DE2354637A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

USSN 302,663

vom 1. November 1972

SODRIC ENGINEERING CORPORATION New York, N.Y. (V.St.A.)

Drehkolbenmaschine

Grundsätzliches zur Erfindung

Eine Drehkolbenmaschine der hier behandelten Art hat einen toroidförmigen Zylinder, in welchem Kolben in einer Drehbewegung zusammenwirkend beschleunigt und verlangsamt werden, derart, daß Expansions- und Kompensionszyklen gebildet werden. Längs der Achse des toroidförmigen Zylinders verläuft eine drehbare Welle, und man muß nun die Beschleunigungs- und Verlangsamungsbewegungen der Kolben umwandeln und auf die Welle oder von der Welle übertragen, je nachdem, ob die Maschine als Motor oder als Pumpe betrieben wird, wobei sich versteht, daß die Welle ständig in einer Richtung umläuft.

Der toroidförmige Zylinder ist mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehen, und ihre Lage sowie die zeitliche Abfolge der Kolbenbewegungen soll den gewünschten Betrieb der Maschine so gleichmäßig und wirksam wie möglich erlauben, und dies hängt in weitem Maße davon ab, welche Mittel für die übertragung oder Umwandlung der Beschleunigungs- und Verlangsamungsbewegungen der Kolben zur oder von der Welle verwendet werden. Es ist anzustreben, daß diese Mittel so einfach wie möglich sind, sich

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praktisch auch gut konstruieren und herstellen lassen und fest genug sind, um während einer langen Lebensdauer die Kräfte auszuhalten, denen sie bei der vorgesehenen Betriebsweise ausgesetzt sind.

Natürlich sollen diese Mittel ebenfalls weich und gleichmäßig und mit großer Präzision arbeiten, da die Zeitsteuerung der Kolbenbewegungen hinsichtlich der Ein- und Auslässe den praktischen Wert der Maschine bestimmt. Bei einem Betrieb als Verbrennungsmotor muß der toroidförmige Zylinder mit Zündkerzen, oder bei Dieselbetrieb mit Einspritzdüsen, versehen werden, und auch diesbezüglich πιμ ß auf die zeitliche Abstimmung mit den Kolbenzyklen geachtet werden.

Stand der Technik

Alle bekannten Mittel für die Verbindung der Kolben mit der Welle und eine richtige Zeitsteuerung der Kolbenbewegung erforderten komplizierte Anordnungen von Kurbelwellen, Nockenwellen, Stoßstangen und dgl. zusammen mit Verbindungsstangen und Lagern oder Freilaufkupplungen. Konstruktion und Herstellung solcher Mechaniken für kommerziell brauchbare Maschinen haben sich als im Endeffekt undurchführbar erwiesen, da in ihnen zu große Reibungskräfte aufgetreten sind.

Zur Oberwindung dieser Nachteile sind Drehkolbenmaschinen mit Flügelkolben entworfen worden, aber auch hier traten Probleme bei dem Mechanismus zur Steuerung der Flügelkolbenbewegungen auf, welche eine kommerzielle Verwertung dieser Maschinen verhindert haben.

Trotz der vorteilhaft erscheinenden Eigenschaften von Drehkolbenmaschinen hat sich keine in der Praxis durchsetzen können mit Ausnahme des bekannten Wankelmotors, der jedoch an Abdichtproblemen leidet, die durch seine Konstruktion bedingt: sind. Eine Drehkolbenmaschine mit einem toroidförmigen Zylinder und

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Kolben von kreisförmigem Querschnitt bringt dagegen keine größeren Abdichtprobleme als sie bei Hubkolbenmotoren mit gradlinigen Zylindern auftreten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Drehkolbenmaschine, die entweder als Motor oder als Pumpe arbeiten kann und einen toroidförmigen Zylinder sowie Kolben aufweist, die gleitend in diesen Zylinder passen. Hierbei soll für eine präzise und weich arbeitende Steuerung über den Bereich der relativen Beschleunigungs- und Verlangsamungsbewegungen der Kolben sowie für eine richtige Lagesteuerung oder Zeitsteuerung der Kolben hinsichtlich der erforderlichen Auslaß- und Einlaßöffnungen an ihren festen Orten und natürlich hinsichtlich der Zündkerzen oder anderen die Verbrennung einleitenden Mittel bei einem Betrieb der Maschine als Verbrennungsmotor gesorgt werden. Weiterhin soll die Konstruktion der Maschine, insbesondere der Mittel zur Bewegungsübertragung und Umwandlung, die zwischen den beschleunigten und verlangsamten Kolben und der sich drehenden Antriebs- oder Abtriebswelle benötigt werden, sich nach den üblichen Konstruktions- und Herstellungsmöglichkeiten in einer Weise fertigen lassen, die eine kommerzielle Verwertbarkeit der Maschine erlauben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens zwei Paare gegenüberliegend angeordneter Kolben verwendet werden, die in einem toroidialen Zylinder arbeiten, und wobei die Kolben jedes Paares durch drehbare Radialglieder untereinander verbunden sind. Diese Glieder können durch Scheiben gebildet werden, die sich frei gegenüber der längs zur Achse des toroidförmigen Zylinders verlaufenden Antriebs-? oder Abtriebswelle drehen können. Auf diese Weise kann der toroidförmige Zylinder mit einem Schlitz an seinem Innenumfang ausgebildet werden, durch welchen die Scheiben bis zu den Kolben reichen: Dadurch benötigt man nur drei Dichtungen, nämlich eine zwischen den Scheiben und die bei-

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It

den anderen zwischen den Seiten der Scheiben und den Schlitzrändern. Hierbei ergeben sich keine Schwierigkeiten, da nur Gleitbewegungen auftreten.

Die Mittel, welche die Verbindung bilden, über die die Drehkraft zwischen der Welle und diesen Radialgliedern übertragen wird, während diese letzteren und die mit ihnen verbundenen Kolben abwechselnd beschleunigt und verlangsamt werden, wenn sich die Welle dreht, enthalten für jedes dieser Glieder ein sehr einfaches und weich arbeitendes Getriebe in Form eines epizyklischen oder Planetengetriebes.

Dieses Getriebe enthält für jedes der Radialglieder einen an der Welle befestigten Arm, der beispielsweise durch eine Keilverbindung mit ihr verbunden ist und radial von ihr wegragt, und ein Element, das drehbar, quer zu dem Arm verlaufend von ihm getragen wird. Dieser Arm bildet dasjenige Teil, welches manchmal als epizyklischer Getriebearm bezeichnet wird. Das Getriebe enthält ferner mindestens zwei miteinander kämmende identische nicht kreisförmige Zahnräder, von denen eines durch den Arm als Planetenrad getragen wird und in einer Drehantriebsverbindung ' mit dem anderen drehbaren Element des Armes steht, und deren anderes gegen eine Drehbewegung fixiert ist und dieses Planetenrad mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verdreht, wenn die Welle und der Arm zusammen umlaufen. Ferner sind Mittel vorgesehen, die eine Drehantriebsverbindung zwischen dem Element, das durch die nichtkreisförmigen Zahnräder angetrieben wird, und dem verbundenen Radialteil bildet, das durch dieses eine Getriebe mit der Welle verbunden ist. Es sei daran erinnert, daß für jedes der drehbaren Radialglieder oder Scheiben, die ein Kolbenpaar miteinander verbinden, eines dieser Getriebe verwendet

Die Antriebsverbindungsmittel zwischen dem drehbaren Element, welches von dem Arm getragen wird, und dem radialen Kolbenhalterungsglied kann durch mindestens zwei kämmende kreisförmige

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Zahnräder gebildet werden, von denen eines an dem Glied befestigt ist und sich mit ihm dreht und konzentrisch zu seiner Drehachse ist, während das andere von dem Arm als Planetenrad getragen wird und in Drehverbindung mit dem Element steht.

Ein solches Getriebe läßt sich in sehr einfacher Weise unter Verwendung von vier Zahnrädern herstellen, wobei die zwei Planetenräder direkt durch das von dem Arm getragene drehbare Element verbunden sind. Mit anderen Worten benötigt man nur die beiden nichtkreisförmigen Zahnräder und die beiden kreisförmigen Zahnräder von denen die Planetenräder bildenden Zahnräder direkt miteinander verbunden sind und durch den Getriebearm gelagert sind. Durch dieses Konzept wird die Konstruktion sehr vereinfacht.

Insbesondere sind die nichtkreisförmigen Zahnräder vorzugsweise elliptische Zahnräder, und das elliptische Zahnrad des einen Getriebes ist phasenmäßig gegenüber dem des anderen Getriebes verdreht, so daß bei geeigneter Ausbildung jede gewünschte Beschleunigung oder Verlangsamung der Kolbenpaare erhalten werden kann.

Die elliptischen Zahnräder können so geformt werden, daß sie die gewünschte Anzahl von Beschleunigungs- und Verlangsamungsbewegungen der Radialglieder und der mit ihnen verbundenen Kolben, und damit die Anzahl der Zyklen für jeweils eine Umdrehung der Welle bestimmen, und die kreisförmigen Zahnräder können mit einem Verhältnis ausgebildet sein, das vorbestimmte Maximal- und Minimalgrenzen dieser Bewegungen, und damit die Länge des Kolbenhubs der Maschine bestimmt.

Es werden nur die vier Zahnräder für jedes Kolbenpaar benötigt und diese können so ausgebildet werden, daß die Kolben nicht hin und her gehen, sondern nur beschleunigt und verlangsamt werden, so daß, wenn bei zwei benachbarten Kolben der eine verlangsamt wird, während der gegenüberliegende Kolben beschleunigt wird, um einen Hub, der durch das Verhältnis der beiden die Grenzen

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der Bewegung steuernden kreisförmigen Zahnräder bestimmt wird, und dieser Kolben dann natürlich verlangsamt wird, wenn der erste Kolben beschleunigt wird, um den verlangsamten oder stationären Kolben wieder einzuholen.

Bei einer Verwendung als Verbrennungsmotor, bei dem der Zylinder jeweils in fester Lage Einlaß- und Auslaßöffnungen sowie eine Zündeinrichtung für die verbrennbare Zylinderfüllung enthält, können die Getriebe so konstruiert sein, daß beim Kompressionszyklus, wenn zwei benachbarte Kolben eine verbrennbare Zylinderfüllung eines durch die Form der kreisförmigen Zahnräder bestimmten Volumens einschließen, die beiden betreffenden Kolben sich gleichzeitig an der Zündeinrichtung vorbeibewegen und während des Zündaugenblickes eine Verbrennungskammer konstanten Volumens bilden, wobei eine Wirkung eintritt, die dicht bei dem Verbrennungswirkungsgrad des bekannten idealen Otto-Motorzyklus liegt.

Wegen der besonderen Getriebe zur Steuerung der Kolbenbewegung läßt sich der erfindungsgemäße Motor mit einem sehr langen Kolbenhub ausbilden, der die Übertragung eines praktisch konstanten Drehmomentes auf die Motorwelle bei sämtlichen Drehzahlen erlaubt, so daß beispielsweise im Fall eines Kraftfahrzeugantriebes die Notwendigkeit des üblichen Getriebes für eine Änderung des Obersetzungsverhältnisses in einem weiten Bereich entfallen kann. Die Antriebscharakteristik ist in etwa mit derjenigen einer Dampfmaschine vergleichbar.

Figurenbeschreibung

Nach dem Verständnis der neuen Merkmale der Erfindung liegen die notwendigen Konstruktions- und Herstellungsdetails im Rahmen der Fähigkeiten eines Fachmanns für Motoren, Pumpen und dgl. Im Interesse einer möglichst anschaulichen Offenbarung der neuen Merkmale sind daher die beiliegenden Zeichnungen nur schematisch

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ausgeführt und die Proportionen einiger Teile gegenüber anderen sind übertrieben. Unter diesen Voraussetzungen zeigen die nachfolgenden Darstellungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Fig.1a bis 1f zeigen eine Serie von sechs Ansichten zur Veranschaulichung der Bewegungen der Kolbenpaare während dreier vollständiger Umdrehungen der Antriebs- bzw. Abtriebswelle nach der Art von Schnittdarstellungen rechtwinklig zur Achse dieser Welle.

Fig.2 zeigt einen Schnitt durch die Maschine;

Fig.3 zeigt eine Abwicklung der vier Zahnräder des Getriebes; und

Fig.4 ist eine graphische Darstellung der Kolbenverschiebungen oder -bewegungen in Grad über der ebenfalls in Grad dargestellten Drehung der Antriebs- bzw. Abtriebswelle.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Zum Verständnis der Kolbenbewegungen, die in Fig. 1 dargestellt und in Fig. 4 graphisch veranschaulicht sind, wie sie bei der neuen Maschine mit den neuen Mitteln zur Koppelung der drehbaren Wellen mit den Kolbenpaaren auftreten, wird zweckmäßigerweise zuerst eine grundsätzliche Gesamtbeschreibung der Maschine gegeben .

Wie aus jedem Bild der Fig. 1 und aus Fig. 2 ersichtlich ist, hat die Maschine einen toroidförmigen Zylinder 1, der in seiner Seitenwandung drei Sätze von AuaLaß- und Einlaßöffnungen 2a und 3a, 2b und 3b bzw. 2c und 3c und in geeigneter Weise angeordnete Zündkerzen 4a, 4b und 4c aufweist, wobei diese öffnungen und die Zündkerzen jeweils mit 120° Abstand um den Zylinder 1 an nachfolgend noch beschriebenen Stellen angeordnet sind. Zwei Paare von gegenüberliegend angeordneten doppelseitigen Kolben

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A-B bzw. C-D gleiten im Zylinder 1 und steuern die öffnungen als Ventile durch Bedecken und Freigeben in der erforderlichen Weise; die Kolben jedes Paares sind durch drehbare Radialglieder 5 bzw. 6 untereinander verbunden. Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 sind diese Glieder als Speichen dargestellt, damit die einzelnen Betriebsphasen klarer zum Ausdruck kommen, in der praktischen Ausführungsform wären sie jedoch kreisförmige Scheiben, wie dies im Querschnitt gemäß Fig. 2 dargestellt ist, die gegeneinander in einem ringförmigen Schlitz gleiten, der im inneren Umfang des Zylinders 1 ausgebildet ist, wobei Dichtungen 7 zwischen den Gliedern oder Scheiben 5 und 6 sowie zwischen diesen und den Zylinderschlitzseiten vorgesehen sind, welche den Zylinder abdichten und gleichzeitig die Beschleunigungs- und Verlangsamungsbewegungen der Scheiben 5 und 6 erlauben.

Die drehbare Abtriebs- oder Antriebswelle 8 verläuft längs der Achse des Zylinders 1 und ist in einem Gehäuse 9 gelagert, das auch den Zylinder 1 trägt oder aus einem Stück mit diesem besteht. Die Scheiben 5 und 6 können auf dieser Welle 8 gelagert sein, jedoch sind sie in jedem Fall frei gegenüber dieser .Welle drehbar. Die Verbindungsmittel zwischen der Welle 8 und den Scheiben 5 und 6, welche eine abwechselnde Beschleunigung und Verlangsamung bei einer Wellendrehung ermöglichen, sind nachfolgend beschrieben, und zum besseren Verständnis seien zunächst die durch die Kolbenbewegungen bewirkten Arbeitszyklen und die Betriebsweise der Maschine im allgemeinen erläutert.

Bei einem Betrieb als Pumpe würden die Einlaßöffnungen, die gegebenenfalls miteinander verbunden werden können, den Einlaß darstellen. Die Aulaßöffnungen, die gewünschtenfalls ebenso miteinander verbunden werden können, würden den Ausgang bilden. Die Welle würde durch einen äußeren Antrieb in Drehung versetzt. Bei einer Betriebsweise als Verbrennungsmaschine oder Motor würden die Einlaßöffnungen mit einer Quelle einer Mischung aus einer brennbaren Flüssigkeit und Luft verbunden, und die Zündkerzen

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oder sonstigen Zündvorrichtungen würden an eine in geeigneter Weise zeitlich gesteuerte elektrische Hochspannungsquelle angeschlossen. Je nach Ausbildung des Getriebes und nach der Bogenlänge der Kolben läßt sich mit Hilfe der Kolben irgendein gewünschtes Verdichtungsverhältnis erreichen. Es ist auch ein Dieselbetrieb möglich, wobei dann entsprechend zeitlich gesteuerte Einspritzdüsen verwendet würden.

Im folgenden sei der Betrieb einer mit Zündkerzen arbeitenden Verbrennungsmaschine beschrieben, wobei der Betrieb für drei volle Wellenumdrehungen erläutert ist, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht sind.

Fig. 1a: Der Kolben C befindet sich am Ende des Verbrenungstaktes, er hat die Auslaßöffnung 2c freigegeben und sich auf den Kolben A zu bewegt und eine Zylinderfüllung komprimiert. Die Zündkerze 4a kann nun zünden. Der Kolben D ist durch den Kolben C auf den Kolben B zu bewegt worden und treibt eine verbrannte Zylinderfüllung durch den Auslaß 2b und saugt gleichzeitig durch die Einlaßöffnung 3a eine neue Füllung an, während der Kolben A die benachbarte Auslaßöffnung 2a bedeckt.

Fig. 1b: Die Zündkerze 4a hat gezündet; die Kolben C und D verbleiben bei der minimalen Geschwindigkeit: der Kolben A ist durch seinen Verbrennungstakt beschleunigt und abgebremst worden und hat die Auslaßöffnung 2a freigegeben und die Einlaßöffnung 3a bedeckt und komprimiert eine Zylinderfüllung gegen den Kolben D. Der Kolben B ist durch den Kolben A bewegt worden und hat die verbrannte Zylinderfüllung, die den Kolben C angetrieben hatte, durch die Auslaßöffnung 2c ausgestoßen und gleichzeitig eine neue Zylinderfüllung durch die Einlaßöffnung 3b angesaugt. Die Zündkerze 4b kann nun zünden.

Fig. 1c: Die Zündkerze 4b hat gezündet; der Kolben D ist durch den Verbrennungshub angetrieben worden und hat die Auslaßöffnung 2b freigegeben und die vorher durch den Kolben B angesaugte

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Zylinderfüllung komprimiert und gleichzeitig den Kolben C auf den Kolben A zu bewegt, der die zuvor verbrannte Zylinderfüllung durch die Auslaßöffnung 2a ausstößt und eine neue Zylinderfüllung durch die Einlaßöffnung 3c ansaugt. Nun kann die Zündkerze 4c zünden.

Fig. 1d: Die Zündkerze 4c hat gezündet; der Kolben B ist durch seinen Verbrennungshub bewegt worden, während die Kolben C und D auf geringer Geschwindigkeit verblieben sind, und der Kolben B komprimiert nun die Zylinderfüllung, welche zuvor der Kolben C angesaugt hat, und gibt die Auslaßöffnung 2c frei und treibt den Kolben A auf den Kolben D zu, so daß die durch die Zündkerze 4b verbrannte Zylinderfüllung ausgestoßen wird und eine neue Zylinderfüllung durch die Einlaßöffnung 3a angesaugt wird. Nun kann die Zündkerze 4a zünden.

Fig. 1e: Die Zündkerze 4a hat zum zweiten Mal gezündet; der Kolben C befindet sich am Ende seines Verbrennungshubes und hat die Auslaßöffnung 2a freigegeben und die vom Kolben A angesaugte Zylinderfüllung gegen diesen Kolben komprimiert; der Kolben C hat den Kolben D angetrieben, so daß die verbrannte Zylinderfüllung durch die Auslaßöffnung 2c ausgestoßen wird und eine neue Zylinderfüllung durch die Einlaßöffnung 3b angesaugt wird. Nun kann die Zündkerze 4b zum zweiten Mal zünden.

Fig. 1f: Die Zündkerze 4b hat gezündet und der Kolben A ist durehhseinen Verbrennungshub beschleunigt und verzögert worden. Der Kolben A hat die Auslaßöffnung 2c freigegeben und die vorher durch die Einlaßöffnung 3b vom Kolben D angesaugte Zylinderfüllung komprimiert. Die Zündkerze 4c kann nun wiederum zünden. Der vom Kolben A angetriebene Kolben B hat die verbrannte Zylinderfüllung durch die Auslaßöffnung 2a ausgestoßen und saugt eine neue Zylinderfüllung durch die Einlaßöffnung 3c an.

Bei den vorstehend erläuterten zyklischen Phasen können die Kolben ohne Stehenzubleiben auf eine minimale Geschwindigkeit

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verzögert werden,'und die komprimierte Zylinderfüllung wird an der zündenden Zündkerze vorbeibewegt. Gewünschtenfalls können die Kolben aber auch vollständig zum Stillstand kommen. Wenn irgendein Kolben durch das gezündete und sich ausdehnende Gas angetrieben wird, dann liefert er einen stetigen Arbeitshub von praktisch gleichförmiger Kraft, und der hinter ihm befindliche Kolben sollte solange wie möglich bei minimaler Geschwindigkeit oder bei völligem Stillstand verbleiben, damit eine maximal wirksame Hublänge erreicht wird. Die Beschleunigungs- und Verlangsamung sbewegungen sind zeitlich genau abgestimmt und gehen weich ineinander über unter vollständiger Steuerung durch die in Fig. 2 dargestellten Getriebe, die nun näher erläutert werden sollen.

Jede der Scheiben 5 und 6, die in Fig. 1 durch Speichen veranschaulicht worden sind, haben identische Verzahnungen. Die Scheibe 5 treibt ein kreisförmiges Zahnrad 10, oder wirk von ihm getrieben, das an ihr befestigt ist und konzentrisch zur Achse der Scheibe 5 und der Welle 8 ist. Das Zahnrad 10 kämmt mit dem kreisförmigen Zahnrad 11, das auf einer drehbaren Welle 12 befestigt ist, die im Getriebearm 13 gelagert ist, der seinerseits fest auf der Welle 8 sitzt. Das nichtkreisförmige Zahnrad 14 ist ebenfalls auf dieser Welle 12 befestigt und kämmt mit dem feststehenden Zahnrad 15, welches identisch mit dem Zahnrad 14 ist. Das Zahnrad 15 ist als Teil des Gehäuses 9 dargestellt, es kann aber auch am Gehäuse 9 befestigt sein. Die Scheibe 6 ist mit einer gleichen Verzahnung ausgebildet, wobei die entsprechenden Teile mit einem Index versehen sind.

Die nichtkreisförmigen Zahnräder sind üblicherweise elliptisch geformt, und da die Zahnräder 14 und 14¹ um die festen Zahnräder 15 und 15' umlaufen, werden sie beschleunigt und verzögert. Diese elliptischen Verzahnungen können um 180° gegeneinander versetzt sein, wenn es sich um elliptische Verzahnungen erster Ordnung handelt, bzw. um 90°, wenn sie zweiter Ordnung sind. Ihre Konstruktion bestimmt die Anzahl der Kolbenbeschleunigungs- und Verzögerungszyklen pro Umdrehung der Welle 8 und das Maß oder

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die Größe der Beschleunigung und Verzögerung. Die kreisförmigen Zahnräder 10 und 11 sowie 1O¹ und 11· bestimmen durch ihr Zahnverhältnis die Lfinge der Kolbenhube vom Minimum zum Maximum und zurück zum Minimum.

Um die in Fig. 1 dargestellten Zyklen zu bewirken, brauchen die nichtkreisförmigen Zahnräder nur leicht elliptisch zu sein, und durch Auswuchten und saubere Konstruktion läßt sich eine weich laufende Maschine erhalten. Die Anzahl der Zyklen und natürlich auch der öffnungen und Zündkerzen kann in einem weiten Bereich variieren. Der Kolbenhub bei einer praktischen Ausführungsform kann sehr lang sein. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsbewegungen lassen sich sehr weich und stoßfrei halten.

Das Diagramm der Fig. 4 dient dem Nachweis der zu erwartenden weichen Wirkungsweise des Getriebes. In diesem Diagramm zeigt die untere Kurve im flachen Verlauf die Periode des Anhaltens oder der minimalen Geschwindigkeit, die etwa bei 140° Wellendrehung beginnt und bei ca. 220 endet. Die obere Kurve hat einen entsprechenden flachen Bereich zwischen 320° und 410°. Diese Verweilzeit, also die flachen Stellen der Diagrammkurven, sollen so lang wie möglich sein, da der effektive Kolbenhub verringert wird, wenn einem durch die verbrannte Zylinderfüllung angetriebenen Kolben der Gegenkolben zu schnell nachfolgt. Jedoch ergibt eine lange flache Verweilzeit nicht den weichen Lauf, wie man ihn enthält, wenn man die Getriebe so ausbildet, daß nur eine verringerte Geschwindigkeit während derjenigen Zeiten auftritt, die durch die flachen Stellen der Diagrammkurven dargestellt sind. Die dargestellten Kurven veranschaulichen das Ergebnis, das man erhält, wenn man elliptische Getriebe erster Ordnung und einer spezifizierten Exzentrizität verwendet.

Die graphische Darstellung der Fig. 4 beruht auf den folgenden Getriebeberechnungen, die teilweise auf die im Fig. 3 erscheinenden Größen Bezug nehmen:

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1 -ε²

^wi \ 5 / 1 + ε² + 2ε cos φ_±

wobei: W₁ = Eingangsdrehzahl (Wellendrehzahl) W = Ausgangsdrehzahl (Kolbenuralaufdrehzahl) N₄ = Zähnezahl des Zahnrades 11 (Fig. 3) N₅ = Zähnezahl des Zahnrades 10 (Fig. 3) ε = numerische Exzentrizität der Ellipse

ι _ £ ^b - kleine Halbachse der Ellipse " i a = große Halbachse der Ellipse

n
V

φ^ = momentaner Drehwinkel der Ellipse (erster Ordnung) Die Winkelversetzungsbeziehung lautet folgendermaßen:

"Yi-e ^l ^φ1 tan [—τ-. / tan —s—

mit: φ. = Eingangswinkelversetzung.

Die durch die Formel 2 ausgedrückte Beziehung gibt das Verhältnis zwischen Ausgangswinkel und Eingangswinkel mit den Parametern N₄/N₅ und ε, wie vorstehend definiert, wieder.

Die Winkelbeschleunigung

Geht man von der vorstehenden Gleichung 2 für die Winkelgeschwindigkeit aus, so erhält man durch Differentiation die folgende Gleichung:

2/N₄ \ / ₂\ sin φ,

^ao^s-^Hir H^H —2 ^TT- ^{3)

\ 5 / \ / (1+ε^+2ε cos φ_±)'^ί

welche die Ausgangswinkelbeschleunigung α des Zahnrades bei konstanter Eingangswinkelgeschwindigkeit wiedergibt.

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-14-Parameterwerfce - Verhältnis N₄:N₅

Das Getriebe bewirkt ein bestimmtes Ausgangsverschiebungsmuster, wie nachfolgend angeführt:

♦1	0	2ir	4π	6π	8ττ	10ττ	12ττ
9O	0	TT 3	2π 3	ir	4ir 3	5ττ T	2π

Diese Tabelle veranschaulicht, daß für je sechs Eingangsumdrehungen das Ausgangszahnrad nur einmal umläuft. Um den richtigen Wert von N. zu N_g zu erhalten, läßt man φ. = 2v sein und

erhält

^N4 1 ^N4 5

_und τ- . _ _{und somit} = _ .

5 5

Damit ist ersichtlich, daß für jeden Wert φ. und den entsprechenden Wert θ , welcher die oben vorausgesetzten Bedingungen erfüllt, die Beziehung zwischen N₄ und N₅ immer bestimmt und fest ist. Der Wert W. ist bekannt, und der einzige zu bestimmende Parameter ist die Exzentrizität der elliptischen Zahnräder. Damit man die flache Charakteristik erhält, die bei etwa 140° beginnt und bis 220° der Wellendrehung in Fig. 4 reicht, soll die Exzentrizität 0,100 sein, wie die Rech-nungen zeigen. Hierbei zeigt die Kurve keine nennenswerte Abweichung von der Nullverschiebung in diesem Bereich der Wellendrehung noch erfolgt eine Umkehr zwischen diesen Punkten. Eine Umkehr der Kolbenbewegung würde nämlich andererseits nachteilige Trägheitsumkehrungen mit sich bringen.

Wie bereits vorstehend erwähnt worden ist, sollen die Getriebe vorzugsweise so ausgebildet sein, daß die Kolben nicht zum Stillstand kommen, sondern nur für eine kurze Periode niedriger Geschwindigkeit verzögert werden und dann auf ein Maximum beschleunigt werden , um anschließend wieder verzögert zu werden. Die

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technischen Daten für ein solches Verhalten stehen für die Berechnung der Verzahnungen für elliptische Zahnräder erster oder zweiter Ordnung zur Verfügung, und auch andere nichtkreisförmige Zahnräder lassen sich verwirklichen. .

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung liegt im Konzept der Kombination zweier elliptischer Zahnräder, deren eines fest und deren anderes als Planetenrad an einem Getriebearm gelagert ist, der fest auf einer Eingangs- oder Ausgangswelle sitzt, wobei die Zahnräder derart gestaltet sind, daß eine vorbestimmte Anzahl von Beschleunigungs- und Verzögerungszyklen pro Wellenumdrehung oder Umdrehungen ausgeführt wird; ferner umfaßt dieses Konzept die beiden kreisförmigen Zahnräder, von denen eines fest ist und die Kolbenbewegung steuert und das andere ein Planetenrad ist, welches durch das elliptische Planetenrad angetrieben wird oder dieses antreibt, wobei das Zähneverhältnis der beiden Zahnräder die Drehwinkelgrenzen der Zyklen bestimmt. Bei Verwendung mit einer identischen,. Kombination in geeigneter Phasenbeziehung läßt sich eine Maschine mit umlaufenden Kolben praktisch verwirklichen.

Versieht man einen toroidförmigen Zylinder mit Einlaß- und Auslaßöffnungen, mit Brennstoffeinspritzdüsen oder Zündvorrichtungen oder dgl. an notwendigerweise festen Stellen, an denen die Kolben sich gerade in einem Kompressions- bzw. Expansionszyklus befinden oder sich momentan mit der gleichen Geschwindigkeit vorbeibewegen, dann lassen sich diese Zyklen oder Bewegungen zeitlich so abstimmen, daß sie präzise und weich bei Winkelbereichen und innerhalb von Grenzen auftreten, die gegenüber diesen festen Teilen genau festgelegt sind.

Gewtinschtenfalls können die Glieder 5 und 6 auch mehr als nur ein Kolbenpaar tragen. Die entsprechenden Zahnradsysteme können in der Phase ihrer Winkel so abgestimmt sein, daß die Kolbenpaare zusammenarbeiten und die notwendige Übereinstimmung zwischen ihnen gegeben ist, wobei die Mittenpunkte zwischen den

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Extremen ihrer Beschleunigung und Verzögerung und Nacheilung oder den stationären Lagen eindeutig fixiert sind, was sich mit den bekannten Getriebeberechnungsmöglichkeiten erreichen läßt. Die beiden kreisförmigen Zahnräder jedes Getriebes bestimmen durch ihr Zähneverhältnis die Winkelbereiche dieser Bewegungen. Die Längen der Kolben lassen sich auf ein gewünschtes Kompressionsverhältnis hin bestimmen. Da die Grenzen dieser Bewegungen auf diese Weise präzise festgelegt sind, lassen sich auch die erforderlichen festen Teile, Ein- und Auslaßöffnungen, Zündvorrichtungen usw. genau in ihrer Lage bestimmen.

Es sollten mindestens zwei Kolbenpaare mit ihren zugehörigen Getrieben verwendet werden, die so bestimmt sind, daß mindestens ein Kompressionszyklus und ein Expansionszyklus auftritt, ohne daß sich die Kolben gegenseitig berühren, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen für den toroidförmigen Zylinder in geeigneter Weise gesteuert werden, so daß sich eine brauchbare Maschine ergibt.

Verwendet man diese Maschine als Verbrennungsmotor, der so gebaut ist, daß ein nacheilender aber sich vorwärts bewegender Kolben eine Kompressionszone zwischen sich und einem Kolben bildet, der sich aus seiner Verzögerung zu beschleunigen beginnt, aber sich vorwärts bewegt, wobei in dieser Zone die Zündung einer Zylinderfüllung erfolgt, dann läßt sich eine ausgezeichnete Verbrennung erreichen. Da der Zylinder toroidförmig ist, lassen sich Zündvorrichtungen an gegenüberliegenden Stellen in der Zylinderseite an dieser Zone vorsehen, so daß auch von dieser Seite eine vollständige Verbrennung sichergestellt wird. Da sich die Zone während der Verbrennung bewegt, tritt eine Kühlung über eine Bogenlänge des Zylinders auf, während der lange mögliche Kolbenhub für eine weitere Kühlung sorgt, wobei gleichzeitig eine vollständige Verbrennung jeglicher möglicherweise anfangs noch nicht gezündeter Brennstoffteilchen sichergestellt wird. Wegen des langen stetigen Kolbenantriebs, den man auf diese Weise erhält,

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kann ein Kompressionsverhältnis zugrundgelegt werden, welches niedriger als üblich für Hubkolbenmotoren ist, so daß auch von dieser Seite her kühlere Auspuffgase und natürlich auch geringere Auspuffgeräusche erzeugt werden.

Im Hinblick darauf läßt sich die Emission von Stickstoffoxiden sehr niedrig halten oder überhaupt vermeiden, da diese Oxide durch die Hochtemperaturverbrennung bedingt sind. Gleicherweise ist die Kohlenwasserstoffemission außerordentlich niedrig, da sich eine vollständige Verbrennung erreichen läßt. Auch werden die Auspuffgeräusche geringer.

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Claims (6)

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   Patentansprüche

   Maschine mit umlaufenden Kolben mit einem im wesentlichen toroidförmigen Zylinder, einer rotierenden Welle, die längs der Zylinderachse verläuft, mindestens zwei Paaren gegenüberliegend im Zylinder angeordneter Kolben, wobei die Kolben jedes Paares durch drehbare Radialglieder untereinander verbunden sind, ferner mit Mitteln zur Bildung einer Verbindung, welche die Drehkraft zwischen der Welle und den Radialgliedern überträgt, wobei diese und die mit ihnen verbundenen Kolben abwechselnd beschleunigt und verzögert werden, wenn sich die Welle dreht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für jedes der radialen Glieder durch je ein Getriebe (1O-15)gebildet werden, das einen auf der Welle (8) befestigten Arm (13) enthält, der radial von der Welle wegragt und ein quer verlaufendes Element (12) drehbar trägt, und ferner zwei miteinander kämmende identische nichtkreisförmige Zahnräder (14,15) enthält, von denen eines durch den Arm (13) getragen wird und als Planetenrad dient und in einer Drehantriebsverbindung zu dem Element (12) steht und deren anderes (15) feststehend und nicht drehbar ist und das Planetenrad (14) mit unterschiedlichen Drehzahlen in Drehung versetzt, wenn sich die Welle (8) mit dem Arm (13) dreht und welches schließlich Mittel (10,11) zur Bildung einer Drehantriebsverbindung zwischen dem Element (12) und dem Verbindungsglied (5) enthält.
2. 2) Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehantriebsverbindung zwischen dem Element (12) und dem Verbindungsglied (5) mindestens zwei kämmende kreisförmige Zahnräder (10,11) enthält, von denen eines fest mit dem Glied (5) verbunden ist und konzentrisch zu dessen Rotationsachse ist und deren anderes von dem Arm (13) als Planetenrad getragen wird und sich in Drehverbindung mit dem Element (12) befindet.

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3. 3) Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtkreisförmigen Zahnräder (14,15) eine im wesentlichen elliptische Form haben und daß das eine Zahnrad gegenüber dem anderen eine unterschiedliche Phasenlage hat.
4. 4) Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elliptischen Zahnräder (14,15) so geformt sind, daß eine vorbestimmte Anzahl von Beschleunigungs- und Verzögerungsbewegungen der Glieder (4,5) und der mit ihnen verbundenen Kolben (A,B;C,D) für jede vollständige Umdrehung der Welle (8) definiert ist, und daß die kreisförmigen Zahnräder (1O,11) ein Zähneverhältnis aufweisen, welches vorbestimmte Maximum- und Minimumgrenzen für diese Bewegungen bestimmt.
5. 5) Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (11,14) unmittelbar durch das Element (12) verbunden sind und sich um dessen Achse drehen.
6. 6) Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) Einlaß- und Auslaßöffnungen (2,3) aufweist, die von den Kolben (A,B;C,D) bedeckt und geöffnet werden und daß die zeitliche Bewegung der Getriebe (10,11,14,15) und die räumliche Lage dieser Öffnungen so bemessen ist, daß die Kolben die Zyklen einer Viertaktverbrennungsmaschine durchlaufen, daß ferner der Zylinder (1) mit Mitteln (Zündkerzen 4) zur Zündung einer verbrennbaren Zylinderfüllung während der Kompression versehen ist und daß die Kontur der elliptischen Zahnräder (14,15) und ihr zeitlicher Bewegungsablauf so bemessen sind, daß je zwei benachbarte Kolben während dieser Kompressionszyklen sich praktisch mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen und ein praktisch konstantes Volumen für die Zeit des Betriebes der Zündvorrichtung zwischen sich einschließen.

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