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Rotationskolbenmotor
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Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor, insbesondere in
Verwendung als Antriebseinheit eines Wasserstoffmotors, in dem die Energie der unter
hohem Druck stehenden Produkte der Verbrennung von Wasserstoff in eine dem Antrieb
beliebiger Vorrichtungen dienende Rotation umgesetzt wird.
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Es sind verschiedene Rotationskolbenmotoren bekannt, die Rotoren mit
Leistungsteilen und im Gehäuse gelagerte Absperrteile enthalten. Diese bekannten
Motoren sind alle relativ kompliziert gebaut und weisen nur kleine Arbeitsräume
auf.
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Allen gemeinsam und nur unbefriedigend gelöst ist das Problem der
Uberwindung des beim Umlauf des Kolbens vorhandenen toten Punktes und der momentanen
Ausnutzung des vollen Drucks der Verbrennungsgase der Wasserstofflamme, so daß diese
nicht ihre volle Kraft entwickeln können, Energie verlorengeht und der Wirkungsgrad
des Rotationskolbenmotors klein bleibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotationskolbenmotor
von größtmöglicher Einfachheit anzugeben, der große Arbeitsräume aufweist, einfach
hergestellt werden kann und in dem der Druck der Verbrennungsgase voll genutzt wird.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotationskolbenmotor gelöst, bei dem
innerhalb der Arbeitsräume keine Kompression stattfindet, wodurch diese stark vergrößert
werden können und die gesamte Konstruktion stark vereinfacht werden kann.
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Stattdessen findet eine gewisse Kompression in einer Verbrennungskammer
außerhalb der Arbeitsräume statt, wenn unter anhaltender Verbrennung von Wasserstoff
die den Einlaß des Arbeitsmittels in den Rotationskolbenmotor regelnde Ventile versperrt
sind und sich der Rotor mit seinem Leistungsteil infolge der eigenen Trägheit um
einen bestimmten Winkel weiterdreht und dabei einen Leertakt ausführt.
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Der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor weist ein Gehäuse auf, das
von einem nicht geschlossenen Zylinder, einem in den Ausschnitt des Zylinders eingesetzten
Segment und zwei Deckplatten, die zwischen sich sowohl den nicht geschlossenen Zylinder
als auch das Segment halten, gebildet wird. Zwei durch das in die oeffnung des Zylinders
eingesetzte Segment gebildete Spalten dienen als Eingangs- und Ausgangskanäle. Koaxial
mit dem Zylinder ist innerhalb desselben ein in den Deckplatten gelagerter walzenförmiger
Rotor mit einem als Vorsprung ausgebildeten Leistungsteil drehbar angeordnet, dessen
Vorderkante dicht an
der Gehäuseinnenwand anliegt. Das in die oeffnung
des Zylinders eingesetzte Segment enthält ein Absperrteil, das den Raum zwischen
dem Rotor und der Gehäuseinnenwand, d.h. den Arbeitsraum, in zwei getrennte Räume
unterteilt, von denen einer über die Einlaßöffnung mit dem Arbeitsmittel und der
andere mit dem Ausgang verbunden ist. Das Absperrteil ist drehbar in dem Segment
gelagert und erlaubt den Durchgang des sich mit dem Rotor drehenden Leistungsteils,
wobei es gleichzeitig mit diesem dichtend zusammenwirkt In dem Einlaßkanal ist ein
Absperrventil angeordnet, dessen Bewegungen über einen Nockenmechanismus synchron
mit dem sich drehenden Rotor geregelt werden. Vorteilhafterweise ist das Absperrteil
mit einem Vorsprung versehen,der sich in einem Kanal, der bei geschlossenem Absperrventil
zum Arbeitsmittel hin offen ist, zusammen mit dem Absperrteil bewegt.
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In einer alternativen Ausführungsform werden auch die Bewegungen des
Absperrteils durch einen selbständigen Nockenmechanismus gesteuert.
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Die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Lösung sind der folgenden Figurenbeschreibung
zu entnehmen, in der die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert
wird. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor,
Fig.
3 drei entscheidende Stellungen des Leistungsteils und des Absperrteils, Fig. 4
Einzelteile des Nockenmechanismus und des Ventils, Fig. 5 Dichtungen.
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Der erfindungsgemäße Rotationskolben besteht aus einem Gehäuse 1 (Fig.
1 und 2), das die Form eines nicht geschlossenen, d.h.
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aufaeschnittenen, mit einem Ausschnitt versehenen Zylinders hat.
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In den Ausschnitt des Zylinders ist ein Segment 23 eingesetzt, wodurch
in dem Gehäuse 1 ein Eingangskanal 17 und ein Ausgangs-16 kanal,gebildet werden.
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Die gesamte Konstruktion wird durch zwei Deckplatten 3 (Fig. 1) zusammengehalten,
in die z.B. kreisförmige Nuten 14 geschnitten sind, in die die Gehäusewände mit
kreisförmigen Stegen und das Segment 23 eingepaßt sind. Die Deckplatten 3 enthalten
außerdem noch verschiedene Lager 8 und 10, die dazu dienen, einen Rotor 2 koaxial
in dem zylindrischen Gehäuse 1 zu zentrieren und Axialverlagerungen des Rotors 2
zu verhindern.
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Die Deckplatten 3 sind mit Schrauben 13 an dem Gehäuse 1 und mit Schrauben
18 an dem Segment 23 befestigt (Fig. 1 und 2).
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Der koaxial in dem zylindrischen Gehäuse 1 angeordnete Rotor 2 weist
einen sich über die ganze Höhe des Zylinderraumes erstreckenden Vorsprung 32 auf,
der die Funktion eines Leistungsteils hat und vorteilhafterweise als integrer Bestandteil
des Rotors 2 ausgeführt ist. An dem Vorsprung 32 sind stoßdämpfende Flächen 19 (Fig.
2) vorgesehen. Die Form des Vorsprungs 32
ist prinzipiell variierbar
und den jeweiligen Anfordernissen anzupassen.
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In den Fig. 2 und 3 ist ein Vorsprung 32 gezeigt, dessen Fläche nach
der einen, d.h. dem Druck des Arbeitsmittels zugewandten Seite 33 (Fig. 3) hin eben
ist, während das Profil der anderen Seite 34 einen Bogen oder eine Kurvenlinie beschreibt,
wobei die Länge des Bogens soweit wie möglich einer BerUhrungsfläche eines in dem
Segment 32 angeordneten Absperrteils 4 (Fig. 1, 2, 3) entsprechen soll.
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Das eine Ende der stoßdämpfenden Fläche 19 ist über eine Verlängerung
36 und eine Bohrung 37 an dem Vorsprung 32 des Rotors 2 befestigt. Die Verlängerung
36 sollte mit der Innenseite 38 des Gehäuses 1 dichtend zusammenwirken. Zur anderen
Seite hin ist die stoßdämpfende Fläche mit einer elastischen Verlängerungskante
39 versehen, die in einer Vertiefung 40 des Rotors 2 liegt und mit diesem beispielsweise
mit Stiften 41 fest verbunden ist (Fig. 3).
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Der Raum zwischen dem Rotor 2 und den Innenwänden des Gehäuses 1 bildet
den Arbeitsraum 12 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors. Der Querschnittsfläche
dieses Arbeitsraumes 12 wird die Querschnittsfläche des Einlaßkanals 17 in definierter
Weise angepaBt. Die beiden Querschnittsflächen sind gleich groß, wenn möglichst
wenig Energie verlorengehen soll.
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In dem im Ausschnitt des zylindrischen Gehäuses 1 eingesetzten Segment
23 sind Lager 24 (Fig. 2) für das bewegliche Absperrventil 4 angeordnet. Auf diesem
ist ein kleinerer Vorsprung 25 vorgesehen.
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Der kleinere Vorsprung 25 kann sich zusammen mit dem gesamten schwenkbaren
Absperrteil 4 auf dem Teil einer Kreisbahn bewegen, wobei er sich in einem Kanal
22, der über einen Leitungskanal 21 mit dem Eingangskanal 17 in Verbindung steht,
derart bewegt, daß der Kanal 22 stets versperrt ist. In einer weniger vorteilhaften
Ausführung kann anstelle der Kanäle 22 und 17 auch eine Rückstellfeder vorgesehen
sein. Die Kante des Absperrteils 4 wirkt dichtend mit der Oberfläche des Rotors
2 zusammen. Als Dichtungen sind in den Kanten des Absperrteils 4 Blätter 47 mit
Verdickungen 48 vorgesehen (Fig. 5), die in einer Nut 49 gelagert sind, die derart
ausgeformt ist, daß eine vorspringende Kante 50 der Nut 49 auf das Dichtungsblatt
47 drückt, wenn sich in dem Arbeitsraum 12 das unter Druck stehende Arbeitsmittel
befindet.
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Das gesamte Dichtungssystem mit den Dichtungen 47 ist in Fig.S dargestellt.
Die Abbildung 5.1 zeigt einen Winkel r der sich im Verlaufe der Abnutzung der Dichtungen
47 vergrößert. Auf der einen Seite der auf Abbildung 5.1 gezeigten Konstruktion
(a,b oder c) ist eine Dichtung mit einer Scheibe 52 befestigt, die an dem die Dichtung
tragenden Teil mit Schrauben 53 befestigt ist und auf der einen Seite der Form der
Nut 49 folgt.
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In dem Eingangskanal 17 ist ein Absperrventil 26 (Fig. 2 oder 4) angeordnet.
Dieses Absperrventil besteht aus zwei kreisförmigen Scheiben 27 (Fig. 4), die miteinander
durch ein Arbeitsteil 26 des Ventils verbunden sind. Die Scheiben sind in den Deckplatten
3 des Gehäuses 1 gelagert, in dem dafür besondere
Lager 5 (Fig.
1) vorgesehen sind. Die Scheiben können aber auch außerhalb des Gehäuses gelagert
sein. An einer der Scheiben 27 ist eine zentrale Achse 30 (Fig. 4) ausgeführt, in
der eine Vertiefung 31 (Fig. 4) zur Befestigung eines Exzenters 15 (Fig. 1 und 4)
vorgesehen ist.
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Das Ventil kann in Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse auch
in anderer Form ausgeführt sein.
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Auf der Achse 9 (Fig. 1) des Rotors ist ein Nocken 54 (Fig. 1 und
4) befestigt, auf den z.B. eine gelagerte Rolle 55 eines Stößels drückt. Die Form
des Nockens ist genau durch die Größe des Ausschnitts im zylindrischen Gehäuse bestimmt.
Die wichtigste Dimension des Nockens 54 ist der Winkel p (Fig. 4), der im Idealfall
genau so groß ist wie der Winkel OL (Fig. 3). Da sich wegen des Materialverschleißes
Idealmaße nicht lange einhalten lassen, sollte der Winkel B des Nockens aber etwas
größer sein als der Winkel oC und etwa mit dem in Fig. 3 gezeigten Winkels:(1 identisch
sein. Die Größe r1 - r2 (Fig. 4) muß mit der Größe A,B (Fig. 4) übereinstimmen.
Der Nocken 54 kann mit Hilfe einer durch eine Bohrung in dem Ring, an dem der Nocken
54 ausgebildet ist, geführten Befestigungsvorrichtung auf der Achse 9 befestigt
werden.
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Der mit dem Nocken zusammenwirkende Stößel besteht z.B. aus einer
gelagerten Rolle 55 und einer Stößelstange 56, die von auf dem Gehäusedeckel 3 angeordneten
Führungen 57 (Fig. 1 und 4) gehalten wird. Die Stange 56 ist mit einem Gelenk 58
(Fig. 4)
versehen, in dem sie abknicken kann, und mit einer Auflage
59 für eine Feder 60, die mit ihrem anderen Ende die Führungsschiene 57 beaufschlagt.
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Das hinter der Abknickung liegende Ende der Stößel stange 56 ist mit
dem Exzenter 15 verbunden (Fig. 4), der sich aus einem Stift 61, einer Durchgangsbohrung
62 und einem zweiteiligen Steg 63, der eine Querbohrung für eine Schraubverbindung
aufweist, zusammensetzt. Der Exzenter 15 wird mit der Achse 30 (Fig. 4) verbunden,
indem diese durch die Durchgangsbohrung 62 geführt und durch eine Scheibe 65, die
in eine Nut 31 in der Achse 30 des Ventils 26 eingeschoben und im Steg 63 des Exzenters
verschraubt wird, gegen gegenseitiges Verdrehen von Achse 30 und Exzenter 15 gesichert
wird. über diesen Exzenter 15 kann in einer abgewandelten Ausführung außer dem Ventil
26 auch das Absperrteil 4 gesteuert werden. Da dabei aber eine ungünstige Phasenbeziehung
zwischen dem Absperrteil 4 und dem Absperrventil 26 eingestellt würde und Energieverluste
eintreten, wird für den Fall einer Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl
das Absperrteil 4 und das Absperrventil 26 über mit der Kolbenachse 9 verbundene
Nockensysteme geregelt werden, vorgeschlagen, einen zweiten Nocken 66 für die Steuerung
des Absperrteils 4 vorzusehen. Der Nocken 66 ist in Fig. 4 mit Strichlinien eingezeichnet.
Der Winkel B1 dieses Nockens 66 sollte klein sein.
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Bei einer Steuerung des Absperrteils 4 über einen Nockenmechanismus
sind die stoßdämpfenden Flächen 19 (Fig. 2) überflüssig.
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Mit einem zweiten Nockenmechanismus für die Steuerung des Absperrteils
4 kann erreicht werden, daß das Absperrteil etwas früher in die dichtende Stellung
zurückgeführt wird als in dem Fall, wenn es von dem Vorsprung 32 mitgenommen wird.
Bei der Öffnung des Absperrventils 26 entfällt dann ein wDämpfungseffekt", der dadurch
hervorgerufen wird, daß das Arbeitsmittel das Absperrteil zurückbewegt und somit
in geringem Umfange auch nach dieser Richtung hin Arbeit leistet. Ist das Absperrteil
4 bei der Öffnung des Ventils 26 bereits wieder zurückgeführt, trifft der Druck
des Arbeitsmittels in voller Stärke auf den gerade in Position c in Fig. 3 befindlichen
Vorsprung 32, und die Expansion und der innere Druck des Arbeitsmittels kann voll
genutzt werden.
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Ob eine doppelte Nockensteuerung vorzuziehen ist oder nur die einfache
Steuerung des Absperrventils 26 über einen Nocken 54, hängt von dem Verwendungszweck
des Rotationskolbennotors und damit von seiner Größe, Drehzahl und Leistung ab.
Wird das Absperrteil über einen zweiten Nocken gesteuert, ist auch eine Ausführung
möglich, bei der es in radialer Richtung aus der Bahn des Vorsprungs 32 herausbewegt
wird. Damit der Rotationskolbenmotor dicht ist, ist noch ein System besonderer Dichtungen
vorgesehen, die den Rotor 2 abdichten. Dazu sind auf dem Rotor 2 in Aussparungen
oder auf VorsprUngen 20 (Fig. 1, 2) Seitendichtungen 11 angeordnet. Diese Seitendichtungen
11 werden zur Rotation mit dem Rotor 2 gezwungen und drUcken mit ihrer
Außenseite
unter Ausnutzung der Fliehkraft und ihrer Elastizität dichtend gegen eine Wand 6
der Deckplatte 3. Die Innenseite 43 (Fig. 5) der Dichtung 11 wird durch eine Feder
7 (Fig. 1) an den Rotor 2 gedrückt. Die Feder 7 ist in einer Nut 44 der Dichtung
11 angeordnet und ist wie in Fig. 5 gezeigt ausgeführt, d.h. sie ist ein gewelltes
Band 45. Die Dichtung 11 und die Feder 7 sind aufgeschnitten (46). Die Feder 7 kann
zur Vermeidung von zusätzlichen Reibungen auch gelagert sein.
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Die Funktionsweise des Rotationskolbenmotors in seiner entscheidenden
Phase, d.h. im Leertakt, wenn derTotpunkt überwunden ist, geht besonders klar aus
Fig. 3 hervor.
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Unter a) ist der Moment gezeigt, wenn der Arbeitstakt gerade beendet
ist und der Vorsprung 32 einerseits den Ausgang 16 erreicht, andererseits aber über
die stoßdämpfende Fläche 19 das Absperrteil 4 zu beaufschlagen beginnt. In diesem
Moment wird über den Nockenmechanismus das Absperrventil 26 geschlossen.
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Im Punkt b) ist der Ausgangskanal 16 geöffnet, auf das Absperrteil
4 wirkt infolgedessen und infolge des geschlossenen Absperrventils 26 kein Gegendruck
und es kann den Weg für den Durchgang des Vorsprungs 32 freigeben. Lediglich über
den kleinen Vorsprung 25 steht es mit der Verbrennungskammer in Verbindung, wodurch
es pneumatisch gefedert ist. Die Fläche des Absperrteils 4, die mit dem Vorsprung
32 bzw. dessen stoSdämpfender Fläche 19 zusammenwirkt, kann ebenfalls stoßdämpfend
ausgeführt
sein (35).
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In Punkt c) ist der Durchgang des Vorsprungs 32 erfolgt, wobei das
Absperrteil infolge des Druckes, der stets den kleinen Vorsprung 25 beaufschlagt,
und nach Öffnung des Ventils 26 infolge des Druckes des Arbeitsmittels zurückgestellt
wurde und dichtend mit dem Blatt 47 an seiner Vorderkante mit dem Rotor 2 zusammenwirkt.
Das Ventil 26 öffnet sich in dem Moment, wenn der Vorsprung 32 den Punkt f (der
mit dem Punkt e und der Achse des Rotors 2 den Winkelobbildet) erreicht. Bis zum
Erreichen des Punktes e (d.h. in Stellung a) ) ist der Vorsprung 32 dem Druck des
Arbeitsmittels ausgesetzt, das Arbeit leistet und den Rotor 2 treibt.
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Der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor ist besonders für seine
Verwendung in einem Wasserstoffmotor geeignet, kann aber auch mit anderen Arbeitsmitteln
betrieben werden.
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Außerdem ist es ohne erfinderisches Zutun möglich, die Anordnung so
umzukehren, daß das Leistungsteil beweglich und das Absperrteil fest ist.