DE2234950A1 - Mittelachsige rotationskolbenmaschine mit kreisfoermiger gehaeusekontur, vorzugsweise als verbrennungskraftmaschine nach dem otto- oder dieselprinzip - Google Patents

Description

• Mittelachsige Uotationskolbenmaschine mit kreisförmiger Gehäusekontur, vorzugsweise als Verbrennungskraftmaschine nach dem Otto- oder Dieselprinzip Nach dem bisherigen Stand der Technik konnten noch keine stichhaltigen Beweise für die Überlegenheit der inzwischen bekannt gewordenen Rotationskolbenmaschinen gegenüber den leistungsfähigsten und ökonomischsten Hubkolbenmaschinen erbracht werden.
• Eine Rotationskolbelmaschine wäre erst dann klar im Vorteil, wenn sie folgende Bedingungen erfüllen würde: 1. Einfache, fertigngsgünstige Bauweise 2. Zweckmäßige Geometrie der Gehäuselauffläche zur Erreichung eines ausreichenden Verdichtungsverhältnisses für die wahlweise Anwendung des Otto- oder Dieselprinzips 3. Einfache und sichere Abdichtung der Arbeitsräume 4. Ventilfreies Gaswechselsystem 5. Hoher spezifischer Gemisch- bzw. Luftdurchsatz 6. Niedriges Leistungsgewicht.
• Legt man diesen strengen Maßstab an die bisher bekannten Rotationskolbenmaschinen an, wird man feststellen müssen, daß ihm keinen einzige gerecht wird.
• Die Maschinen scheitern entweder an einem zu großen schädlichen ileum", der ein ausreichendes Verdichtungsverhältnis verhindert, oder an einer viel zu komplizierten Laufflächenkontur mit ihren erheblichen Nachteilen für den Fertigungsaufwand und für die Abdichtung der Arbeitsräume.
• Wenn eine Rotationskolljenrnaschine nach jahrelangen Bemühungen einigermaßen zufriedenstellend iunktioniert, ist dies noch lange kein Beweis für die technische und wirtschaftliche Vernunft ihrer Konzeption.-Die Erfahrung der Vergangenheit hat das bereits gelehrt.
• Analysiert man das Wesen der "idealen Kolbenmaschine" mit innerer Verbrennung und befreit man sich von dem Ballast der Leiieinungen und der dadurch verursachten Trugschlüsse, erkennt man klar, daß sie die Endstufe der Entwicklung dann erreicht haben wird, wenn sie sich dem Bauprinzip der in technischer Hinsicht vollkommensten Verbrennungskraftmaschine, der Gasturbine, optimal angenähert hat. Erstaunlicherwei-se wurde diese zwingende Logik bisher nicht erkannt. Auch der Anmelder hat Jahre benötigt, um zu dieser Einsicht zu gelangen.
• Der einzige wesentliche Unterschied liegt dann nur noch darin, daß einb Turbine kontinuierlich, der Kolben motor hingegen nur periodisch durchströmt wird. Charakteristisch iür die Turbine ist der hohe Durchsatz und das niedrige Leistungsgewicht, für den Kolbenmotor die hohe Verdichtung und der günstige Wirkungsgrad.
• Ein nicht zu unterschätzener Vorteil des Kolbenmotors liegt darin, daß er eine viel geringere Drehzahl aufweist und deshalb auf hochfeste Werkstoffe sowie aufwendige Untersetzungsgetriebe verzichten kann. Dieser Umstand macht ihn vor allem für den Binbau in Fahrzeuge und ortsbcwegliche Maschinen geeignet.
• Legt man nun die gewonnene Erkenntnis dem Entwuri der optimalen Kolbenmaschine zugrunde, kommt man also zwangsläufig auf eine Rotationskolbenmaschine mit turbinenähnlicher Grundform: Der wichtigste Bestandteil einer RotationskolbenDaschine ist das Gehäuse. Es dient der Umschließung des Kolbenläuters t der Arbeitsraumbildung, dem Gaswechsel, der Wäreabiühung und der Lagerung der Abtriebswella.
• Es erhält erfindungsgemäß eine kreisförmige Laufflächenkontur.
• Der nächstwichtige Teil ist der Kolbenläufer. Kr steuert den periodischen Gaswechsel, vollzieht die Kompression und Expansion der IJadung, erzeugt das Drehmoment und überträgt es auf die Abtriebswelle.
• zur erhält erfindungsgmäß eine kreuzartige Form und eine in Bezug auf das Gehäuse 1sonzentrische ltotationsachse, Alle vier Balkenenden des Läuferkreuzes berühren die Gehäuse-Lauffläche.
• Alle übrigen Maßnahmen sind nur noch von sekundärer Bedeutung und entsprechend dem jeweiligen Verwendunszweck des Motors variierbar.
• Sie dienen in erster Linie der Ergänzung des Kolbenläufers mit sich periodisch bewegenden, arbeitsraumbildenden, zylinder- oder plattenförmigen Teilen, die in den vier Kreuzsektoren angeordnet werden müssen.
• Die Rotationskolbenmaschine kann erfindungsgemäß in zwei prinzipiellen Ausführungsarten gebaut werden: i. Die beweglichen Teile werden gelenkig mit einem exzentrisch angeordneten - am Gehäuse direkt oder indirekt fixierten - Lagerzapfen verbunden.
• 2. Die beweglichen Teile werden gelenkig mit einer konzentrisch angeordneten, innerhalb der hohlen Primärwelle gelagerten Sekundärwelle verbunden, die als }urbellrelle ausgebildet ist, Beide Wellen haben gleiche Winkelgeschwindigkeit, jedoch entgegengesetzten Drehsinn. Die Koppelung der Wellen erfolgt mittels Stirnrädern außerhalb des Kolbenläuferbereiches.
• Die erste Ausführungsart ist die konstruktiv einfachere. Sie eignet sich ganz besonders für die Durchführung des Zweitaktprinzips, denn bei ihr erreicht Jeder Arbeitsraum Je Läuferumdrehung einmal sein Maximal- und sein Minimalvolumen.
• Infolgedessen liegen Zünd- und Spülbereich einander diametral g e fr eniilJer .
• Ein entscheidender Vorteil dieses Prinzips ist die erfindungsgemäße Möglichkeit, auf rationelle Weise die stufenlose Regelung des Verc)ichtungsverhältnisses zu realisieren, und zwar ohne Rücksicht darauf, ob die Maschine steht oder in Betrieb ist.
• Diese bisher im Motorenbau noch nicht bekannte Methode erlaubt die manuelle oder sogar automatische Anpassung des Verbrennungs-und Arbeitsprozesses an wechselnde Betriebsbedingungen. Unter derem läßt sich damit auch die Lebensdauer der Maschine günstig beeinflussen, vor allem dann, wenn es sich um einen Dieselmotor mit seinen relativ hohen Gaskräften und thermischen Beanspruchungen handelt.
• Zu cliesem Zwecke wird der Lagerzapfen mit zwei Excenterbereichen versehen, die drehbar in den Gellciusestirnseiten gelagert sind.
• Durch Drehung des Lagerzapfens läßt sich die Exzentrizität seiner Mittelachse relativ zur Rotationsachse des Kolbenläufers zwischen einem Maximum und einem Minimum verändern, wodurch die Arbeitsraumvolumina beeinflußt werden Die zweite Ausführungsart ist vor allem für die Durchführung des Viertakt-Prinzips gedacht, denn bei ihr erreicht jeder Arbeitsraum je Läuferumdrehung zweimal sein Maximal- und sein Minimalvolumen.
• Infolgedessen liegen Zünd- und Gaswechselbereich einander diametral gegenüber. Dasselbe gilt für den Kompressions- und Expansionsbereich.
• Die Methode der stufenlosen Regelung des Verdichtungsverhältnisses ist auch in diesem Falle möglich, sie erfordert aber einen größeren konstruktiven Aufwand als bei der ersten Ausführungsart.
• Die Regelung erfolgt durch Beeinflussung der Gelenke der beweglichen Läuferteile. Für eine solche Maßnahme bietet sich vor allem eine erfindungsgemäße Lauferbauart an, nämlich der Gelenkplattenläufer mit Bogenkreuz.
• Verschiebt man die inneren Plattengelenke in tangentialer Richtung, dann ändert sich der Abstand der Gelenkzentren vom Surbelkreis und somit auch das Verdichtungsverhältnis der Maschine.
• Diese Verschiebung kann allerdings nur bei stehendem Motor vorgenommen werden.
• Aus Gründen der Vereinfachung wäre in diesem Falle eine stufenweise Regelung vorzuziehen.
• Der Drehmomentenverlauf der beiden beschriebenen Ausführungsarten weist keinen grundsätzlichen Unterschied auf, denn man erhält Je Kolbenläuferumdrehung vier Arbeitstakte in gleichmäßigem Winkelabstand, Ein einziger Kolbenläufer bewirkt also in beiden Fällen einen ähnlichen Drehmomenteneffekt wie ein Achtzylinder-Viertåkt-Hubkolbenmotor; trotzdem wird nur eine Zündkerze bzw. Eins-pritzdüse je Läufer benötigt.
• Durch diese Tatsachen wird die außergewöhnliche Wirtschaftlichkeit und-technische Zweckmäßigkeit der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine unter Beweis gestellt.
• Durch bauRastenartige Kombination mehrerer Kolbenläufer kann das Drehmoment und damit die Leistung der Maschine vervielfacht werden.
• Dabei ist eine gleichmäßige tangentiale Versetzung der Bündbereiche von Vorteil.
• Schon zwei Läufer ermöglichen einen annähernd ausgeglichenen Drehmomentenverlauf. Bei vier Läufern wird der turbinenähnliche Charakter der Maschine besonders augenfällig.
• Im Interesse einer besonders hohen Lebensdauer der Maschine wird vorgeschlagen, der Vorberechnung eine mäßige Läuferdrehzahl zugrunde zu legen und diese Drosselung durch eine entsprechende Vergrößerung des Gehäusedurchmessers und damit des Arbeitsraumvolumens zu kompensieren.
• Wenn man die vier Kreuzsektoren selbst als seitlich geschlossene Arbeitskammern ausbildet, erlaubt der erfindungsgemäße "Kreuzringläufer" mit zentraler Rotationsachse den Verzicht auf arbeitsraumbegrenzende Gehäuse-Seitenflächen.
• Auf diese Weise wird die Turbinenähnlichkeit der erfindungsgemäßen Rotationskolbemnaschine ganz hesonders hervorgehoben.
• In diesem Falle ist nur noch ein rohrförmiges Gehäuse erforderlich, dessen Herstellungskosten das absolute Kostenminimum erreichen. Auch das ohnehin schon sehr geringe Leistungsgewicht wird so noch weiter reduziert.
• Die Abdichtung eines solchen Kammerläufers gegen die Gehäuse-Lauffläche ist völlig problemlos, weil die Gleitbewegung der vier Kammermündungen parallel zur Gehäusekontur erfolgt.
• Ebenso einfach läßt sich die Abdichtung der beweglichen Teile gegen die Kammerwände verwirklichen, weil auch hier nur Parallelbewegungen auftreten.
• Der erfindungsgemäße Kammerläufer eignet sich ganz besonders für die Verwendung als auswechselbares Verschleißteil.
• Die zylindrische Lauffläche des Gehäuses bietet sich für eine Austauschmethode geradezu an. Deshalb wird vorgeschlagen, sie separat zum Gehäusemantel als relativ dünnwandige IIülse herzustellen und in ein offen1çamlleriges, vorzugsweise aus zwei IIn.lbschalen bestehendes Gehäuse einzuschieben bzw. einzulegen.
• Zwecks Raumgewinnung bei der Anlenkung der erforderlichen Kurzpleuel an den Lagerzapfen bzw. die Kurbelwelle wird erfin-Qungsgemäß vorgeschlagen, die vier Sektoren des Kreuzringläufers entweder einzeln oder paarweise in axialer Richtung zu versetzen. Die Verwendung von Gabeipleueln kann dabei sehr vorteilhaft sein, Das extrem niedrige Leistungsgewicht der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine und die Regelbarkeit des Verdichtungsverhältnisses ermöglichen den Bau von wirtschaftlichen Universal-Kolbenmotoren, welche wahlweise als Otto- oder Dieselmotoren betrieben werden können und zum jeweiligen Umbau nur einige wenige Handgriffe erfordern. Voraussetzung ist natürlich das Vorhandensein der entsprechenden Zusatzaggregate.
• Auch dieses erfindungsgemäße Prinzip ist nach Auffassung des Anmelders bisher im Motorenbau nicht bekannt geworden.
• Als ltegelbereiche kommen beispielsweise infrage: # = 5 ...... 20 (vierfach) # = 7 ...... 21 (dreifach) Bei einem solchen Universal-Verbrennungsmotor gilt erfindungsgemäß als Voraussetzung, daß die Formgebung der beweglichen Läuferteile und der etwaige Einbau einer Vor- oder Wirbelkammer in das Gehäuse nach Gesichtspunkten des optimalen Dieselprozesses vorzunehmen sind.
• Ein weiterer Vorteil des geringen Leistungsgewichtes ist die Verwendbarkeit der Maschine als Otto- oder Dieselmotor für Propellerflugzeuge und Hubschrauber. Sie ist aufgrund ihrer von zeption ohne weiteres in der Lage, dem Kolbenmotor einen betr.ichtlichen Anteil aus der Domäne der Gas turbinen-Triebwerke zurückzuerobern.
• Kehrt man die Anordnung der hauptteile der beschriebenen 1totationskolbenmaschine um, erhält man erfindungsgemäß eine technisch sehr interessante Alternativlösung: Anstelle des Statorgehäuses benötigt man einen zentralen Statorring, um den der Kreuzringläufer koaxial rotiert.
• Anstelle des Lagerzapfens wird ein peripherer Stützring, vorzugsweise in Form eines Kreisringes,- und anstelle der sekundären Kurbelwèlle ein peripherer Stützring in Form einer Ellipse, eines Korbbogens oder einer Spiralkurve erforderlich.
• Anstelle der vier Kurzpleuel benötigt man vier starr mit den beweglichen Läuferteilen verbundene Stützrollen.
• Setzt man den am Statorring direkt oder indirekt fixierten Stützring aus zwei Paralielringen zusammen und wendet man doppelte, axial versetzte Stützrollen mit zwei etwas von einander abweichenden Durchmessern an, ergibt sich eine zwangsläufige Steuerung der beweglichen Läuferteile analog der Methode des Lagerzapfens oder der sekundären Kurbelwelle.
• Auch bei dieser Alternativlösung ist die Regelung des Verdiclltungsverhältnisses möglich, und zwar sowohl beim Zweitaktals auch beim Viertaktmotor auf stufenlose Weise. Im ersten Falle wird der starre Stützring radial zur Rotationsachse verschoben, im zweiten Falle wird er im Ganzen elastisch oder erforderlichenfalls auch gelenkig verformt.
• Beide Regelungsvorgänge können auch bei rotierendem I(olbenläufer erfolgen.
• Beschreibung der Zeichnungen Figur I : Querschnitt durch einen Zweitakt-Motor Im Statorgehäuse l rotiert der Kreuzring-Bogenläufer 2, der mit vier Gelenkplatten 3 ausgestatg tet ist.
• Durch die Kurzpleuel 4 wird die Anlenkung der Gelenkplatten an den Lagerzapfen 5 bewerkstelligt, dessen Exzentrizität in bezug auf die Rotationsachse das Maß "e" aufweist.
• Die Zündkerze 6 kann einfach oder doppelt vorgesehen werden. Die Gehäuseöffnung 7 stellt den Durchlaß für die Verbrennungsgase dar, die Gehäusebohrungen 8 dienen der Frischluftzufuhr.
• Der Spülvorgang wird durch'die bei rotierendem Läufer entstehende Zentrifugalkraft günstig beeinflußt. Trotzdem dürfte ein Spülgebläse sehr nützlich sein.
• Figur II : Längsschnitt durch einen Zweitakt-Motor Der Kreuzring-Bogenläufer 2 ist als Kammerläufer ausgebildet. Die Gelenkplatten 3 benötigen somit keine stirnseitige Gehäuselauffläche.
• Die Frischluftbohrungen 8 sind beidseitig des Arbeitsraumes angeordnet und werden vom Gehäuse Innenraum her versorgt. Die Distanz der Kammeraußenwände zur Gehäuseinnenwand ist nicht maßstäblich dargestellt.
• Der Lagerzapfen 5 besitzt die exzentrischen Lagerbereiche 9, welche die stufenlose Regelung des Verdichtungsverhältnisses durch Verdrehen des Vierkant-Ansatzes 10 ermöglichen.
• Die hohle, beidseitig im Gehäuse wälzgelagerte Läuferwelle trägt die Stirnverzahnung li, welche mit einem exzentrisch angeordneten, sekundären Stirnrad, das die eigentliche Abtriebswelle antreibt, kämmt.
• Figur III : Querschnitt durch einen Viertakt-Motor mit umgekehrtem Bauprinzip Um den Statorring 1 rotiert der Ereuzring-Bogenläufer 2, welcher mit den Gelenkplatten 3 ausgestattet ist.
• Die Stützrollen 4 erzeugen in Zusammenwirkung mit dem korbbogenförmigen Statorring 5 ein aktives Drehmoment.
• Die Zündkerze 6 kann einfach oder doppelt vorgesehen werden.
• Das Rohr 7 führt die Verbrennungsgase ab, das Rohr 8 versorgt den Kolbenläufer mit Gemisch.
• Figur IV: Querschnitt durch einen Zweitakt-Elotor mit umaekehrtem Bauprinzip Um den Statorring l rotiert der Kreuzringläufer 2, dessen vier radiale Arbeitskammern kreisringförmigen oder rechteckigen Querschnitt - mit vierteikreisförmiger Eckausrundung - haben können.
• Die beweglichen Kolbenplatten 3 tragen die Stützrollen 4, die in Zusammenwirkung mit dem kreisförmigen Stützring 5 ein aktives Drehmoment erzeugen.
• Die Zündkerze 6 kann einfach oder doppelt vorgesehen werden.
• Der ein- oder beidseitig vorhandene Statorschlitz 7 dient der Abführung der Verbrennungsgase L, der mittige Frischluftkanal FL sorgt in Verbindung mit der Statoröffnung 8 für die Versorgung des Kolbenläufers mit Gemisch.
• Der Spülvorgang wird durch die bei rotierendem Läufer entstehende Zentrifugalkraft günstig beeinflußt. Trotzdem dürfte ein Spülgebläse sehr nützlich sein.

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine, vorzugsweise als Verbrenrningskraftmaschine geeignet, dadurch g e k e n n -z e i c 11 n e t , daß in einem Statorgehciuse mit kreisförmiger Laufflächenkontur ein im Querschnitt 1;reuzringförmiger, zentralsynsmetrischer Kolbenläufer rotiert, dessen Balkenenden die Lauffläche ständig berühren und dessen Zwischenräume iiiit beweglichen, auf zwei sich rechtwinklig schneidenden Diametralen angeordneten Teilen versehen sind, die mittels Kurzpleueln an einen exzentrischen Lagerzapfen oder eine konzentrische Kurbelwelle angelenkt sind und durch periodische Volumenänderung der zwischen ihnen, dem Läuferkreuz und der Lauffläche gebildeten Arbeitsräume die Durchführung des Otto- oder Dieselprinzips im Zwei- oder Viertaktverfahren erlauben, wobei der Gaswechsel durch den Kolbenläufer selbsttätig und ventillos gesteuert wird, und zusätzlich auf-vorteilhafte Weise das Verdichtungsverhältnis stufenlos oder stufenlfeise manuell oder automatisch geregelt werden kann, um entweder eine optimale Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen zu erreichen oder die beliebige Verwendung der Rotationskolbenmaschine als Otto- oder Dieselmotor, somit als neuartigen Universal-Verbrennungsmotor, zu ermöglichen.

2. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf jede Umdrehung des Kolbenläufers vier Arbeitstakte entfallen, wodurch sich eine Analogie zu einem Achtzylinder-Viertakt-Hubkolbenmotor und somit ein sehr günstiger Drehmomentenverlauf ergibt.

3. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen l und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Formgebung der Arbeitsräume und die Geometrie der Maschine keinen "schädlichen Raum" verursachen und somit ohne Schwierigkeiten die maximale Dieselverdichtung erreicht werden kann.

4. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen t bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n -e t , daß die Bewegung der Dichtleisten oder Dichtringe ausschließlich parallel zu den zugehörigen Gleitflächen erfolgt und deshalb auf einfache- und effektvolle Weise mehrere Dichtelemente hintereinander angeordnet werden können.

5. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen l bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anlenkungszone des in den seitlichen Gehausewänden fixierten Lagerzapfens exzentrisch zu seiner Mittelachse liegt und auf diese Weise durch Drehung des Lagerzapfens um seine Mittelachse die Distanz zwischen Anlenkungsachse und Rotationshauptachse stufenlos zwischen einem Maximum und einem Minimum verändert und so das Verdichtungsverhältnis auch während der Läuferrotation; geregelt werden kann.

6. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch gleichmäßige tangentiale Verschiebung der inneren Plattengelenke die Distanz zwischen den. Gelenkzentren und dem Kurbelkreis verändert und auf diese Weise das Verdichtungsverhältnis zwischen einem Elaximum und einem Minimum geregelt werden kann.

7. Mittelachsige Rot&tionskolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Interesse einer vorteilhaften Anlenkung der Kurzpleuel an Lagerzapfen oder Kurbelwelle die vier Sektoren des Kreuzringläufers einzeln oder paarweise in Richtung der Rotationsachse versetzt und vorzugsweise Gabelpleuel verwendet werden.

8. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach Anspruch l, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei umgekehrter Anordnung der Hauptteile eine mindestens gleichwertige Maschine entsteht, bei weicher der reuzringläufer um einen zentralen Statorring rotiert und die beweglichen Läuferteile durch einen peripheren, am Statorring direkt oder indirekt fixierten doppelten Stützring mittels Stützrollen gesteuert und zur Abgabe eines resultierenden aktiven Drehmomentes an die Abtriebswelle befähigt werden.

9. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen l und 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Durchführung des Zweitaktprinzips der periphere Stützring vorzugsweise als Kreisring ausgebildet wird, der durch manuelle oder automatische Achsverschiebung die stufenlose Regelung des Verdichtungsverhältnisses auch bei rotierendem Kolbenläufer erlaubt und auf diese Weise den Bau eines Zweitakt-Diesel- oder-Universalmotors ermöglicht, der in bezug auf Einfachheit und Vollkommenheit nach heutigem Stand der Wissenschaft nicht mehr übertroffen werden kann.

10. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Durchführung des Viertaktprinzips der periphere Stützring als Arenaring in Form einer Ellipse, eines Korbbogens oder einer Spiralkurve ausgebildet wird und durch elastische oder erforderlichenfalls auch gelenkige Verformung auf manuelle oder automatische Weise die stufenlose Regelung des Verdichtungsverhältnisses auch bei rotierendem Kolbenläufer erlaubt und somit den Bau eines Viertakt-Diesel- oder -Universalmotors ermöglicht, der in bezug auf Einfachheit und Vollkommenheit nach heutigem Stand der Wissenschaft nicht mehr übertroffen werden kann.