DE2633756A1

DE2633756A1 - Umlauf-motor

Info

Publication number: DE2633756A1
Application number: DE19762633756
Authority: DE
Inventors: Alexander Reginald Sutherland
Original assignee: HENLEY; SUTHERLAND IRIS JEAN CARRINGTO
Current assignee: HENLEY; SUTHERLAND IRIS JEAN CARRINGTO
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1976-07-23
Publication date: 1977-02-10
Also published as: FR2319013B1; US4128084A; FR2319013A1; GB1521217A

Description

Umlaufmotor

Diese Erfindung betrifft Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere einen Motor, bei dem ein von einer Kraftquelle erzeugter Linearschub durch ein Planeten-Orbitalelement auf eine drehbare Welle übertragen wird.

Bisher haben Umlaufmo.toren hinsichtlich der Abdichtung insofern ein Problem dargestellt» als der Rotor des Motors im allgemeinen eine gekrümmte Fläche bestreicht und die Abdichtung zwischen der bestreichenden Kante des Rotors und der Innenfläche des Stators angeordnet werden muss. Ba diese Dichtung sich zwischen einem Bereich hohen

Drucks, in dem die Verbrennung stattfindet, und einem Bereich vergleichsweise niedrigen Drucks befindet, führt eine schlecht ausgeführte Dichtung bei anderen Arten von Umlaufmotoren zu geringerer Leistung.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, dieses Problem dadurch zu beseitigen, dass man Kolben und zum Abdichten der Kolben herkömmliche Kolbenringe benutzt, da diesel Abdichtverfahren erprobt sind und sich als sehr wirksam erwiesen haben.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch eine Verbrennungskraftmaschine gelöst, die aus einer in einem Stator axial drehbar angeordneten "Welle besteht, wobei dieser Stator mehrere im winkelmässigen Abstand voneinander angeordnete und sich radial von der Wellenachse weg erstreckende Zylinder hat, die je einen hin- und her verschiebbaren Kolben enthalten, aus Einrichtungen zum Hin- und Herbewegen dieser Kolben in einer folgeabhängig synchronisierten Beziehung zueinander, aus einem Orbitalelement, das diesen Stator umfasst und so angebracht ist, dass es um diese Wellenachse eine Kreisbahnbewegung ausführen kann, aus mit den Kolben, dem Stator und dem Orbitalelement kraftschlüssig verbundenen Einrichtungen, die jeden Kolben mit einer entsprechenden Stelle am Orbitalelement so kuppeln, dass eine folgeabhängig synchronisierte Hin- und Herbewegung dieser Kolben eine Kreisbahnbewegung in diesem Orbitalelement erzeugt, und aus zwischen dieser Welle und diesem Orbitalelement angeordneten Zahnradeinrichtungen, die diese Welle in Ab-

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hängigkeit von der Kreisbahnbewegung dieses Rotors drehen.

Es soll nun eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbrennungskraftmaschine anhand der Zeichnungen beschrieben werden, die folgendes zeigen:

Fig* 1 eine Seitenansicht einer vorzuziehenden Fünfzylinder-Ausführungsform der Erfindung, die das Motorgehäuse zeigt,

Fig. 2 einen Längsschnitt des Motors von Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 1, Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 von Pig. 2, Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 von Fig. 2, Fig. 6 eine vereinfachte Perspektivdarstellung einer ersten Ausführungsform der Antriebszahnräder in auseinandergezogener Anordnung und

Fig. 7 eine vereinfachte Perspektivdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Antriebszahnräder in auseinandergezogener Anordnung.

Wie die Fig. 1 bis 5 zeigen, besteht die Verbrennungskraftmaschine gemäss der vorgezogenen Ausführungsform aus einem im wesentlichen zylinderförmigen Gehäuse 1 mit zwei Montagefüssen 2 und 3 (Fig. 3). Im Gehäuse 1 ist mittig ein Stator (Fig. 2) mit einem Endflansch 5 angeordnet, wobei der letztere durch Bolzen 6 starr mit dem Stator 4 verbunden ist, so dass Stator 4 und Gehäuse 1 fest miteinander verbunden sind.

Wie die Fig. 5 am deutlichsten zeigt, trägt der Stator 4

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fünf radial angeordnete Zylinder 7> die sich zum Gehäuse hin radial auswärts öffnen. In jedem Zylinder 7 befindet sich ein entsprechender Kolben 8, der sich in ihm hin- und herbewegen kann. Die Kolben 8 befinden sich zwischen den Zylindern 7 des Stators 4 und einem Orbitalelement 9 mit praktisch zylindrischer Gestalt. Zum Abdichten der Kolben in den Zylindern 7 dienen herkömmliche Ringe 21.

Die Kolben 8 tragen je eine Rolle 10 aus gehärtetem Stahl, die auf einer Achse 11 sitzt, wobei sich die Rollen 10 und die Achsen 11 in Längsrichtung erstrecken (Fig. 2) und die Rollen 10 in je einer entsprechenden Bahn oder Hut 12 liegen. Die Längsausdehnung der Nuten ist so ausreichend bemessen, dass sie die Rollen 10 aufnehmen können. Sie erstrecken sich jedoch nur über einen Teil des Umfanges der Innenwand 13 des Orbitalelements 9· Die Rolle 10 Jedes Kolbens 8 wird durch zwei, zwischen einem Zapfen 15 und einer entsprechenden Vertiefung 16 angeordnete Schraubenfedern 14 mit der entsprechenden Nut 12 in Berührung gehalten.

Im Stator 4 und Gehäuse 1 ist eine sich axial in Längsrichtung erstreckende Welle 17 (Fig. 2) in Legern 18, 19 und 20 drehbar gelagert. Auf die Welle 17 sind mehrere Nocken 22 (Fig. 2 und Fig. 3) aufgekeilt, die Einstellung und Betätigen der Einlass- und Auslassventile 28 und29 (Fig. 2) für die Zylinder 7 steuern. Die Tatsache, dass die Nocken einzeln auf die Welle 17 aufgekeilt sind, ermöglicht eine

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sehr feinfühlige Einstellung der Ventile, weil die Position jeder Nooke 22 unabhängig von den anderen verstellt werden kann.

Dreht sich die Welle 17 (siehe Fig. 3 und Fig. 4), so verdrehen die Nocken 22 die Backen 23 und bewegen dadurch Verstellschrauben 25, von denen jede an einer entsprechenden Backe 23 befestigt ist. Die Bewegung der Verstellschrauben 25 wird auf einen entsprechenden Drehhebel 26 übertragen, der an einem Ende einer entsprechenden, längs ausgerichteten und drehbar befestigten Ventileinstellstange 24 (Fig. 4) befestigt ist. Das andere Ende der Ventileinstellstangen ist mit einem Ventilstössel 27 verbunden. Die Bewegung der Drehhebel 26 veranlasst eine Drehung der entsprechenden Ventileinstellstange 24 und die Betätigung des entsprechenden Ventilstössels 27, der seinerseits eines der Ventile 28 oder 29 (Fig. 2) betätigt.

Die Ventile 28 und 29 steuern das Ansaugen brennbarer Gase durch die Einlassöffnungen 30 (Fig. 4·) in die Zylinder 7 und das Ausschieben des durch Verbrennung erzeugten Auspuffgases durch Auslassöffnungen 31· Die Bewegung der Ventile 28 und 29 wird durch Betätigen der Ventilstössel 27 gegen die Federkraft von Schraubenfedern 32 gesteuert, die die Ventile 28 und 29 in ihre geschlossene Stellung drücken.

Es dürfte daher unschwer zu erkennen sein, dass die Kolben 8 in den Zylindern 7 hin- und herbewegt und brennbare Gase in die Zylinder 7 eingebracht und Auspuffgase aus den

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Zylindern ausgestossen werden können. Somit lässt sich eine herkömmliche Innenv^erbrennung erreichen, wobei Viertaktbetrieb die erwünschte Betriebsart des Motors der vorgezogenen Ausfuhrungsform ist. Die für jeden Zylinder 7 benötigte Zündkerze lässt sich in die Öffnungen 33 einschrauben; das Kühlwasser wird durch einen Einlass 34- (Fig.2 und Fig. 3) in den Stator 4 eingelassen und verlässt ihn durch den Auslass 35 (Fig. 2).

Nunmehr soll anhand von Fig. 5 die Arbeitsweise der Verbrennungskraftmaschine der vorgezogenen Ausführungsform beschrieben werden. Die Kolben 8 können in den Zylindern 7 in einer synchronisierten Aufeinanderfolge hin- und herbewegt werden, wobei in Fig. 5 die Stellungen der Kolben 8 für einen einzigen Takt dargestellt sind. Die zwei obersten Kolben A und B befinden sich kurz vor bzw. kurz hinter dem oberen Totpunkt; der unterste Kolben D befindet sich im unteren Totpunkt.

Weil sich der Kolben D im unteren Totpunkt befindet, hat das Orbitalelement 9 in. der Nähe des Kolbens D den grössten Abstand vom Stator 4-, während sich das Orbitalelement 9 in der Umgebung zwischen den Kolben A und B sehr nahe am Stator 4- befindet.

Wenn sich der Kolben zum oberen Totpunkt bewegt, bewegt sich Kolben A zum unteren Totpunkt. Dabei bewegt sich das Orbitalelement 9 so, dass das Orbitalelement in der Gegend des Kolbens A den grössten Abstand vom Stator 4- hat. Er-

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reicht der Kolben D den oberen Totpunkt, so befindet sich das Orbitalelement 9 in der Nähe des Kolbens D sehr nahe am Stator 4-. Die Zündfolge ist A, C, E, B, D, A ... usw.

Wenn also die Kolben 8 einen vollständigen Takt ausführen, so bewegt sich das Orbitalele^ement in einer Kreisbahn, bei der sich jeder Punkt auf dem Orbitalelement radial einwärts und auswärts längs einer Linie bewegt, die sich von der Welle 17 aus radial erstreckt. Das Orbitalelement führt dabei keine Dreh- oder Umlaufbewegung aus, sondern behält während der Kreisbahn stets dieselbe Orientierung. Deshalb bewegt sich die geometrische Mitte des Orbitalelements 9 auf einem geometrischen Ort, der ein mit der Welle 17 koaxialer Kreis ist. Man könnte auch sagen, dass das Orbitalelement 9 eine kreisförmige Planetenbahn um die Achse der Welle 17 beschreibt, dass aber das Orbitalelement 9 sich überhaupt nicht um seine eigene Achse dreht, abgesehen von einer geringen pendelnden Drehbewegung von einigen wenigen Grad, die dadurch verursacht wird,dass sich die Rollen IO in ihrer Bahn 12 vorwärts und rückwärts bewegen, während der entsprechende Kolben 8 einen Takt durchläuft.

Am besten kann man sich die Bewegung des Orbitalelements verdeutlichen, wenn man die Bewegung eines Poliertuches betrachtet, das gegen eine Fensterscheibe gedruckt wird, z.B. durch die Hand einer Person, während diese Person ihre Hand in einer kreisenden Polierbewegung bewegt, ohne das Handgelenk zu verdrehen. Es dürfte ohne weiteres einleuchten,

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dass sich unter diesen Bedingungen das Poliertuch auf einem kreisförmigen Weg oder einer Kreisbahn bewegt, aber selbst nicht rotiert.

Die longitudinale Hin- und Herbewegung des Kolbens 8 erzeugt eine Planetenkreisbahnbewegung des Orbitalele,ents 9· Diese Bewegung des Orbitalelements 9 wird an die Antriebszahnräder des Motors angelegt, um eine Umdrehung der Welle 17 zu erzeugen.

Eine erste Ausführungsform von für den Motor der vorgezogenen Ausführungsform geeigneten Antriebszahnrädern zeigen Fig. 2 und Fig. 6. Die Antriebszahnräder bestehen aus einem innenverzahnten Zahnradmechanismus, der durch das auf der Welle 17 geformte und mit der letzteren drehbare Stirnrad 40 gebildet wird; das Orbitalelement 9 hat eine innere verzahnte und zylindrische Fläche 4-1 mit Zähnen 4-2.

Der Hohlraum zwischen dem Stirnrad 40 und der Fläche 41 ist an einer Seite mit einer Gleitplatte 4-3 abgedeckt, die am Stirnrad 40 befestigt ist und in gleitendem Kontakt mit dem Orbitalelement 9 steht, um das Eindringen von Schmutz und Fremdkörpern in den erwähnten Hohlraum zu vermeiden. Ein Schwungrad 44- ist ebenfalls am Stirnrad 40 befestigt und steht in Gleitkontakt mit einer Oberfläche eines Flansches 4-5 sm Orbitalelement 9» um die andere Seite des obenerwähnten Hohlraumes zu verdecken.

In einem vorgegebenen radialen Abstand von der Welle 17 ist am Schwungrad 44 ein Kugellager 46 befestigt, und zwar so, 609886/0887 ~⁹~

dass die Aussenflache des Kugellagers 46 an der zylindrischen Aussenflache des Flansches 45 anliegt, um den Eingriff zwischen dem Stirnrad 40 und einem Teil der verzahnten Oberfläche 41 aufrechtzuerhalten.

Es dürfte daher ohne weiteres zu erkennen sein, dass die Welle 17 durch die Lager 18, 19 und 20 festgehalten wird, so dass sich die Welle 17 nur um ihre Achse drehen kann, während das Orbitalelement 9 die oben beschriebene "Poliertuch"-Kreisbahnbewegung ausführt. Wenn daher das Orbitalelement 9 durch die Kolben 8 angetrieben wird, zwingt der Eingriff zwischen Stirnrad 40 und verzahnter Oberfläche die Welle 17 sich zu drehen. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 17 * bezogen auf die Umlaufgeschwindigkeit des Orbitalelements 9» wird durch das Zähnezahl-Verhältnis zwischen Stirnrad 40 und Oberfläche 41 bestimmt.

Vorzugsweise ist die Oberfläche des Schwungrades 44 ebenfalls verzahnt, um ein Antriebszahnrad für Wasserpumpe, ölpumpe, Zündverteiler, Unterbrecherkontakte (sämtlich nicht dargestellt), usw. zu erhalten.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform eines Antriebszahnradmechanismus, der für die Verbrennungskraftmaschine der vorgezogenen Ausführungsform geeignet ist. Der Zahnradmechanismus besteht aus Welle 17, Gleitplatte 43 und Schwungrad 44 wie oben, nur dass hier das Kugellager 46 nicht mehr benötigt wird. Schwungrad 44, Gleitplatte 43 und Welle 17 sind durch Zapfen 47 miteinander fest verbunden,

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Das Orbitalelement hat eine innen ausgeschnittene, quasisinuslinige Fläche 48, die vorzugsweise dieselbe Anzahl (5) von Scheitelflächen 49 hat, wie Zylinder 7 vorhanden sind. Als Zylinderzahl wird vorzugsweise eine ungerade Zahl gewählt, da dann eine bessere harmonische Aufhebung von Schwingungen möglich ist. Zwischen je zwei Scheitelflächen

49 befindet sich eine Mulde 50.

An den Zapfen 47, von denen einer nicht dargestellt ist, ist je ein Rollenlager 51 befestigt, wobei die Anzahl (3) der Rollenlager 51 um zwei gerimger ist als die Anzahl (5) der Scheitelflächen 49.

Auch hier wird die Welle 17 durch ihre Lager so festgehalten, dass sie nur um ihre Längsachse rotieren kann. Wenn das Orbitalelement 9 seine Kreisbahnbewegung durchmacht, werden die Rollenlager 51 der Reihe nach so von den Mulden

50 erfasst, dass jederzeit zwei der Rollenlager 51 durch die Mulden 50 erfasst werden. Auf diese Weise wird die Ereisbahnbewegung des Orbitalelements 9 in eine Rotationsbewegung der Welle 17 umgesetzt.

Mir den in der Fig. 6 dargestellten Zahnradmechanismus ist das Kugellager 46 deshalb erforderlich, weil bei stehendem Motor die Kompression in den Zylindern bestrebt ist, sich auszugleichen, wobei dadurch das Orbitalelement 9 bestrebt ist, sich so zu bewegen, dass der Eingriff zwischen dem Stirnrad 40 und der verzahnten Oberfläche 41 aufhört. Bei laufendem Motor dagegen hält die Wechselwirkung der

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Kolben 8 mit dem Orbitalelement 9 die verzahnte Oberfläche 4-1 and das Stirnrad 40 in Eingriff; diese Wechselwirkung wird durch das Kugellager 46 unterstützt.

Bei dem in der Fig. 7 dargestellten Zahnradmechanxsmus jedoch wird das Kugellager 46 nicht benötigt, weil stets zumindest eines der Rollenlager 51 zumindest teilweise in einer der Mulden 50 liegt.

Die vorstehenden Ausführungen beschreiben lediglich einige Ausfuhrungsformen der Erfindung, und es sind für den Fachmann auf der Hand liegende Änderungen möglich, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen. So kann z.B. die Anzahl der Zylinder eine andere sein und braucht keine ungerade Zahl zu sein. Weiterhin braucht die Verbrennungskraftmaschine nicht nach dem Viertakt-Verfahren zu arbeiten, denn das Zweitakt- oder Dieselverfahren sind ebenfalls möglich.

Ausserdem müssen sich die Zylinder nicht bis zur Umfangsoberflache des Stators zu erstrecken, sondern können sich innerhalb des Stators befinden. Bei einer derartigen Anordnung würde man die Kolben in den Zylindern mit Hilfe einer Pleuelstange oder eines Gestänges mit der Innenfläche des Orbitalelements verbinden.

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Claims

FATEHT ANSPRÜCHE

IJ Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine aus einer um ihre Achse drehbar in einem Stator befestigten Welle besteht, wobei dieser Stator mehrere, in winkelmässigem Abstand voneinander angeordnete Zylinder aufweist, die sich von dieser Welle aus radial erstrecken und von denen jeder einen hin- und herbewegbaren Kolben enthält, aus Einrichtungen zum Hin- und Herbewegen dieser Kolben in einer folgeabhämgig synchronisierten Beziehung zueinander, aus einem Orbitalelement, das diesen Stator umfasst und so eingerichtet ist, dass es um diese Wellenachse eine Kreisbahnbewegung ausführen kann, aus mit den Kolben, dem Stator und dem Qrbitalelement kraftschlüssig verbundenen Einrichtungen, die jeden Kolben mit einer entsprechenden Stelle am Orbitalelement so kuppeln, dass eine folgeabhängig synchronisierte Hin- und Herbewegung dieser Kolben eine Kreisbahnbewegung in diesem Orbitalelement erzeugt, und aus zwischen dieser Welle und diesem Orbitalelement angeordneten Zahnradeinrichtungen, die diese Welle in Abhängigkeit von der Kreisbahnbewegung dieses Orbitalelements drehen.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese im Orbitalelement die Kreisbahnbewegung veranlassende Einrichtung aus einer Nut in der Innenfläche des Orbitalelements an jeder dieser entsprechenden Stellen besteht, aus einem Vorsprung am radial äusseren Ende jedes Kolbens und aus zwischen diesen Kolben und diesem Stator angeordneten elastischen Einrichtungen, die diese Vorsprünge in anliegenden Eingriff mit der entsprechenden Nut zwingen.

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3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche dieses Orbitalelements praktisch zylindrisch ist, dass diese Vorsprünge aus einer drehbaren Rolle bestehen, deren Längsachse parallel zur Längsachse dieser zylindrischen Innenfläche des Orbitalelements verläuft und dadurch, dass diese Nuten in Längsrichtung eine Ausdehnung haben, die der Längsausdehnung dieser Rollen entspricht.
4-. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass diese Zahnradexnrichtungen aus einer zylindrischen, verzahnten Innenfläche dieses Orbitalelements bestehen, aus einem zusammen mit dieser Welle drehbar befestigten Stirnrad und aus einer zusammen mit diesem Stirnrad drehbar befestigten Rolle, die an einer zylindrischen Aussenf lache dieses Orbitalelements anliegt, so dass die Bewegung dieser zylindrischen Aussenfläche an dieser Rolle vorbei diese verzahnte Oberfläche mit dem Stirnrad in Eingriff hält.
5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Zahnradexnrichtungen aus einer Innenfläche des Orbitalelements mit mehreren vollständigen, in gleichmassigen Abständen angeordneten Scheitelflächen und Mulden bestehen und aus mehreren Rollen, die in radialem Abstand von dieser Welle und mit der letzteren zusammen drehbar angeordnet sind und der Reihe nach während der Kreisbahnbewegung dieses Orbitalelements zum Eingriff in diese Mulden gebracht werden können, um diese Welle in Umdrehung zu versetzen, wobei die Anzahl dieser Rollen um zwei geringer ist als die Anzahl dieser Mulden.

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6. Motor nach sämtlichen vorstehenden Ansprüchen, der ein Einlass- und ein Auslassventil umfasst, die sich in das radial innere Ende dieser Zylinder öffnen, elastische Einrichtungen, die diese Ventile in eine geschlossene Stellung zwingen und ein entsprechendes mechanisches Gestänge, um zum öffnen der Ventile die Ventile gegen diese elastischen Einrichtungen zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass diese mechanischen Gestänge durch eine durch diese Welle drehbare !Tockenoberflache betätigt werden können.
7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese Nockenoberfläche die Oberflächen von auf diese Welle aufgekeilten Nocken sind, um dadurch die Betätigungszeit dieser mechanischen Gestänge um diskrete Zeitspannen unabhängig verstellbar zu machen.
8. Motor nach sämtlichen vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse dieses Orbitalelement umfasst und an diesem Stator befestigt ist.

9- Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Aussenflächen dieses Stators praktisch Zylinderflächen sind.

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