dem Kolben 36 aufrechterhalten; und (4) Vorsehen einer Schmierung an der Ring/Kolben-Grenzfläche.
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Wie in 9 gezeigt, wird das Ringkartuschen-Schmieröl durch eine Zentrifugalkraft von dem Getriebekasten durch die Zylinderwelle 74 und ein Kopplungsrohr 256 geführt. Es ist ein Sperrventil 258 vorgesehen, um zu verhindern, dass Gase aus dem Zylinder 28 diesen sehr kleinen Fluidfluss umkehren. Das Öl wird von einer schwimmenden Klappe 154 um den Umfang der Kartusche 152 zu beiden Seiten des mittleren Rings 148B über vier kleine Löcher 158 in der Kartusche 152 und vier kleine Löcher 168 in einem elastomerischen Ringkartuschen-Puffer 164 verteilt. Deshalb ist es nicht erforderlich, Schmieröl zusammen mit dem Kraftstoff zuzuführen, was gewöhnlich bei anderen Motoren mit zwei Zyklen der Fall ist. Es kann also ein viel saubereres Abgas vorgesehen werden.
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Die Kartusche 152 und die Kompressionsringe 148A-C werden mittels eines Halterings 142 in einem vertieften Teil 146 in einem Randteil 145 der Zylinderhülse 32 gehalten. Der Haltering 142 und der Randteil 145 enthalten jeweils Löcher, die konfiguriert sind, um eine Vielzahl von mit einem Gewinde versehenen Schrauben und Bolzen 170 aufzunehmen, sodass der Haltering 142 unter Verwendung einer Vielzahl von Muttern 162 an der Zylinderhülse 32 befestigt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen sind die Zylinderhülse 32 und ein Kolbenfutter oder Isolator 90 aus einem Keramikmaterial ausgebildet. Weil der Kolben 36 nicht in Kontakt mit der Wand des Zylinders 28 kommt und sowohl der Zylinder als auch der Kolben unabhängig voneinander nach jedem Krafthub „atmen“ können, ist keine Wärmeübertragung zwischen denselben erforderlich. Dies ermöglicht die Verwendung von Keramiken mit einem niedrigen Wärmeleitwert, um mehr Verbrennungswärmeenergie zu mechanischer Energie zu wandeln, wodurch die Wärmeeffizienz des Motors stark vergrößert wird.
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14 und 15 zeigen eine andere Ausführungsform eines Motors 400 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Motor 400 ist dem zuvor beschriebenen Motor 10 weitgehend ähnlich, sodass sich die folgende Beschreibung dieser Ausführungsform nur auf bestimmte Aspekte konzentriert. In dieser Ausführungsform wird die Dreh- und Orbitalbewegung der Kolben 470 und der Zylinder 472 durch Riemen und Ritzel und nicht durch mechanische Zahnräder vorgesehen. Deshalb kann auf ein geöltes Getriebe verzichtet werden.
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Der Motor 400 enthält eine Zylinder-Antriebsradanordnung 404, die eine Bank mit vier Zylindern 472 umfasst, und eine Kolben-Antriebsradanordnung 408, die eine Bank mit vier entsprechenden Kolben 470 umfasst. Die Zylinder 472 drehen sich um eine Hauptzylinderwelle 406, und die Kolben 470 drehen sich um eine Hauptkolbenwelle 432. Ein Starterzahnrad 436 ist mit einem Starter (nicht gezeigt) und mit einem Ritzel 442 an einer Laufwelle 438 gekoppelt. Das Ritzel 442 ist mit der Hauptzylinderwelle 406 und der Hauptkolbenwelle 432 über einen Starterriemen 450 und Ritzel 414 und 422 verbunden. Der Riemen 450 verbindet also die Zylinder-Antriebsradanordnung 404 mit der Kolben-Antriebsradanordnung 408.
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Wie in 15 gezeigt, wird die Orbitalbewegung der Kolben 470 durch einen Riemen 458, der um mit Antriebswellen 428 gekoppelte Kolbenritzel 480 herum angeordnet ist, ein fixes mittleres Ritzel 426 und ein Laufritzel 427 gesteuert. Entsprechend wird die Orbitalbewegung der Zylinder 472 durch einen Riemen 454, der um mit Antriebswellen 412 gekoppelte Zylinderritzel 476 herum angeordnet ist, ein fixes mittleres Ritzel 416 und ein Laufritzel 417 gesteuert. Die Dreh- und Orbitalbewegung der Zylinder 472 und der Kolben 470 kann also unter Verwendung dieser Ritzel und Riemen erzeugt werden, sodass die Zylinder- und Kolben-Trägerradanordnungen 404, 408 die Kolben/Zylinder kreisförmig und orbital tragen und sich stets in einer gegenüberliegenden Beziehung auf einer gemeinsamen Längsachse entlang einander kreuzender Gegenpfade befinden.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zeigen verschiedene Komponenten, die in verschiedenen anderen Komponenten enthalten oder mit denselben verbunden sind. Es ist zu beachten, dass die gezeigten Aufbauten lediglich beispielhaft sind und tatsächlich viele weitere Aufbauten implementiert werden können, um dieselbe Funktion vorzusehen. Im Prinzip kann eine beliebige Anordnung von Komponenten assoziiert werden, um die gleiche Funktion zu erzielen. Entsprechend können zwei beliebige Komponenten als „operativ verbunden“ oder „operativ gekoppelt“ betrachtet werden, wenn sie die gewünschte Funktion vorsehen.
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Vorstehend wurden bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben und gezeigt, wobei dem Fachmann deutlich sein sollte, dass auf der Grundlage der hier gegebenen Lehren verschiedene Änderungen und Modifikationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird. Die Erfindung wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert. Es ist zu beachten, dass die hier und insbesondere in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe allgemein in einem breiten Sinn zu verstehen sind (z.B. ist das Wort „enthalten“ in dem Sinn von „enthält unter anderem“ zu verstehen und ist das Wort „aufweisen“ in dem Sinn „weist wenigstens auf“ zu verstehen usw.).
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Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass zur Beanspruchung einer bestimmten Anzahl von Elementen in den Ansprüchen ausdrücklich eine entsprechende Angabe gemacht wird. Wenn keine entsprechende Angabe gemacht wird, wird keine bestimmte Anzahl von Elementen beansprucht. Zum Beispiel können in den folgenden Ansprüchen einführende Formulierungen wie etwa „wenigstens ein“ oder „ein oder mehr“ verwendet werden. Eine Verwendung derartiger Formulierungen bedeutet jedoch nicht, dass mit einem unbestimmten Artikel eingeführte Angaben das genannte Element auf ein einzelnes Element beschränken, auch wenn der gleiche Anspruch an anderen Stellen Formulierungen wie etwa „ein oder mehr“ oder „wenigstens ein“ und unbestimmte Artikel wie etwa „ein“ enthält (ein unbestimmter Artikel ist immer in dem Sinn „wenigstens ein“ oder „ein oder mehr“ zu interpretieren). Dasselbe gilt für die Verwendung von bestimmten Artikeln in den Ansprüchen. Und wenn ausdrücklich eine bestimmte Anzahl eines Elements genannt wird, sollte dem Fachmann deutlich sein, dass die Angabe gewöhnlich derart interpretiert werden kann, dass wenigstens die genannte Anzahl vorgesehen ist (z.B. bedeutet die Angabe von „zwei“ Elementen ohne weitere Zusätze, dass gewöhnlich wenigstens zwei Elemente oder zwei oder mehr Elemente vorgesehen sind).
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Der Erfindungsumfang wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.
