DE2911232A1 - Universell verwendbare turbinen/kolbenkraftmaschine hohen wirkungsgrades mit integriertem getriebemechanismus sowohl zur translation-rotation-bewegungstransformation als auch zur drehgeschwindigkeitsuntersetzung sowie zur arbeitsventilsteuerung, insbesondere als mehrstufig arbeitende mehrkolbenkraftmaschine unterschiedlicher bau- und kolbenarten - Google Patents

Description

• Universell verwendbare Turbinen/Kolbenkraftmaschine hohen Wirkun-s-
• grades mit integriertem Getriebemechanismus sowohl ur Translation-Rotation-Bewegungstransformation als auch zur Drehgeschwindigkeit untersetzung sowie zur Arbeitsventilsteuerung, insbesondere als mehrstufig arbeitende Mehrkolbenkraftmaschine unterschiedlicher Bau- und Kolbenarten Dem bisherigen Stand der Technik zufolge existieren 2 unterschiedliche Maschinenklassen, und zwar die nach dem statischen (Kolbenmaschine) und die nach dem kinetischen Verfahren (Turbinenmaschine).
• Diese z.Zt. existierenden Maschinenklassen werden durch die Erfindung der Turbinen/Kolbenmaschine erweitert, die sowohl als Arbeitsals auch als Kraftmaschine verwendet werden kann.
• Die vorliegende Beschreibung beschränkt sich auf die Kraftmaschine.
• Die Erfindung betrifft eine nach Zylinder-Kolben-Bauart konzipierte universell verwendbare Kraftmaschine, die sowohl die Eigenschaften einer Kolben- als auch die einer Turbinenkraftmaschine vereinigen kann, so daß die Vorteile der beiden genannten Kraftmaschinenarten gleichermaßen bzw. ergänzend ausgenutzt werden können, woraus auch der verbesserte Wirkungsgrad resultiert.
• Das technische Problem der Drehgeschwindigkeitsuntersetzung und der Translation-Rotation-Bewegungstransformation wird gleichzeitig dadurch gelöst, daß die Umwandlung der Translations- in Rotationsbewegung und umgekehrt-nicht wie bei herkömmlichen Kolbenmaschinenbauarten mittels Kurbelmechanismus und Pleuelstange erfolgt, sondern in einem andersartigen Getriebemechanismus direkt vollzogen wird.
• Der dadurch sich ergebende Vorteil, daß die Pleuelstange entfällt und stattdessen die Verwendung einer starren Kolbenverbindungsstange zur Kraftübertragung ermöglicht wird, bietet gleichzeitig die Möglichkeit, die starre Kolbenverbindungsstange auch als Welle zur Drehgeschwindigkeitsübertragung und -untersetzung des nunmehr auch als Turbine konstruierten Kolbens zu verwenden.
• Das technische Problem, sowohl Kolben- als auch Turbinenbetrieb zu ermöglichen, wird daaurch gelöst, daß die Möglichkeit einer direkten Steuerung durch den Getriebemechanismus und somit der Anbringung eines Arbeitsventils direkt in dem gleichzeitig als Turbine wirkenden Kolben, der sowohl eine Translations- als auch Rotationsbewegung durchführt, gegeben ist. Im geschlossenen Zustand des Arbeitsventils wirkt die o.g. Kraftmaschine dann als Kolbenkraftmaschine, im geöffneten Zustand dagegen als TurDinenkraftmaschine.
• Bei Verzicht auf den Turbinenbetrieb und die dafür notwendigen Bauteile (Untersetzungsgetriebe, Schaufelrad u.a.) erhält man eine reine Kolbenkraftmaschine kompakter Bauweise (ohne Pleuelstange und Zylinderkopf im üblichen Sinne). Bei einer später noch zu zeigenden Variante erreicht man stets einen höheren Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Kolbenkraftmaschinenbauarten mit Kurbelmechanismus und Pleuelstange, wobei die Verbesserung des Wirkungsgrades sowohl beim Otto- als auch beim Diesel-Verfahren gilt (vgl. Anhang 2).
• I. Getriebemechanismus Die direkte Translation-Rotation-Bewegungstransformation ist dadurch zu realisieren, daß eine Gerade durch einen Massenpunkt auf dem Umfang eines Kreiskörpers des Radius r beschrieben wird, wenn dieser Kreiskörper ohne zu gleiten auf der Innenseite eines anderen feststehenden Hohlkreiskörpers des Radius 2r rollt.
• Die Rolle des Kreiskörpers mit dem Radius r wird von einem Außenzahnrad und die des Hohlkreiskörpers mit dem Radius 2r von einem Innenzahnrad übernommen (vgl. Abb. 1, 2 sowie Anhang 1).
• Die Welle, die durch den o.g. Umfangspunkt (Punkt W in Abb. la, b) des rollenden Kreiskörpers geht und stets mit diesem starr verbunden ist, soll als "Translationswelle" bezeichnet werden.
• Der gleichzeitig als Turbine wirkende Kolben soll "Turbinenkolben" genannt werden, im Gegensatz zum "Normalkolben", der nur aus Kolbenboden und Arbeitsventil besteht (vgl. Kap. II).
• Die sich drehende und geradlinig bewegende Translationswelle soll folgenae wichtigen Funktionen übernehmen: - Aufnahme und Umwandlung der translatorisch wirkenden Kolbenkraft (z.B. Kraft K auf Punkt W in Abb. 1a) in das Drehmoment des rollenden Kreiskörpers und umgekehrt - Zbertragung und Untersetzung der Drehgeschwindigkeit des Turbinenkolbens (Drehmomentübertragung) - Steuerung des im Turbinenkolben bzw. Normalkolben angebrachten Arbeitsventils, da die Translationswelle gleichzeitig z B. als Nockenwelle gestaltet werden kann.
• Bei diesem Getriebemechanismus unterscheidet man 2 unterschiedliche Koordinaten-Bezugssysteme: ein "ruhendes" Inertialsystem bzw. Laborsystem (z.B. das feststehende Maschinengehäuse und alle damit starr verbundenen Maschinenteile) und ein bewegtes Koordinatensystem (z.B.
• der rollende Kreiskörper sowie alle in Verbindung mit der Translationswelle stehenden Maschinenteile).
• Jeder starr mit dem rollenden Kreiskörper verbundene Massenpunkt, der innerhalb oder außerhalb'des Kreiskörpers liegen kann, vollführt stets eine Rotationsbewegung mit gleichgroßer Winkelgeschwindigkeit, da die Winkelgeschwindigkeit des rollenden Kreiskörpers im Inertialsystem vom bewegten Koordinatensystem vollkommen unabhängig ist.
• Dadurch ist eine Sbertragung bzw. Untersetzung der Drehgeschwindigkeit des Turbinenkolbens durch die sich drehende und geradlinig bewegende Kolbenverbindungswelle über die sich ebenfalls drehende und geradlinig bewegende Translationswelle direkt auf den rollenden Kreiskörper ermöglicht worden.
• Die technische Realisierung des Getriebemechanismus und dessen Ar-Deitsweise sind aus Abb. 2 zu ersehen (vgl. auch Abb. 1).
• Sowohl der Verbrennungsdruck (z.B. Kraft E in Abb. la) als auch das Drehmoment des Turbinenkolbens werden direkt auf die Translationswelle (4) übertragen. Die dadurch erzeugte Rotationsbewegung des rollenden Außenzahnrads (3) kann als reine Drehung um die momentane Drehachse, die mit der Berührungslinie ZZ (Punkt Z in Abb. 1) des Außenzahnrads (3) mit dem Innenzahnrad (2) zusammenfällt, betrachtet werden. Die Drehmomentübertragung des rollenden Außenzahnrads (3) auf die Hauptantriebswelle (1) mit der Drehachse YY geschieht durch die Kraftübertragung (z.B. Kraft K' in Abb. la) auf die Achse XX (Punkt X in Abb. 1).
• Die Drehgesohwindigkeitsuntersetzung des Turbinenkolbens wird von dem Zahnräderpaar (6 und 7) vollzogen. Das Zahnrad (6) ist starr mit der Translationswelle (4) bzw. dem rollenden Außenzahnrad (3) verbunden, während das Zahnrad (7) eine Einheit mit der sich drehenden und geradlinig bewegenden Verbindungswelle (8) des Turbinenkolbens bildet. Die direkt auf der Translationswelle (4) gebildete Nockenwelle (5) soll die Steuerung des im Arbeitskolben (Turbinenkolben oder Normalkolben) angebrachten Arbeitsventils übernehmen (vgl.
• Abb. 4a, b, d).
• Eine Relativgeschwindigkeit der angrenzenden Berührungsflächen zueinander existiert an den durch dicke Linien angedeuteten Stellen, die auch als Angriffsstellen der Kraftübertragung dienen.
• II. Turbinenkolben, Normalkolben und Arbeitsventil Bei der technischen Realisierung als mehrstufig arbeitende Kraftmaschine (s. Kap. III) können unterschiedliche Arten von Arbeitskolben -entweder nur Turbinenkolben, nur Normalkolben oder eine Mischung von beiden - verwendet werden.
• Wie in Abb. 3a, b sowie 4d und 6a, b schematisch angedeutet, besteht der Turbinenkolben im allgemeinen aus Leitrad/-rädern (9), Schaufelrad/-rädern (10) und Arbeitsventil (11). Für den Turbinenkolben können sowohl axial als auch-radial arbeitende sowie gegenläufig rotierende Schaufelräder verwendet werden. Die verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten des Turbinenkolbens werden schematisch in Abb. 3a, b, c, d dargestellt. In Abb. 3a wird der Fall einfach rotierender Schaufelräder gezeigt, dagegen in Abb. 3b, c, d der Fall gegenläufig rotierender Schaufelräder mit unterschiedlichen Kopplungsmöglichkeiten zur Translationswelle.
• Abb. 4a, b, c zeigt den einfachen Aufbau eines Normalkolbens, der nur aus Kolbenboden (12) und Arbeitsventil (13) besteht.
• Im Vergleich zu herkömmlichen Normalkolben mit Pleuelstange sind die dadurch erzielten Vorteile ersichtlich: einfacherer Aufbau, geringeres Gewicht, direkte und einfache Ventilsteuerung, größerer Ventil durchmesser sowie das Fehlen der senkrecht zur Zylinderwand erzeugten Reaktionskraft (infolge der Pleuelstange), was auch geringen Materialverschleiß sowie Vermeidung des Vibrationsproblems bedeutet.
• Die Eigenschaft als Turbinen- oder als Kolbenkraftmaschine wird allein auroh Qen Zustand des Arbeitsventils bestimmt, wenn Turbinenkolben als Arbeitskolben verwendet werden.
• Die folgenden Funktionen - Unterbrechung bzw. Einleitung des Strömungsvorgangs, d.h. Steuerung des Kolben bzw. Turbinenbetriebs - Abdichtung der beiden vom Turbinenkolben getrennten Raumhälften, insbesondere der Berhrungsstellen des Turbinenkolbens mit der Zylinderwand - Fixierung der Drehachse der Schaufelräder, so daß eine Berührung der Schaufelräder mit der Zylinderwand gänzlich ausgeschlossen bleibt können vom Arbeitsventil gleichzeitig erfüllt werden, während nur die beiden letztgenannten Funktionen von dem nicht rotierenden Leitrad übernommen werden können, wie die Anordnung in Abb. 4d zeigt.
• Andere Anordnungsmöglichkeiten erhält man durch Vertauschung der o.g.
• Maschinenteile des Arbeitskolbens untereinander.
• Fur die Arbeitsweise des Arbeitsventils bestehen die Alternativen, entweder durch Hub- und Senkbewegung des Ventiltellers wie beim ormalkolben oder durch seitliche Drehbewegung des Arbeitsventils gegen das Leitrad den Strömungsvorgang zu unterbrechen bzw. einzuleiten (vgl. Abb. 3, 4, 6). Die seitliche Drehbewegung des Arbeitsventils kann so gestaltet werden, daß sie entweder pendelartig (durch Nockenwelle) oder kontinuierlich rotierend (durch Schnecken-Getriebe) verläuft.
• Es scheint, daß die Steuerung des Turbinenkolbens durch seitliche Drehbewegung des Arbeitsventils auch von Vorteil ist, weil in diesem Fall nur eine geringe Verrückung des Arbeitsventils (dem Ortsradius proportional) notwendig ist, um den Durchströmungsvorgang durch die Schlitze des Leitrads zu verhindern bzw. zuzulassen. Außerdem krn.
• das Arbeitsventil gleichzeitig die Funktion eines Leitrads übernehmen, so daß der Umlenkungsprozeß der Gasströmung ohne unnötige Rinderung verlaufen kann (vgl. schematische Abb. 3a, b).
• Die pendelartige Drehbewegung des Arbeitsventils kann weiterhin durch die Nockenwelle gesteuert werden, wenn die translatorische Verrückung durch die Nockenbewegung in seitliche Drehverrückung umgewandelt wird.
• Dies kann z.B. durch die Steigbewegung in einer geneigten Vertiefungsnut (als Teil einer Spirale) erfolgen. Ein Beispiel für den Fall einer pendelartigen Seitenbewegung des Arbeitsventils zeigt z.B. Abb. 5.
• Die translatorische Verschiebung (dl) von A nach D wird auf der Strecke BC in seitliche Drehverschiebung (rdcp) umgewandelt. Da der Absolutbetrag der Drehverschiebung vom Ortsradius abhängt, wird das Arbeitsventil entsprechend um den Betrag rx *(P seitlich verschoben, wenn r der Ortsradius des Arbeitsventils ist. Ist z.B. auf der Strecke AB das Arbeitsventil gerade geschlossen, so beginnt auf der Strecke BC der Öffnungsvorgang, und auf der Strecke CD bleibt das Arbeitsventil geöffnet. Da die Strecke AB - t1/2 ist, bleibt das Arbeitsventil i@ einer halben Periode (1800) geschlossen. Durch die Längenänderung der Strecke AB ist also die Öffnungsperiode zu variieren.
• Wenn man auf die Verwendung einer entsprechend starken Feder für die Rückholbewegung des Arbeitsventils verzichten möchte, so können die Nockenwelle (5) und der Stößel (14) wie in Abb. 5 gestaltet werden.
• Bei dieser technischen Lösung wird die Rotationsbewegung der exzentrischen Nocke in 2 Translationsbewegungen zerlegt, und zwar in den vertikalen und in den horizontalen Anteil. Die translatorische Verschiebung dl besitzt also eine periodische Funktion Esina , wobei f die Exzentrizität und a der Drehwinkel der Nockenwelle ist.
• Da dz f sina ist, so besitzt die Größe d(tl)/dt am Punkt B (Mitte der Strecke dl) ihren maximalen Wert, d.h. die Strecke BC wird schneller durchlaufen, und von daher wird auch der Öffnungsvorgang beschleunigt.
• Dariberhinaus kann die in Abb. 5 gezeigte technische Lösung gleichzeitig als Pumpe (z.B. zur Forderung des Schmiermittels) verwendet werden, wenn man die vertikale Bewegung der exzentrischen Nocke (5) ausnutzt, weil die Nocke als Verdrängerkolben wirkt.
• Im Falle eines kontinuierlich rotierenden Arbeitsventils (11) zeigen Abb. 6a, b schematisch die Anordnungsmöglichkeitell für eine auenliegende bzw. innenliegende Ventilwelle, die vom Schnecken-Getriebe (15) auf der Translationswelle (4) angetrieben wird.
• III. Technische Realisierungen als Kraftmaschinen und deren Arbeitsweisen Durch die Verwendung der starren Kolbenverbindungsstangen kann der Getriebemechanismus stets beidseitig ausgenutzt werden, und zwar als eine ideale, kollineare Boxeranordnung, da eine Achsenversetzung der Kolben bzw. Zylinder wie bei herkömmlichen Kolbenmaschinenbauarten mit Kurbelmechanismus gar nicht notwendig ist, was Vorteile in vieler Hinsicht bedeutet.
• Verwendet man den Getriebemechanismus so, daß der Arbeitskolben (Turbinen- bzw. Normalkolben) sich auf der einen Seite befindet, und auf der gleichen bzw. gegenüberliegenden Seite ein bzw. mehrere, in Serie angeordnete, doppelt wirkende Kolbenverdichter beliebiger Durchmesser liegen (Tandem-Anordnung), so kann der Verdichtungsdruck bzw. die zu verarbeitende Frischluftmenge beliebig erhöht werden; der dadurch erzielte Verdichtungsdruck ist dann nicht wie bei herkömmlichen Turbinenmaschinenbauarten von der Drehzahl des Turbinenverdichters abhängig.
• Die vom Kolbenverdichter verdichtete Frischluft soll zunächst in einem Druckreservoir gespeichert werden, und je nach Bedarf wird die Luftzufuhr in den Arbeitsraum durch ein selbsttätig arbeitendes Druckregelventil geregelt (vgl. Abb. 7a, b), so daß das in nur eine Richtung arbeitende Druckregelventil (16) durch den Unterdruck (z.B.
• während der Ansaugphase oder während des Ausströmungsvorgangs im Turbinenbetrieb) geöffnet und durch den Ueberdruck (z.B. durch die entstandene Verbrennungsdruckwelle während des Verbrennungsvorgangs) automatisch geschlossen wird.
• Die in einer Periode zu verarbeitende Frischluftmenge ist dann stets gleich dem doppelten Gesamtvolumen der angebrachten doppelt wirkenden Kolbenverdichter (Kontinuitätsgleichung).
• Zur besseren Ausnutzung des ausgestoßenen, verbrauchten Verbrennungsgases kann an der Auspuffseite der Maschine noch zusätzlich ein.stationär angebrachtes Turboaggregat (17) fur unterschiedliche Zwecke verwendet werden (vgl. Abb. 8ff.). Um die Verbrennungsdruckwelle direkt auszunutzen, kann auch eine Arbeitsturbine (18) (ohne Arbeitsventil) in der ersten Stufe der mehrstufig arbeitenden Kraftmaschine sowohl stationär als auch dynamisch angebracht werden (vgl. Abb. 15b, c, d).
• Es werden im folgenden einige Beispiele einfacher bis komplizierter Varianten der technischen Realisierungen als Kraftmaschinen erläutert.
• Man unterscheidet zunächst: a. Die Anzahl der verwendeten Getriebemechanismen und die Art der Zylinderanordnung.
• Eine 2-stufig arbeitende Kraftmaschine mit völlig komplementären Betriebszuständen kann sowohl durch die Verwendung von 2 Getriebemechanismen in kollinearer Zylinderanordnung als auch durch die Verwendung von nur 1 Getriebemechanismus mit parallel liegender Zylinderanordnung und Umkehrung des Strömungsvorgangs realisiert werden (vgl. die späteren Abschnitte B und C).
• b. Die Art der verwendeten Arbeitskolben.
• Bei mehrstufig arbeitenden Kraftmaschinen kann man u.a. unterscheiden, ob entweder nur Turbinenkolben, nur Normalkolben, eine Mischung von Turbinen- und Normalkolben oder aber die getrennte Anordnung von Turbine (ohne Arbeitsventil) und Normalkolben verwendet werden.
• Die Verwendung von 2 Getriebemechanismen mit 2 Normalkolben in kollinearer Anordnung ergibt eine reine Doppelkolbenkraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad als herkömmliche Kolbenmaschinenbauarten unter Verwendung von Kurbelmechanismus und Pleuelstange, wobei der verbesserte Wirkungsgrad sowohl beim Otto- als auch beim Diesel-Verfahren zu finden ist.
• A. Verwendung eines Getriebemechanismus und eines Arbeitskolbens In den nachfolgenden Varianten wird stets der Kolbenbetrieb (Arbeitsventil geschlossen) durch eine durchgezogene Linie angedeutet, der Turbinenbetrieb (Arbeitsventil geöffnet) dagegen durch eine gestrichelte Linie. Die schraffierte Fläche stellt die Verdichtungsphase dar und das Blitzzeichen die Zündung bzw. Verbrennung.
• - Eine schematische und graphische Darstellung als Kraftmaschine einfachster Ausführung zeigt das Beispiel in Abb. 8a, b. Es wird in Abb. 8a zunächst angenommen, daß der zur Verfügung stehende Druck im Frischluftreservoir niedriger ist als der beim Erreichen des Punktes N dort herrschende Verbrennungsdruck, so daß das Druckregelventil (16) während der Expansionsphase geschlossen bleibt. Durch das Ausströmen des Verbrennungsgases während des Turbinenbetriebs (nach Passieren des Punktes N) herrscht dann im Verbrennungsraum ein Unterdruck, so daß neue Frischluft durch das selbsttätig geöffnete Druckregelventil (16) erneut in den Verbrennungsraum einströmt und das verbrauchte Gas sozusagen von der einströmenden Frischluft verdrängt wird. In diesem Fall arbeitet die Kraftmaschine also quasi im 2-Takt-Betrieb. Wenn aber in dem Moment des Prischlufteinströmens weiterer Kraftstoff eingespritzt wird, so wird ein weiterer Verbrennungsvorgang eingeleitet, und der Turbinenbetrieb verläuft intermittierend, wobei sich das Druckregelventil (16) periodisch durch die entstandene Verbrennungsdruckwelle und infolge des durch Gasausströmen verursachten Unterdrucks selbsttätig schließt und öffnet. Hört man nun vor Erreichen z.B. des Punktes 0t mit der KraftstoffeinHpritzung auf, so kann am Punkt 0' durch Schließen des Arbeitsventils (11) die einströmende Frischluft erneut verdichtet lmd am Punkt 0 dann eine Selbst- bzw. Fremdzündung eingeleitet werden, um den Kolbenbetrieb in Gang zu bringen.
• Eine derartig komplizierte Arbeitsweise ist aber stets mit Nachteilen verbunden.
• - Das oben gezeigte Beispiel hat von daher nur einen theoretischen Cha rakter, denn in der Praxis können durch Variation des Verdichtungsdrucks im Frischluftreservoir die oben erwähnten Arbeitspunkte an anderen Stellen der gezeigten Kurve liegen. Wählt man z.B. die Lösung durch entsprechend hohen Verdichtungsdruck im Frischluftreservoir, so kann in der ganzen Periode ein intermittierender Betrieb sowohl beim Kolben- als auch beim Turbinenbetrieb eingeleitet werden. In diesem Fall fällt dann der Punkt O' mit dem Punkt 0 zusammen, so daß 50 % Kolben- und 50 ffi Turbinenbetrieb zu erreichen sind (vgl. Abb. 8b).
• Außerdem kann die Kraftmaschine nach der ersten Zündung selbständig weiterarbeiten, indem der Verbrennungsvorgang nur durch Kraftstoffeinspritzung geregelt wird.
• Da diese einfache Arbeitsweise Vorteile bietet, wird in den nachfolgenden Beispielen zur technischen Realisierung als Kraftmaschine stets ein in der ganzen Periode selbständig arbeitender intermittierender Betrieb bevorzugt und vorausgesetzt. Andere Arbeitsweisen ergeben sich, wie schon vorhin erwähnt, durch entsprechende Änderung des Druckes im Frischluftreservoir, Bei der Verwendung eines Getriebemechanismus hören wir zunächst mit diesen Varianten auf. Im später folgenden Abschnitt C werden weitere Beispiele folgen, und zwar bei den Varianten der mehrstufig arbeiten den Kraftmaschinen mit parallel nebeneinander liegender Zylinderanordnung, die von nur einem Getriebemechanismus gesteuert wird.
• B. Verwendung von 2 Getriebemechanismen und 2 Arbeitskolben in kollinearer Ano rdnung Eine 2-stufig arbeitende Kraftmaschine ist dann zu erhalten, wenn ein weiterer dynamischer Turbinenkolben kollinear angeordnet wird, wie Abb. 9 zeigt.
• Durch diese technische Lösung verläuft die Kolbenexpansion "fortlaufend", weil der Expansionsweg des ersten Turbinenkolbens vom zweiten Turbinenkolben fortgesetzt wird, während der erstgenannte Turbinenkolben gerade im Turbinenbetrieb arbeitet. Das bedeutet, daß die beiden Turbinenkolben stets komplementär miteinander arbeiten, so daß 100 % Kolben- und 100 % Turbinenbetrieb in der ganzen Periode zu erzielen sind. Dadurch sind sowohl ein besserer Wirkungsgrad als auch ein kontinuierlicher Betrieb der Kraftmaschine zu erreichen.
• Mit der Verwendung von 2 dynamischen Arbeitskolben in kollinearer Anordnung werden zahlreiche Möglichkeiten, wie die beiden Getriebemechanismen in Relation zueinander gestaltet werden können, d.h., in welchem Zusammenhang die beiden periodischen Funktionen F1 = R1cose1 und F2- R2cosa2 zueinander stehen, eröffnet (vgl. Anhang 2).
• Als Parameter für die verwendeten Getriebemechanismen kommen folgende Größen in Frage: - Radienverhältnis R1/R2 - Drehgeschwindigkeitsverhäl tnis a1/a2 - Phasenverschiebung des Drehwinkels a0 Abgesehen vom ersten Parameter (Radienverhältnis) gibt es 3 unterschiedliche verwertbare Resultate aus der Kombination der beiden letztgenannten Parameter als Grundlagenprinzip für die technischen Realisierungen als Kraftmaschine, wie die Abb. 9, 10, 11 sowie 12 zeigen.
• Die graphische Darstellung der beiden periodischen Funktionen F1(R1, 1 und F2(R2,a2) zeigt die Ortslagen der beiden kollinear angeordneten Arbvitækolben im Zylinder in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Antriebswelle des Getriebemechanismus. Der Drehwinkel a 1 ist der Drehwinkel des ersten, a2 der des sweiten Getriebemechanismus. Die gestrichelte Linie deutet an, daß das Arbeitsventil geöffnet ist, die-durchgezogene Linie dagegen, daß das Arbeitsventil gerade geschlossen ist.
• a) Die vorliegende technische Lösung, wobei R1/R2 = 1, a1/a2 = 1 und a0 - 1800 sind (s. Abb. 9), eignet sich aufgrund der völlig komplementären Betriebszustände sehr gut für einen intermittierenden Betrieb der Maschine, wenn - wie schon in Abschnitt A erwähnt - der Druck im Frischluftreservoir entsprechend hoch gewählt wird.
• Durch die periodische Selbstzündung des Gasgemisches beim intermittierenden Betrieb arbeitet die Kraftmaschine sozusagen im Gleichdruckverfahren, da der Mittelwert des Verbrennungsdrucks während der fortlaufenden Kolbenexpansion einen konstanten Wert annimmt, wenn der Druck im Frischluftreservoir vom Kolbenverdichter konstant gehalten wird.
• Im p,V-Diagramm kann der Vorgang eines intermittierenden Betriebs mit fortlaufender Kolbenexpansion (in einer Periodendrehung) theoretisch und vereinfacht wie in Abb. 13 dargestellt werden.
• Die gestrichelte.dicke Linie (ef) symbolisiert die Adiabate fiir die Kompression der Frischluft, d.h. die zugeführte Kompressionsarbeit des Kolbenverdichters zur Aufrechterhaltung des Drucks im Fnschluftreservoir.
• Die Sägezahnkurve (fg) entsteht durch Selbstzündung (Wärmezufuhr) und Expansion entlang der Adiabate während des intermittierenden Betriebs. Die schraffierte Fläche (I) ist dann die vom Turbinenkolben geleistete mechanische Expansionsarbeit. Die Summe dieser und der während des Turbinenbetriebs geleisteten strömungsmechanischen Arbeit ergibt die geleistete Gesamtarbeit der Kraftmaschine.
• Die in Abb. 9 gezeigte technische Lösung erlaubt also sowohl im Kolben- als auch im Turbinenbetrieb eine in der ganzen Periode kontinuierlich arbeitende Kraftmaschine, da die Arbeitsventile der beiden Turbinenkolben stets den komplementären Zustand annehmen. Im Kolbenbetrieb wird die Expansionsarbeit des ersten Turbinenkolbens nach Öffnen seines Arbeitsventils (Punkt M bzw. O) vom zweiten Turbinenkolben weiter fortgesetzt (Punkt M' bzw. O'). Der Kolbenbetrieb erfolgt also z.B. vom Punkt N bis 0 und 0' bis P'; nach dem Sprung von P' nach P wird dann der Vorgang zyklisch fortgesetzt. Das gleiche gilt für den Turbinenbetrieb von N' bis 0' und 0 bis P und zyklisch. Dies bedeutet, daß sowohl der Ausströmungsvorgang als auch die Kolbenexpansion ständig fortlaufend sind.
• Der Kompressionseffekt der beiden Turbinenkolben in den Räumen I, II und III gewährleistet stets den strömungsmechanischen Vorgang. In diesem Fall bereitet das Problem der Frischluftfüllung keine Schwierigkeit, da durch die Verwendung von 2 Getriebemechanismen auch mindestens 2 doppelt wirkende Kolbenverdichter (in kollinearer Boxeranordnung) auf beiden Seiten verwendet werden können. Das stationär an der Auspuffseite der Maschine angebrachte Turboaggregat (17) kann sowohl zur Unterstützung der Frischluftfüllung als auch für andere Zwecke genutzt werden, z.B. für den Transport von Kühlmitteln, Schmiermitteln u.a.
• Die infolge der kollinearen Anordnung sich ergebende Verlängerung der Gesamtlänge der zylinderförmigen Kraftmaschine stellt keinen Nachteil dar, weil die Gesamthöhe bzw. -dicke (Zylinderdurchmesser) der Kraftmaschine gleich geblieben ist, so daß sie z.B. bei Anbringung in einem Fahrzeug stets einen geeigneten Platz finden kann, wenn nicht sogar raumsparend wirkt, denn bei geeigneter Maschinendimension kann die Maschine z.B. in der Fahrzeugmitte in Fahrtrichtung, quer unter den Sitzplätzen usw. untergebracht werden. Die Anbringung von je einer zylinderförmigen Maschine an der Fahrzeugseite kann sogar zur Erhöhung der Sicherheit der Fahrgastzelle beitragen. Darüberhinaus ist das Problem der lückenlosen Drehmomentabgabe bei nur einer einzigen einzylindrischen Turbinenkolbenkraftmaschine gelöst, dagegen bei herkömmlichen Kolbenmaschinen erst durch mindestens Vierzylinderreihenanordnung, die außerdem keine raumsparende Wirkung und schwingungsfreie Eigenschaft besitzt.
• Die hier angegebene technische Lösung als Kraftmaschine mit fortlaufender Kolbenexpansion beschränkt sich nicht nur auf eine Brennkraftmaschine, sondern ist u.a. auch als Dampfkraftmaschine, Heißgaskraftmaschine, sogar als eine durch Flüssigkeitsdruck angetriebene Kraftmaschine zu verwenden, da diese Variante vollkommen komplementäre Betriebszustände und ein in nur eine Richtung verlaufendes Arbeitsmedium infolge der ständig fortlaufenden Kolbenexpansion besitzt.
• Das Fehlen der Pleuelstange bietet außerdem zahlreiche Vorteile, wie z.B. das Fehlen der normalen Reaktionskräfte an der Zylinderwand.
• Das bedeutet geringen Materialverschleiß sowie Vibrationsarmut, weil die gegenlEufigen Translationsbewegungen der beiden identischen Turbinenkolben (in kollinearer Anordnung) sich gegenseitig kompensieren.
• Dies bedeutet, daß das Schwerpunktsystem der gesamten Kraftmaschine "in Ruhe bleibt und somit identisch mit dem Inertialsystem ist.
• b) Im Fall, daß 1/a2 = 2 und a0 = 1800 sind, erhält man eine Kraftmaschine mit der Arbeitsweise wie in Abb. 10a, b, c. Der Getriebemechanismus der 2-ten Stufe besitzt also eine um Faktor 2 geringere Drehgeschwindigkeit als die Drehgeschwindigkeit der 1-ten Stufe.
• - Verwendung von 2 Turbinenkolben Im Vergleich zu der in a) angegebenen technischen Lösung besitzt die vorliegende technische Lösung beim intermittierenden Betrieb keine vollkommen komplementären Betriebszustände. An bestimmten Stellen der in Abb. 1°a gezeigten Kurven existieren Uberlappungen, z.B. in der Strecke OP(O'P') beim Kolbenbetrieb und in der Strecke PQ(P'Q') beim Turbinenbetrieb, so daß während des Turbinenbetriebs mehr Frischluftmenge aus dem Druckreservoir ausströmen kann, da der Unterdruck im Verbrennungsraum infolge der ungehinderten Gasausströmung schneller erzeugt wird.
• Wir kommen in Abschnitt C noch einmal darauf zurück, wie dieses Problem gelöst wird.
• - Verwendung von 1 Normalkolben und 1 Turbinenkolben Darüberhinaus bietet diese Variante auch die Möglichkeit der Zündung des Gasgemisches durch Fremd- bzw. Selbstzündung, wenn der Betriebszustand der Strecke OP und PQ der 1-ten Stufe gegeneinander vertauscht wird, wie Abb. 10b zeigt.
• In diesem Fall fungiert die Strecke PQ dann als Verdichtungsphase für die vorher auf der Strecke OP einströmende Frischluft, und die gezielte Zündung kann am Punkt Q erfolgen. Die Strecke OP fungiert also quasi als Ansaugphase, da durch weitere Expansion des zweiten Turbinenkolbens (z.B. ab Punkt 0z) der Verbrennungsdruck abnimmt und neue Frischluft aus dem Druckreservoir in den Arbeitsraum I einströmen kann.
• Um eine völlige Trennung der Frischluft vom verbrauchten Gas zu erreichen, kann das Arbeitsventil des ersten Normalkolbens auf der Strecke OP geschlossen bleiben, so daß die erste Stufe in reinem 4-Takt-Betrieb arbeitet (vgl. Abb. 10c).
• c) Im Gegensatz zu der in b) erwähnten technischen Lösung wird nun bei der vorliegenden Variante eine zusätzliche Phasenverschiebung a01 I 900 für die beiden periodischen Funktionen F1 und F2 gewählt.
• Dadurch erhält man infolge der Verschachtelung der beiden Arbeitskolben ineinander eine Reduzierung der GesamtlängeXder Kraftmaschine (s. Abb. Ila, b und 12).
• - Verwendung von 2 Turbinenkolben Der Vorgang im intermittierenden Betrieb verläuft analog dem in b) erläuterten Vorgang bei der Verwendung von 2 Turbinenkolben. Wie in Abb. 11a zu sehen ist, liegt die oberlappung des Turbinenbetriebs nun auf der Strecke BC(B'C') und die des Kolbenbetriebs auf der Strecke CD(C'D').
• Auf das Problem der tberlappung beim Turbinenbetrieb, das auch schon in b) erwähnt worden ist, kommen wir in Abschnitt C zurück.
• - Verwendung von 1 Normalkolben und 1 Turbinenkolben Möchte man nun statt des intermittierenden Betriebs einen 4-Takt-Betrieb für die 1-te Stufe einführen, so bietet sich hier die Möglichkeit, auf die Verwendung von externen Kolbenverdichtern zu verzichten.
• Wird in der 1-ten Stufe ein Normalkolben mit selbsttätig arbeitendem Arbeitsventil (Druckregelventil), d.h. ohne Steuerung über Nockenwelle, verwendet, dann verläuft der 4-Takt-Betrieb selbständig in den Arbeitsräumen I und II, wie in Abb. 11b schematisch gezeigt wird (vgl. auch Abb. 12, wobei nur Normalkolben verwendet werden). Der Arbeitsraum I wirkt nun als Einlaß-Pufferraum mit der Aufgabe, Frischluft anzusaugen und vorzuverdichten, und der Arbeitsraum III als Auslaß-Pufferraum, um die verbrauchten Gase vollständig auszustoßen. Als Verbrennungsraum soll der Arbeitsraum II dienen, in dem auch die teilweise Verdichtung der Frischluft und die teilweise Auspuffung der verbrauchten Gase erfolgen.
• Die in den Raum I angesaugte Frischluft (Strecke AB) wird durch die ruckläufige Bewegung des ersten Normalkolbens (Strecke BC) über das selbsttätig geöffnete Kolbenarbeitsventil in den Raum II hineintransportiert und zunächst vorverdichtet, während die weitere Verdichtung der Frischluft lediglich im Raum II (Strecke CD) erfolgt.
• D.h., das angesaugte Frischluftvolumen B-B' r wird zunächst auf das Volumen C'-C vorverdichtet und schließlich auf das Volumen D'-D weiterverdichtet.
• Verwendet man eine Kraftstoffeinspritzanlage, und bringt man die Einspritzdüse an der Zylinderhöhe L(C') an, so kann man eine gute Kraftstoffverteilung bzw. -durchmischung im gesamten Frischluftvolumen erzielen, da das Frischluftvolumen C'-C während der Verdichtungsphase auf das Volumen D'-D vor der feststehenden Einspritzdüse sozusagen entlangwandert. Relativ gesehen bedeutet es, daß der Kraftstoffstrahl das gesamte Frischluftvolumen überstreicht, was eine gute Kraftstoffverteilung bzw. -durchmischung ermöglicht.
• Am Punkt D bzw. D' kann nun das Gasgemisch gezündet werden. Eine Selbstzündung (nach dem Diesel-Verfahren) kann durch Anbringung der Kraftstoffeinspritzdüse an der Zylinderhöhe L(D') und Einspritzung zum richtigen Zeitpunkt eingeleitet werden.
• Durch den Verbrennungsdruck wird mechanische Arbeit gleichzeitig auf die beiden genannten Kolben geleistet (Strecke D'E' bzw. DE), und die strömungsmechanische Arbeit an den Turbinenkolben (2-ten Kolben) er folgt auf der Strecke E'F' während der Auspuffungsphase vom Raum II in den Raum III, wobei gleichzeitig neue Frischluft in den Raum I (Strecke EF) angesaugt wird.
• Die im Raum I auf der Strecke CE angesaugte und verdichtete Frischluft wird infolge der Verbrennungsdruckabnahme im Raum II und der Verdichtungsdruckzunahme im Raum I (kurz vor Erreichen des Punktes E) in den Verbrennungsraum II ausströmen, so daß eventuell unvollständig verbranntes Gasgemisch dadurch reduziert werden kann.
• - Verwendung von 2 Normalkolben Man erhält bei dieser Variante eine reine Doppelkolbenkraftmaschine, wie Abb. 12 zeigt. Für den ersten Normalkolben kann entweder ein gesteuertes Arbeitsventil oder ein selbsttätig arbeitendes Arbeitsventil verwendet werden, wie schon bei der oben gezeigten Variante erwähnt worden ist. Für den zweiten Normalkolben dagegen muß ein (z.B. über Nockenwelle) gesteuertes Arbeitsventil verwendet werden (vgl. Abb. 4). Die dafür notwendige Nockenwelle kann aber in sehr einfacher Weise direkt auf der Translationswelle (vgl. auch Abb. 2) gestaltet werden, da bei dieser Variante die Zündung in jedem Zyklus von nur Aa - 2z erfolgt, wie aus Abb. 12 zu erkennen ist. Bei der idealen kollinearen Boxeranordnung reicht von daher die eine Nocke zur Steuerung der beiden entgegengesetzt kollinear angebrachten Kolben aus.
• Die herkömmliche Kolbenmaschinenbauart mit Kurbelmechanismus und Pleuelstange dagegen erfordert stets einen Zyklus von 47t für die Ziindung, was eine Drehgeschwindigkeitsuntersetzung der Nockenwelle um Faktor 2 erforderlich macht, wodurch eine kompliziertere Konstruktion für die Arbeitsventilsteuerung notwendig ist. Eine ideale kollineare Boxeranordnung ist hier nicht möglich, was zusätzliche Nachteile (z.B. Schwingungsproblem) zur Folge hat. Außerdem ist bei herkömmlichen Kolbenmaschinenbauarten ein Zylinderkopf erforderlich, wobei dann für die dort angebrachten Einlaß- und Auslaßventile aufgrund der geometrischen Gegebenheit kein größerer Arbeitsventildurchmesser als ein halber Zylinderkopfdurchmesser gewählt werden kann. D.h., einer Reduzierung des dadurch erzeugten Strömungswiderstands ist aufgrund der Geometrie eine Grenze gesetzt.
• Bei der in Abb. 12 gezeigten technischen Lösung dagegen werden die Einlaß- und Auslaßventile getrennt und direkt in jedem Kolbenboden angebracht, fio daß ein Zylinderkopf gar nicht notwendig ist und ein größerer Arbeitsventildurchmesser gewählt werden kann, wodurch eine günstigere Strömungseigenschaft des Arbeitsmediums zu erreichen ist.
• Da bei dieser Variante sowohl die Pleuelstange als auch die dadurch erzeugte Normalkraft an der Zylinderwand entfallen, können die hier verwendeten Normalkolben einfacher gestaltet werden, d.h. einfacher Aufbau, geringes Gewicht, geringer Materialverschleiß sowie Vibrationsarmut.
• Die Arbeitsweise dieser Variante mit 2 Normalkolben ist im wesentlichen identisch mit der oben erwähnten Variante mit 1 Normalkolben und 1 Turbinenkolben im 4-Takt-Betrieb.
• Wie in Abb. 12 graphisch dargestellt ist, erfolgt die Ansaugphase im Raum I gleichzeitig mit der Auspuffungsphase vom Raum II nach III (Strecke AB bzw. A'B'). Wie schon bei der letztgenannten Variante erwähnt, erfolgt die Verdichtungsphnse auf der Strecke BE bzw.
• B'E', wobei das Frischluftvolumen BB" 1 auf das Volumen E'E komprimiert wird. Aus der Abb. 12 ersieht man aber, daß der minimale Kolbenabstand erst am Punkt C bzw. C' erreicht wird. Das Schließen des Arbeitsventils des 2-ten Kolbens soll zweckmäßigerweise je nach Restdruck im Raum II innerhalb der Strecke B' C' erfolgen.
• Durch die Bewegung des 2-ten Kolbens auf der Strecke B'D' entsteht im Raum III abermals ein Ansaugvorgang. Man kann dies ungenutzt lassen oder für andere Zwecke verwenden, wie z.B. zur Konzentrationsminderung der Schadgasanteile (bezogen auf das Gesamtvolumen der ausgestoßenen Auspuffgase), wenn auf der Strecke B'D' Frischluft in den Raum III angesaugt und mit den verbrauchten Gasen vermischt wird. Die gesamte Gasmischung wird dann auf der Strecke D'G' aus dem Raum III ausgestoßen, um z.B. ein Turboaggregat (mit vermehrter Auspuffgasmenge) anzutreiben.
• Die auf der Strecke DG in Raum I angesaugte und verdichtete Frischluft soll, wie in der letztgenannten Variante schon erwähnt worden ist, zur Unterstützung des Verbrennungsvorgangs ausgenutzt werden, damit eine vollständige Verbrennung aufgrund der überschüssigen Luft gewährleistet werden kann. Eine Unterstütsung des Auspuffungsvorgangs erfolgt, wenn am Anfang der Auspuffungsphase (nach Passieren des Punktes G bzw. G') der im Raum I herrschende Restdruck immer noch größer als der im Raum II vorhandene Druck ist. Somit wird weiterhin Frischluft vom Raum I in den Raum II ausströmen und den Auspuffungsvorgang der verbrauchten Gase aus dem Raum II nach III unterstützen.
• Wie die Untersuchung (Anh.2 ) zeigt, besitzt diese Variante stets einen verbesserten Wirkungsgrad als die herkömmlichen Kolbenmasohinen mit Kurbelmechanismus und Pleuelstange, wie die vereinfachten p,V-Diagramme in Abb. 14a, b zeigen.
• Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist dadurch zustande gekommen, daß der Kompressionshub (V1) und der Expansionshub (V2) nicht wie bei herkömmlichen Kolbenmaschinen stets gleich lang sind, sondern unterschiedliche Länge besitzen. Nach Abb. 12 ist der Kompressionshub gleich dem Kolbenabstand BB" (entspricht V ) und der Expansionshub gleich dem Kolbenabstand G'G (entspricht V2), während der minimale Kolbenabstand C'C bzw. E'E dem Volumen V entspricht.
• 0 Da der zusätzliche Gewinn der mechanischen Arbeit (schraffierte Fläche in Abb. 14a, b) am Ausläufer des p,V-Diagramms zustande gekommen ist, hat dies keinen Einfluß auf das am Anfang des p,V-Diagramms unterschiedlich angewandte Arbeitsverfahren. D.h., der zusätzliche Arbeitsgewinn gilt sowohl beim Otto- als auch beim Diesel-Verfahren.
• Da bei der Expansionsarbeit der zurückgelegte Winkel #α = = a(F)-a(E) -larc sin (-R/4r) 1 beträgt (vgl. Anhang 2), erfolgt die Drehmomentabgabe stets in einem Winkel größer als s/2 (bei jedem vollen Zyklus von 2n). Die Lösung des Problems der lückenlosen Drehmomentabgabe (mit Uberlappungen) der Kraftmaschine ist von daher durch 4-Zylinderanordnung, die aus 2 kollinearen Boteranordnungen besteht, völlig gewährleistet, was bei herkömmlichen Kolbenmaschinen dagegen erst durch 5-Zylinderanordnung gegeben sein kann.
• C. Verwendung von mehreren Arbeitskolben, aber nur 1 Getriebemechanismus Wenn die Bauform der Kraftmaschine keine Rolle spielt, d.h., wenn man statt einer wie bisher kollinearen Zylinderbauform auch andere Bauweisen (z.B. Flachbauweise) zuläßt, so kann man, um Bauteile zu sparen, statt 2 Getriebemechanismen mit nur 1 Getriebemechanismus auskommen.
• Die Lösung dieses Problems wird im folgenden erläutert: Man erkennt bei der in Abb. 9 gezeigten Variante, wobei a1/2 "1, X1/R2 - 1 und a0 = 180 sind, daß die beiden periodischen Funktionen F1(R,) und F2(R,) spiegelbildlich sind. Eine Spiegelung ist aber nichts anderes als ein Vorzeichenwechsel der Ortsvektoren bzw. eine Umkehrung der Ortsvektorrichtungen. Man kann also denselben (durch Abb. 9 veranschaulichten) Vorgang erzielen, wenn die beiden Arbeitskolben statt in kollinearer Anordnung nun parallel nebeneinander angeordnet werden, wie die Abb. 15 ff. zeigen. Bei der parallelen Anordnung der Arbeitskolben reicht 1 Getriebemechanismus völlig aus, um mehrere Arbeitskolben gleichzeitig steuern zu können. Die Steuerung der komplementären Betriebszustände der parallel liegenden Arbeitskolben erfolgt nun durch die um 1800 phasenverschobenen Steuerungsmechanismen auf ein und derselben Translationswelle (vgl. Abb. 4a und 4b). Bis auf die Strömungsumlenkung des Arbeitsmediums ist der Vorgang der in Abb. 15 ff. gezeigten Maschinenvarianten identisch mit dem in Abb. 9 veranschaulichten Vorgang mit komplementären Betri ebszuständen.
• Abb. 15a zeigt z.B. eine Maschinenvariante, wenn 2 Normalkolben verwendet werden. Zur besseren Ausnutzung der ausgestoßenen Auspuffgase und zur Unterstützung der durch Kolbenverdichter (20) gelieferten Frischluftzufuhr kann z.B. ein Turboaggregat (17, 19) zur Vorverdichtung der angesaugten Frischluft verwendet werden. Die Strömungsrichtungen des Arbeitsmediums werden durch die punktierten Linien mit Pfeilen angedeutet.
• Die oben erläuterte technische Lösung hat den Vorteil, daß nur 1 Getriebemechanismus verwendet wird, dagegen aber den Nachteil, daß das Schwerpunktsystem der Gesamtmaschine sich nicht mehr - wie bei der Lösung der kollinearen Anordnung (vgl. Abb. 9 und Abschnitt B) - "in Ruhe" befinden kann.
• Abb. 15b, c, d zeigen z.B. die Möglichkeiten der direkten Ausnutzung der Verbrennungsdruckwelle durch eine Arbeitsturbine (ohne Arbeitsventil) (18), die sowohl dynamisch (Abb. 15b) als auch stationär (Abb.
• 15c, d) gestaltet werden kann.
• Die dynamische Arbeitsturbine in Abb. 15b überträgt ihr Drehmoment auf die Translationswelle (4), die stationäre Arbeitsturbine in Abb. 15c, d dagegen direkt auf die Hauptantriebswelle (1). Die nachfolgenden komplementären Stufen aus Normalkolben (bzw. Turbinenkolben) verhindern einen direkten Austrittsverlust der Verbrennungsgase ins Freie und nutzen den restlichen Verbrennungsdruck für die fortlaufende Kolbenexpansion aus.
• Abb. 15e deutet an, daß die Anordnung der Zylinder (T = Turbinenzylinder der 1-ten Stufe, K g parallel angeordnete Arbeitskolbenzylinder der nachfolgenden Stufen, V = Zylinder des Kolbenverdichters) keiner Einschwankung unterliegt und beliebige Zylinderdurchmesser ermöglicht. Die Lage der Translationswelle wird durch die strich-punktierte Linie angedeutet.
• Abb. 16 zeigt die Anordnungsmöglichkeit und die komplementäre Arbeitsweise der Kraftmaschinen bei Verwendung von Turbinenkolben.
• Das in Abschnitt B erwähnte 2terlappungsproblem des gleichzeitigen Turbinenbetriebs der beiden Turbinenkolben (bei den Varianten in Abb. 10,11) kann nur gelöst werden, wenn parallel zum 2-ten Turbinenkolben ein 3-ter Arbeitskolben angeordnet und von ein und derselben Translationswelle des 2-ten Getriebemechanismus gesteuert wird, so daß eine 3-stufig arbeitende Kraftmaschine entsteht.
• Abb. 17a, b c deuten auf einige Varianten hin, wobei verschiedene Kolbenarten verwendet werden können. Abb. 17a zeigt die Verwendung von 1 Normalkolben und 2 Turbinenkolben, wenn die Kraftmaschine nach dem 4-Takt-Verfahren arbeiten soll (vgl. Abb. lib sowie 12). Abb. 17b zeigt eine einfache 3-te Stufe, Abb. 17c dagegen eine doppelte 3-te Stufe mit doppelt angebrachten Turboaggregaten.
• Die vielfältigen Varianten deuten darauf hin, daß die Erfindung der Turbinen/Kolbenkraftmaschine zahlreiche Mögllchkeiten der Gestaltung bietet. Die Gestaltungsmöglichkeiten sind durch die hier gezeigten Beispiele keineswegs erschöpfend behandelt worden.
• IV. Schlußbetrachtung Die nach dem heutigen Stand der Technik existierenden Maschinenklassen -die nach dem statischen (Kolbenmaschine) und die nach dem kinetischen Verfahren (Turbinenmaschine) - werden durch die Erfindung der Turbinen/ Kolbenkraftmaschine bereichert bzw. erweitert.
• Die Turbinen/Kolbenkraftmaschine ermöglicht es, sowohl die Vorteile der reinen Kolbenkraftmaschine als auch die der reinen Turbinenkraftmaschine gleichermaßen bzw. ergänzend auszunutzen, wenn statt Normalkolben Turbinenkolben verwendet werden. Die andere Variante ist die Verwendung von Arbeitsturbine (ohne Arbeitsventil) für die erste Stufe und Normalkolben bzw. Turbinenkolben für die nachfolgenden komplementären Stufen.
• Durch die Verwendung der starren Kolbenverbindungsstange werden zahlreiche vorteilhafte Konstruktionsmöglichkeiten, die bei herkömmlichen Kraftmaschinenbauarten infolge der Verwendung von Kurbelmechanismus und Pleuelstange nicht möglich sind, eröffnet.
• Die nach Abb. 9 konzipierte Kraftmaschine mit komplementären Betriebszuständen sowie die erweiterten Varianten mit einem Getriebemechanismus (Abb. 15 ff.) ermöglichen - abgesehen vom zusätzlichen Turbinenbetrieb - eine fortlaufende bzw. kontinuierliche Kolbenexpansion, d.h.
• auch kontinuierlichen, in nur eine Richtung verlaufenden Fluß des Arbeitsmediums.
• Wie bei reinen Turbinenkraftmaschinen, bei denen der Strömungsvorgang auch nur in eine Richtung verläuft, besitzen die o.g. Maschinenvarianten im Kolbenbetrieb auch die Eigenschaft, potentielle Energie kontinuierlichsin kinetische Energie umzuwandeln, mit dem Unterschied jedoch, daß statt Impulsübertragung (an Schaufelrädern) &er statische Druck des Arbeitsmediums zum direkten Antrieb des Kolbens verwendet wird. Nur bei Verwendung von Turbinenkolben werden sowohl die Iinpu)sübertragung als auch der statische Druck des Arbeitsmediums gleich maßen ausgenutzt. Für den statischen Druck kommen z.B. Dampfdruck, Gasdruck (Verbrennungsdruck, vom Heißgas erzeugter Druck u.a.) sowie Fliiseigkeitsdruck (Wassersäulendruck eines Staudamms, Gezeiten u.a.) in Frage. Beim dampf- bzw. gasförmigen Arbeitsmedium können sowohl die Ausführung des offenen als auch die des geschlossenen Kreislaufs verwendet werden.
• Die Eigenschaft als Vielstoff-Brennkraftmaschine ist beim intermittierenden Betrieb automatisch gegeben, da die Zündung des Gasgemisches selbständig erfolgt Der verbesserte Wirkungsgrad der Turbinen/Kolbenkraftmaschine gegenüber den herkömmlichen Kolbenmaschinenbauarten ist insbesondere durch die Koppelung des Kolbenbetriebs mit dem Turbinenbetrieb sowie durch die nach Abb. 12 konzipierte Arbeitsweise (bei Verwendung von Normalkolben im 4-Takt-Verfahren) mit längerem Expansions-, aber kürzerem Kompressionshub zu erzielen Die reichlich zur Verfügung stehende Frischluftmenge und die durch den Turbinenbetrieb verursachte Turbulenz ermöglichen eine vollständige Verbrennung des Gasgemisches, so daß reduzierte Schadstoffanteile zu erwarten sind.
• Die Möglichkeit einer idealen, kollinearen Boxeranordnung sowie sonstige kollineare Konstruktionserweiterungen und das Fehlen der schwingungsfähigen Pleuelstange tragen dazu bei, das auftretende Schwingungsproblem der Gesamtmaschine weitgehend zu reduzieren. Bei der in Abb. 9 gezeigten, kollinearen Bauweise ist die Lösung des Vibrationsproblems vollständig gegeben, wenn identische Arbeitskolben verwendet werden, so daß das Schwerpunktsystem der gesamten Kraftmaschine "in Ruhe", d.h.
• identisch mit dem Inertialsystem, bleibt.
• Das Fehlen der Pleuelstange reduziert außerdem die Reibung und den Materialverschleiß der Zylinderwand, da keine Reaktionskraft (Normalkraft) der Zylinderwand benötigt wird, um Drehmoment der Kurbelwelle (durch Kraftübertragunz mittels Pleuelstange) zu erzeugen, was bei dem herkömmlichen Kurbelmechanismus stets der Fall ist (vgl. Abb. 18).
• Im Vergleich mit den herkömmlichen Kolbenmaschinenbauarten unter Ver wendung von Kurbelmechanismus und Pleuelstange sind folgende Vorteile der Turbinen/Kolbenkraftmaschine mit starrer Kolbenverbindungsstange bzw. -welle zu verzeichnen: 1. Die kompakte Bauweise - eine ideale, kollineare Boxeranordnung sowie sonstige Konstruktionserweiterungen in parallel liegender und kollinearer Bauweise - kein Zylinderkopf im üblichen Sinne, stattdessen integriertes (selbsttätig arbeitendes oder gesteuertes) Arbeitsventil mit grö-Berem Durchmesser direkt im Arbeitskolben (Turbinen- bzw. Normalkolben) - keine externe Nockenwelle und deren Übertragungsmechanismen, stattdessen direkt auf der Translationswelle gebildete Steuerungsnocken, so daß die Translationswelle gleichzeitig als Nockenwelle fungiert - keine Normalkraft an der Zylinderwand erzeugende und schwingungsfähige Pleuelstange, stattdessen eine normalkraftfreie, starre Kolbenverbindungsstange, die gleichzeitig als Übertragungswelle für die Drehbewegung des Turbinenkolbens direkt an die Translationswelle fungieren kann.
• 2. Die Reduzierung des Vibrationsproblems der Gesamtmaschine sowie der Reibung und des Materialverschleisses der Zylinderwand 3. Der verbesserte Wirkungsgrad und die zu erwartende Reduzierung der Schadstoffanteile 4. Die Möglichkeit eines selbständig arbeitenden, intermittierenden Betriebs erspart einen aufwendigen Zündungsmechanismus und vermeidet jeglichen Aussetzfehler 5. Die Eigenschaft als Vielstoffkraftmaschine ist automatisch gegeben, da beim intermittierenden Betrieb die Zündung des Gasgemisches von selbst erfolgt (nach der ersten Rremdzündung) 6. Bei nur einem einzigen "Zylinder" der kollinearen Turbinen/Kolbenkraftmaschine ist eine kontinuierliche, lückenlose Drehmomentabgabe in der ganzen Periodendrehung zu erzielen, bei herkömmlichen Kolbenkraftmaschinen dagegen erst durch Mehrzylinderanordnung 7. Da die Kolbenexpansion "fortlaufend" ist und der Strömungfivorgangr des Arheitsmediums nur in eine Richtung verläuft, ist die Turbinen/Kolbenkraftmaschine nicht nur als Brennkraftmaschine, sondern auch als Dampf-, Heißgas-, Flüssigkeitssäulenkraftmaschine usw.
• gut geeignet.
• Im Vergleich zur herkömmlichen reinen Turbinenkraftmaschine sind insbesondere die Vorteile der im Kolbenbetrieb arbeitsfähigen Turbinen/ Kolbenkraftmaschine zu erwähnen: 1. Eine sofortige Drehmomentabgabe unter schnell wechselnden Belastungen der Kraftmaschine wird infolge des Kolbenbetriebs ermöglicht, da der Antrieb des Arbeitskolbens nicht nur durch Impulsübertragung an die Schaufelräder, sondern auch durch den statischen Druck auf den Arbeitskolben erfolgt.
• 2. Die Verwendung der Kolbenverdichter ermöglicht, daß der Vorverdichtungsdruck des Frischgases nicht wie bei Turbinenverdichtern von der Drehzahl der Maschine abhängig ist.
• Die vielfältigen Maschinenvarianten und die oben erwähnten Vorteile der Turbinen/Kolbenkraftmaschine, wie verbesserter Wirkungsgrad, Reduzierung der Schadstoffanteile, Eigenschaft als Vielstoffkraftmaschine, Verwendung verschiedener Arbeitsmedien u.a., tragen dazu bei, die in der letzten Zeit aktuell gewordenen Umwelt- und Energieprobleme mitzulösen und Alternativmöglichkeiten anzubieten.
• V. Reoherchen um Stand der Technik und Stellungnahme Stand der Technik 1. Das mathematische Grundprinzip, wie Rotations- und Translationsbewegungen ineinander zu transformieren sind, ist in der Differentialgeome-trie (Zykloide) allgemein bekannt (s. math. Lehrbücher bzw. Formelsammlungen). In diesem Fall ist die Translationsbewegung durch die Funktion X - Rcos<Y beschrieben (vgl. Anhang 1).
• Bei den z.Zt. weit verbreiteten herkömmlichen Kolbenkraftmaschinenbauarten erfolgt die Translation-Rotation-Bewegungstransformation durch Kurbelmechanismus und Pleuelstange.
• Es ist inzwischen eine Kolbenkraftmaschinenbauart bekannt (Deutsche Patentschrift - Akt. Zeich.: P2445874.0 + P2500257.7 + P2505406.2), die die Funktion des Kurbelmechanismus mit Pleuelstange durch ein Planetenradgetriebe unter alleiniger Verwertung der o.g. mathematischen Erkenntnis der Translation-Rotation-Bewegungstransformation zu ersetzen versucht, jedoch wird die bisher bekannte Bauweise, wobei weiterhin ein Zylinderkopf mit den darin angebrachten Arbeitsventilen verwendet wird, beibehalten.
• Diese technische Lösung besitzt zwar den Vorteil des Entfallens der Pleuelstange, aber weiterhin die Nachteile, daß - ein externer aufwendiger Steuerungsmechanismus (z.B. externe Nokkenwelle mit Untersetzungsgetriebe) zur Arbeitsventilsteuerung verwendet werden muß - das Arbeitsverfahren sich nur auf das statische Verfahren des Mehr-Takt-Betriebs beschränkt - in ihrer physikalischen Eigenschaft (Wirkungsgrad u.a.) keinerlei Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Kolbenkraftmaschinenbauart mit Kurbelmechanismus und Pleuelstange aufweist, da der Kolbenabstand nur von reiner Cosinus-Funktion abhängt (vgl. Tabelle 1 und die Untersuchungen in Anhang 2 der vorliegenden Beschreibung) - aus wirtschaftlichen und physikalischen Gesichtspunkten der alleinige Ersatz des einfachen Kurbelmechanismus durch ein Planetenradgetr#ebe wit dessen aufwendigerem Aufbau nicht zu vertreten ist.
• 2. Es sind inzwischen auch einige Eolbenkraftmaschinenbauarten bekannt (Deutsche Patentschriften - Akt. Zeich.: P2451516.0 und P2557121.5), die den Wirkungsgrad der herkömmlichen Kolbenkraftmaschinen, deren Expansions- und Kompressionswege gleich lang sind, zu verbessern versuchen, jedoch basieren die dort eingeschlagenen technischen Lösungen weiterhin auf der Verwendung von Kurbelmechanismus und Pleuel stange.
• Einen verlängerten Expansions- und verkürzten Kompressionsweg kann man in verschiedener Weise erhalten, und zwar - wie in Anhang 2 untersucht - als Resultat einer Parameterkombination 2-er periodischen Funktionen, d.h. eine mathematische Erkenntnis, die auch unter Verwendung von Kurbelmechanismus mit Pleuelstange realisiert werden kann.
• a. Die in Akt. Zeich.: P2451516.0 gezeigte technische Lösung mittels doppelter Kurbelmechanismen unter Zuhilfenahme eines Planetenratlgetriebes hat weiterhin die Nachteile - der Verwendung eines externen Steuerungsmechanismus für die im Zylinderkopf angebrachten Arbeitsventil e - der aufwer.digen doppelten Kurbelmechanismen mit Planetenradgetriebe - der schwingungsfähigen, Normalkraft erzeugenden Pleuelstange.
• b. Die in Akt. Zeich.: P2557121.5 gezeigte technische Lösung mittels 2-er entgegengesetzt angeordneten Kurbelmechanismen mit Pleuelstange und kollinearer Kolbenanordnung hat außer den bekannten Nachteilen - der Pleuelstange - der externen Steuerungsmechanismen für die Arbeitsventile auch noch den Nachteil - der schwierigen Konstruktion für den Einlaß und Auslaß des Arbeitsmediums, da die Arbeitsventile an der Zylinderwand angebracht verden müssen.
• Die Schwierigkeit dieser Problemstellung ist aus cem Kurvenverlauf der beiden periodischen Funktionen in Abb. 11 bzw. 12 der vorliegenden Beschreibung zu erkennen, da der Arbeitsraum - in diesem Fall nur der Raum II - in seinem Periodenverlauf entlang der Zylinderwand wandert (ari verschiedenen Orten der Zylinderordinate). Die Räume I und III sind infolge der Vervcndung von Pleuelstangen nicht auszunutzen.
• Stellungnahme Bei der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich der Getriebemechanismus von den bisher bekannten darin, daß der Getriebemechanismus nicht nur die Funktion des Kurbelmechanismus mit Pleuelstange zur Translation-Rotation-Bewe'gungstransformation zu ersetzen, sondern auch die zusätzlichen Funktionen der Drehgeschwindigkeitsuntersetzung des als Turbine wirkenden Arbeitskolbens und der Steuerung des im Arbeitskolben integrierten Arbeitsventils zu erfassen vermag(vgl. Patentanspruch ld der vorliegenden Beschreibung - Kap. IV).
• Durch diese technische Lösung werden die in 1 und 2a, b genannten Nachteile der bisher bekannten Kolbenkraftmaschinenbauarten beseitigt, so daß der Nachteil des aufwendigeren Aufbaus des Getriebemechanismus aufgrund der wirtschaftlichen und physikalisch-technischen Gesichtspunkte zu vertreten ist, da die damit erzielten Vorteile gegenüber bisher bekannten Kraftmaschinen überwiegen.
• Darüberhinaus werden durch diesen Lösungsweg zahlreiche Möglichkeiten in der Konstruktion, Arbeitsweise und physikalischen Eigenschaft, die bisher nicht existierten, eröffnet.
• Zu verzeichnen sind îolgende Vorteile: a) In der Konstruktion, z.B.
• - die starre Kolbenverbindungsstange bzw. -welle (durch das Entfallen der Pleuelstange) - das Entfallen der externen, aufwendigeren und platzraubenden Steuerungsmechanismen für die Arbeitsventile, da die Arbeitsventile (mit größerem Durchmesser) direkt in den jeweiligen Arbeitskolben integriert sind - die Möglichkeit der Verwendung eines gleichzeitig als Turbine wirkenden Arbeitskolbens (Turbinenkolbens) - die Möglichkeit einer idealen kollinearen, weitgehend schwingungsfrei en Boxeranordnung - die Möglichkeit der Gestaltung als mehrstufig arbeitende ehrkolbenkraftmaschine unterschiedlicher Bau- und Kolbenarten (vgl. die Beschreibung; in Kap. III).
• b) In der Arbeitsweise, z.B.
• - der gleichzeitige Turbinen- und Kolbenbetrieb - die "fortlaufende" Kolbenexpansion infolge der komplementären Betriebszustände - die Möglichkeit sowohl eines Mehr-Takt-Verfahrens als auch eines intermittierenden Betriebs - die Eigenschaft als Vielstoff-Kraftmasohine beim intermittierenden Betrieb - die Verwendung unterschiedlicher Arbeitsmedien als Dampf-, Heißgas-, Flüssigkeitssäulenkraftmaschine usw. (aufgrund der "fortlaufenden" Kolbenexpansion).
• c) In der physikalischen Eigenschaft, z.B.
• - der verbesserte Wirkungsgrad durch: + den gleichzeitigen Turbinen- und Kolbenbetrieb + den verlängerten Expansions- und verkürzten Kompressionsweg (im Falle eines 4-Takt-Verfahrens) - der variable Verlauf der Drehmomentabgabe durch Anderung der Radienverhältnisse der verwendeten Getriebemechanismen (in einer der genannten Maschinenvarianten: Klassifikation C - s. Anhand 2) - die kontinuierliche Umwandlung der potentiellen Energie (des statischen Drucks) in mechanische Energie (infolge der "fortlaufenden" Kolbenexpansion). Bei Verwendung von Turbinenkolben bzw.
• Normalkolben in Kombination mit (dynamischen bzw. stationeren) ArbeitsturDinen (ohne Arbeitsventil) werden sowohl der statische Druck als auch die Impulsübertragung (an die Schaufelräder) gleichzeitig ausgenutzt.
• Darüberhinaus sind wegen der wirtschaftspolitischen Aspekte des Umwelt- und Energieproblems die erzielten Vorteile (verbesserter Wirkungsgrad, Reduzierung der Schadstoffanteile, Eigenschaft als Vielstoffkraftmaschine) sicherlich von Interesse.
• Anhang 1 : Geradengleichung Behauptung: Eine Gerade wird durch einen Punkt des Umfanges eines Kreises mit dem Radius r beschrieben, wenn dieser Kreis ohne zu gleiten auf der Innenseite eines anderen feststehenden Kreises des Radius 2r rollt.
• Beweis: (siehe Abb. 1b) Die Koordinaten des Umfangspunktes (w) des rollenden Kreises in Bezug auf seinen Schwerpunkt (X) sind x' = r cos# y' = r sinn Dagegen gilt für die Koordinaten des Kreisschwerpunktes (X) in Bezug auf die feststehende Drehachse (Y) x'' = r cos# y" = r sin;o Somit ergibt sich, daß die Koordinaten des Umfangspunktes (W) in Bezug auf die feststehende Drehachse (Y) x = ;' + x' = r(cosso + cos# ) (Gl. I) y = y'' + y' = r(sin# + sin#) sind.
• Andererseits muß die Geschwindigkeit des Kreisschwerpunktes (X) in Bezug auf den Berührungspunkt (Z) gleichgroß wie in Bezug auf die Drehachse (Y) sein, d.h.
• r# = -r# bzw. # = -# Daraus folgt, daß cos# = cos(-#) = cos sin= sin(-#) = sind Setzt man dies in die obige Gl. I ein, so gilt x = r(cos# + cos#) = 2r.cos# y = r(sin# - sin#) = 0 Der Umfangspunkt (W) beschreibt also eine Geradengleichung entlang der x-Achse.
• Außerdem wird ersichtlich, daß der Umfangspunkt (w) nichts anderes als die Projektion des Berührungspunktes (Z) auf die x-Achse ist, da der Radiusvektor YZ = 2r und der Drehwinkel =# # betragen. D.h., die Strecke ZW steht immer senkrecht auf der x-Achse.
• Anhang : Eigenschaften 2-er periodischen Funktionen als Crundlagenprinzipien für die Arbeitsweise einer Kraftmaschine Wie bereits in Anhang 1 gezeigt, wird die translatorische Bewegung jedes mit der Translationswelle des Getriebemechanismus (vgl. Abb. 2 und Kap. I) verbundenen Arbeitskolbens stets durch eine periodische Funktion Fn(Rn,αn) = Rncos«n beschrieben, wobei Rn = der Radius des Innenzahnrads und αn = der Drehwinkel des n-ten Getriebemechanismus.
• Bei Verwendung von 2 Getriebemechanismen und 2 Arbeitskolben in kollinearer Anordnung erhält man dementsprechend 2 periodischen Funktionen, die miteinander kombiniert werden können.
• Die Parameter sind: - Radienverhältnis R1/R2 - Drehgeschwindigkeitsverhältnis α1/α2 - Phasenverschiebung des Drehwinkels «0 Aus der Kombination der Drehgeschwindigkeitsverhältnisse und der Phasenverschiebungen des Drehwinkels erhält man zunächst 3 unterschiedliche Klassifikationen, die als Grundlagen für die Arbeitsweise einer Kraftmaschine geeignet sind (vgl. Abb. 9, 10, 11): a. α0 = 1800 α1/α2 = 1 # α1 = α2 = α b. α - 1800 α1/α2 = 2 # α1 = 2.α2 c. α0 = 90 α1/α2 = 2 # α1 = 2.α2 Der vom Umschließungskörper begrenzte Gesamtraum wird durch die 2 Arbeitskolben in 3 Raumhälften, die als Arbeitsräume dienen können, unterteilt (vgl. Abb. 9 ff.). Die Volumen der 3 Arbeitsräume - Raum I, II und III - mit gleichgroßer Querschnittfläche werden also allein durch die Kolbenabstände LI = |F1(R1,α1) - C1| II = |F2(R2,α2) - F1(R1t1) LIII = |F2(R2,α2) - C2| bestimmt; wobei C1, C2 konstante Größen für die Ortskoordinaten der feststehenden Seitenwände des Umschließungskörpers sind.
• Wie man aus Abb. 9, 10, 11 sieht, sind die Kolbenabstände LI und LII identisch mit den periodischen Funktionen F1 und F2, dagegen ist der Kolbenabstand LII des Arbeitsraums II je nach Differenzbetrag der beiden periodischen Funktionen F1 und F2 von unterschiedlicher Gestalt.
• Im folgenden wird daher nur der unterschiedliche Kolbenabstand LII der o.g. Klassifikationen untersucht.
• Im allgemeinen beträgt die geleistete Arbeit (= Kraft x Weg = Drehmoment 1 Drehwinkel) bei der Kolbenexpansion von L bis L min max wobei M(α) = K(α).dL/dα = das Drehmoment K(L(α)) = K(oc) = die auf den Arbeitskolben wirkende Kraft L(oc) = der vom Arbeitskolben zurückgelegte Weg (=Kolbenabstand) « = der Drehwinkel Unter der einfachen Annahme, daß die Beziehung pV = konst. (isotherme Expansion) gilt, so beträgt K(L(α)) - K0.L0/L(α) , wobei Ko, Lo = Konstanten Somit gilt für die geleistete Arbeit und für das Drehmoment M(oc) - (K0L0x/Lx).(dL/dα) (Gl. III) Mit diesen vereinfachten Gleichungen sollen lediglich die physikalischen Eigenschaften der o.g. Kombinationsergebnisse (Klassifikation a bis c) untersucht und Vergleiche mit der herkömmlichen Kolbenmaschinenbauart unter Verwendung von Kurbelmechanismus und Pleuelstange gezogen werden. Es wird später gezeigt werden können, daß die physikalische Eigenschaft der herkömmlichen Kolbenmaschinenbauart in die o.g.
• Klassifikation b bzw. c fällt, und zwar nur im Falle R1/R2 < 1/4.
• ). #. Für adiabatische Expansion gilt pV = konst. , so daß alle Größen Lo/L durch (L0/L)x zu ersetzen sind.
• Kurbelmechanismus und Pleuelstange (s. Abb. 18) S sei die Länge der Pleuelstange, R der Radius des Kurbelmechanismus und ß der Winkel zwischen der Pleuelstange und Zylinderachse.
• Es gilt die Beziehung Rsinα = Ssinß sinß = (R/S)sinα cosß = (1 - (R/S)².sin²α)1/2 (Gl. lV) ßmax = arc tg(R/S) Der Kolbenabstand vom Zylinderkopf beträgt LK(R,S,α) = L0+R+S-(Rcosα+Scosß) = L0+R(1-cosα)+S(1-cosß) (Gl. V) wobei L0 = der minimale Kolbenabstand.
• Wie man aus Gl. V sieht, besteht der Kolbenabstand Lk aus ebenfalls 2 periodischen Funktionen F1(R,α) = R(1-cosα) und F2(S,ß) = S(1-cosß).
• Das Drehmoment beträgt Mk(R,S,α) = (K0L0x/Lkx(α)).(dLk(α)/dα) Mit dLk(R,S,α)/dα = dF1(R,α)/dα +(dF2(S,ß)/dß).(dß/dα) und dß/dα = (R/S).(cosα/cosß) (nach Gl. IV) erhält man für das Drehmoment wobei cosß = (1-((R/S)sinα)²)1/2 Maschinenklassifikationen nach dem Ergebnis der Parameterkombination Wie schon erwahnt, wird nur der Kolbenabstand LII untersucht.
• Es sei im folgenden stets R1 = r , R2 = R und L0 = der minimale Kolbenabstand.
• a) Im Falle α0 = 180° und α1/α2 = 1, d.h. α1 = α2 = α (vgl. Abb. 9), beträgt der Kolbenabstand zwischen den beiden Kolben La(R,r,α) = L0 + F2(R,α) - F1(r,α) = L0+R+r-(R+r)cosα = L0+(R+r)(1-cosα) Daraus folgt, daß das Drehmoment b) Für α0 = 180° und α1/α2 = 2 bzw. α1 = 2.α2 = 2α (vgl. Abb. 10), beträgt der Kolbenabstand Lb(R,r,α) = L0 + F2(R,α) - F1(r,2α) = L0+R(1-cosα)+r(1-cos2α) = L0+R(1-cosα)+2rsin²α (Gl. VIII) und das Drehmoment Um festzustellen, ob der Verlauf der Funktion Lb(R,r,α) als sinnvolle Arbeitsgrundlage für eine Brennkraftmaschine verwertet werden kann oder nicht, untersucht man zunächst die Reihenfolge ihrer Maxima und Minima (vgl. Tabelle 1).
• Das Extremum des Kolbenabstandes (der sog. Arbeitshublänge) erhält man durch Differentiation von Lb(Oc) nach α und Gleichsetzung mit Null, d.h.
• dLb(α)/dα = sinα(1+4(r/R)cosα) = 0 Man erhält dann - für r/R > 1/4 Maximum bei: 1+4(r/R)cosα = 0 # cosα = -(R/4r) α = arc cos (-R/4R) # n.# n = 0, 1, 2 Minimum bei: sinα = 0 0 α1 = 0° # n.2# n = 0, 1, 2 .....
• α2 = 180° # n.2# Setzt man dies in Gl. VIII ein, so erhält man (Lb)max = L0+R+2r+(R²/8r) (Lb)min(1) = L0 (Lb)min(2) = L0+2R , wobei (Lb)min(1) # (Lb)min(2) Es existieren also nur 1 Maximum,aber 2 Minima.
• - für r/R < 1/4 Maximum bei: α = 180° # n.2# , da für r/R = 1/4 # α = arc cos(-1) = 1800 und für r/R < 1/4 # (1+4(r/R)cosα) # 0 sind.
• Minimum bei: oc = 0° # - n2n Es existieren also jeweils nur 1 Maximum und 1 Minimum, wobei (Lb)min = L0 und (Lb)max = L0+2R sind.
• In einer 2#-Drehung besteht die zeitliche Reihenfolge der Extremalwerte (Minima und Maxima) - im Falle r/R > 1/4 aus: Lmin(1) # Lmax # Lmin(2) # Lmax # zyklisch (L0) (L0+R+2r+(R²/8r)) (L0+2R) (L0+R+2r+(R²/8r)) - im Falle r/R#1/4 aus: Lmin # Lmax # zyklisch (Lo) (Lo+2R) Es ist ersichtlich, daß für ein 4-Takt-Verfahren stets eine 47r-Drehung erforderlich ist.
• Der Fall r/R>1/4 bietet aber im 2-Takt-Verfahren eine bessere Eigenschaft als der Fall r/R#1/4, da zwischen den beiden L wo Lmin(2) dazwischen liegt, eine verlängerte Pause und teilweises Ausstoßen und Ansaugen erfolgen, so daß der Frischgasaustausch begünstigt wird.
• Wie schon erwähnt, gehört die herkömmliche Brennkraftmaschine mit Kurbelmechanismus, Pleuelstange und feststehendem Zylinderkopf in diese Klassifikation, wenn r/R<1/4 ist.
• Nach Gl. V sind F2(s,ß) = S(1-cosß) und cosß = (1-((R/S)sinα)²)1/2.
• Mit der optimal möglichen Pleuelstangenlänge S = 2R beträgt die Amplitude der periodischen Funktion F2(S,) = 2R(1-0.866) = 0.268 R r G 0.134 R « R/4 (vgl. Abb. 20a) Dies liegt also noch weit unterhalb der Grenze von r#/R = 1/4.
• In seiner physikalischen Eigenschaft ist diese Klassifikation mit r/R< 1/4 also verwandt mit der herkömmlichen Kolbenmaschinenbauart unter Verwendung von Kurbelmechanismus und Pleuelstange.
• Durch das Entfallen der Pleuelstange, der Normalkraft und der durch Pleuelstange erzeugten Schwingung bietet eine Maschinenbauart dieser Klassifikation mit starrer Kolbenverbindungsstange jedoch Vorteile in vieler Hinsicht.
• Einen entscheidend größeren Vorteil bringt die folgende Klaæsifikation.
• Durch Phasenversohiebung der beiden periodischen Funktionen F1 und F2 um 900 und die Beibehaltung des Drehgeschwindigkeitsverhältnisses α1/α2 = 2 (vgl. Abb. 11 sowie 12) erhält man zusätzliche Vorteile, wie die Reduzierung der Maschinengesamtlänge (durch Verschachtelung der Kolbenbewegungen) und vor allem einen verbesserten Wirkungsgrad.
• In dieser Klassifikation beträgt der Kolbenabstand Lc(R,r,α) = L0+ F2(R,α) - F1(r,2α) = L0+L0#+Rsinα+2rsin²α (Gl. X) Zunächst muß die konstante Größe L0# bestimmt werden.
• Das Extremum des Kolbenabstandes L (R,r,oc) ist zu erhalten, wenn dLc(α)/dα = cosα(1+4(r/R)sinα) = 0 ist.
• Für den Fall r/R#1/4 erhält man L0# = 0 und identische Eigenschaft wie die der schon in b) untersuchten Klassifikation, die wiederum identisch mit der herkömmlichen Kolbenmaschinenbauart unter Verwendung von Kurbelmechanismus und Pleuelstange ist.
• Dagegen erhält man im Falle r/R >1/4 - Maximum bei: cosα = 0 α1 = #/2 # n.2# α2 = 3#/2 # n.2# Es existieren also 2 Maxima.
• - Minimum bei: (1+4(r/R)sinα) - 0 α = arc sin(-R/4r) Setzt man dies in Gl. X ein, so erhält man Lmin = L0+L0#-(R²/4r)+2r(R²/16r²) = L0+L0#-(R²/8r) Damit Lmin = L0 ist, so muß L0# = R²/8r sien.
• Daraus folgt, daß der Kolbenabstand Lc(R,r,α) = L0+(R²/8r)+Rsinα+2rsin²α (Gl. Xa) Setzt man die Extremalwerte vona in die Gl. Xa ein, so erhält man (Lc)max(1) = L0+(R²/8r)-R+2r (Lc)max(2) = L0+(R²/8r)+R+2r, wobei (Lc)max(1) # (Lc)max(2) ist, und (Lc)min(1) = (Lc)min(2) = (Lc)min = L0 .
• Die zeitliche Reihenfolge der Minima und Maxima besteht also aus Lmin # Lmax(1) # Lmin # Lmax(2) # zyklisch (Lo) (LO+(R2/8r)-R+2r) (L0) (L0+(R2/8r)+R+2r) Die Vorteile dieser Klassifikation sind ersichtlich: - Es ist nur eine 2#-Drehung notwendig, um ein volles 4-Takt-Verfahren durchzuführen.
• - Aufgrund der Tatsache, daß stets (Lc) (1) # (Lc) (2) und die Arbeit max max der Größe ln(Lmax/Lmin) proportional sind, wählt man (Lc)max(1) als den Kompressionshub und (Lc)max(2) als den Expansionshub.
• Die geleistete Expansionsarbeit ist also der Größe In(L(2)/L0) max proportional, die zugesteckte Kompressionsarbeit dagegen der Größe ln(L(1)/L0), wobei stets L(1) # L(2) ist.
• Somit erzielt man einen besseren Wirkungsgrad als bei der her kömmlichen Kolbenmaschinenbauart mit Kurbelmechanismus und Pleuelstange, wobei der Kompressionshub stets gleichgroß dem Expansionshub ist (vgl. das p,V-Diagramm in Abb. 14 a, b).
• In dieser Klassifikation beträgt das Drehmoment Hier sieht man wiederum den Vorteil des Cosinus-Ausdrucks im Vergleich zu anderen Varianten sowie der herkömmlichen Kolbenmaschinenbauart, wobei stets der Sinus-Ausdruck auftaucht (vgl. Tabelle 1). Die verbesserte Drehmomentabgabe kann außerdem durch Änderung des Radienverhälnisses r/R in ihrem Verlauf (Anstieg, Peak-Höhe, Fußbreite u.a.) weitgehend beeinflußt werden. Abb. 19a und 19b zeigen den Verlauf von Lc(OC) und Mc(α) für r/R - 0.5 bis 1.0 Da infolge des Cosinus-Ausdrucks für α = O 0 das Drehmoment Mc # O ist, kann stets eine Frühzündung gewählt werden, so daß das abgegebene Drehmoment nicht nur in einem Drehwinkelintervall von #α = 900 (7L/2) möglich ist, sondern um den Drehwinkel α# = arc sin(-R/4r) zu erweitern ist, d.h., es gilt stets #cα= r/2 +larc sin(-R/4r)i.
• Das bedeutet,, daß in einer 4-"Zylinder"-Anordnung ein Überlappungsgrad der Drehmomentabgabe von 4. | arc sin(-R/4r)| . 100 % zu erhalten ist, 2 # was bei herkömmlichen Kolbenmaschinenbauarten mit Kurbelmechanismus und Pleuelstange erst durch 5-Zylinder-Anordnung zu erreichen ist, da infolge des Sinus-Ausdrucks das Drehmoment Mk(ac) = O für CC 0 ist (vgl. Gl. VI). D.h., die Drehmomentabgabe ist nur in einem maximalen Intervall von #α1 » 900 (#/2) möglich, wenn festgelegt wird, daß eine volle Periodendrehung gleich 2# ist.
• Einen Vergleich des Drehmomentverlaufs in Abhängigkeit vom Drehwinkel zwischen der herkömmlichen Kolbenmaschinenbauart mit Kurbelmechanismus und Pleuelstange (für S = 2R) und der Klassifikation c (für r/R = 1) zeigen Abb. 20a, b und Abb. 21a, b.
• Abb. 22 zeigt den Verlauf der Funktion oc = arc sin(-R/4r) in Abhängigkeit vom Radienverhältnis r/R.
• Tabelle 1 :

  sJ

  P: IP: P; Rsina( 1+(R/S)(cosa/cos)) Lmin Lmax zyklisch

  und Pleuelstange I X tL0+R(1-o05)+S(1-cos)i S (L0+2R)

  mit sinß m tn m 6a a

  -rl cl rl rl r

  K ri ri ri ri ri

  :5 K a s Rsina(1+(r/R)) Lm K Lmax s zyklisch

  S t t t t t t

  < + P; Rsina(1+4(r/R)cosa A; t 7; n

  X #cu #cu (L0+2R)

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  Inhaltsverzeichnis Seite I. Getriebemechanismus 2 II. Turbinenkolben, Normalkolben und Arbeitsventil 4 III. Technische Realisierung^ als Kraftmaschinen und deren Arbeitsweisen 6 A. Verwendung eines Getriebemechanismus und eines Arbeitskolbens 8 3. Verwendung von 2 Getriebemechanismen und 2 Arbeitskolben in kollinearer Anordnung 9 C. Verwendung von mehreren Arbeitskolben, aber nur 1 Getriebemechanismus 17 IV. Schlußbetrachtung 19 V. Recherchen zum Stand der Technik und Stellungnahme 23 VI. Patentansprüche 27 A n b a n g Anhang 1 : Geradengleichung 1 Anhang 2 : Eigenschaften 2-er periodischen Funktionen als Grundlagenprinzipien für die Arbeitsweise einer Kraftmaschine II Tabelle 1 X Z e i c h n u n g : 22 Abbildungen

Claims (1)

1. VI. Patentansprüche Universell verwendbare Turbinen/Kolbenkraftmaschine hohen Wirkungsgrades mit integriertem Getriebemechanismus sowohl zur Translation-Rotation-Bewegungstran6formation als auch zur Drehgeschwindigkeitsuntersetzung sowie zur Arbeitsventilsteuerung, gekennzeichnet durch a. den Arbeitsraum, begrenzt durch den Umschließungekörper , unterteilt durch einen bzw. mehrere Arbeitskolben sowohl in kollinearer als auch paralleler Anordnung in mehrere Teilarbeitsräume, gekennzeichnet durch das in nur eine Richtung verlaufende Arbeitsmediun und den Durchlauf aller Teilarbeitsräume b. den Arbeitskolben, insbesondere gekennzeichnet durch das darin integrierte Arbeitsventil: - den Turbinenkolben, bestehend im allgemeinen aus Leitrad/-rädern, Schaufelrad/-rädern und Arbeitsventil; - den Normalkolben, bestehend aus nur Kolbenboden und Arbeitsventil; - die dynamische bzw. stationäre Arbeitsturbine ohne Arbeitsventil (zur Unterstützung der o.g. Arbeitskolben) c. die starre Kolbenverbindungsstang,e bzw. -welle zur direkten Kraft- bzw. Drehmomentübertragung (auf die Translationswelle) sowie auch zur Führung'des Arbeitsventilschafts d. den Getriebemechanismus (siehe Abb. 2), bestehend aus dem rollenden Außenzahnrad (-rädern) (3) des Radius r, dem feststehenden Innenznhnrad (-rädern) (2) des Radius 2r, der Hauptantriebswelle (-wellen) (1) und der starr mit dem rollenden Außenzahnrad (-rädern) (3) verbundenen Translationswelle (4), deren Achse durch den Umfangspunkt des rollenden Außenzahnrads (-räder) (3) geht, insbesondere gekennzeichnet durch folgende Funktionen: - die direkte Transformation der Rotationsbewegung des Cetriebemechanismus in die Tr3nslationsbewe6ung der Arbeitskolben (Turbinenkolben bzw. Normalkoloen) und umgekehrt (durch die translatoriszhe Bewegung der Translationswelle) - die Drehgeschwindigkeitsübertragung und -untersetzung des sich drehenden Schaufelrads (-räder), wenn Turbinenkolben verwendet werden (durch das direkt auf der sich drehenden Translationswelle gestaltete Untersetzungsgetriebe, z.B. das Zahnräderpaar (6) und (7)) - die direkte Steuerung des im Arbeitskolben (Turbinen- bzw.

   Normalkolben) integrierten Arbeitsventils (durch den direkt auf der Translationswelle gebildeten Steuerungsmechanismus, z.B. die Nocke (5)); 2. die Ausführung als Arbeitsmaschine (Pumpe) nach den in Anspruch 1 geltend gemachten Merkmalen; 3. sämtliche Maschinenvarianten nach den in Anspruch 1 geltend gemachten Merkmalen, gekennzeichnet dadurch, daß insbesondere die mehrstufig arbeitenden Mehrkolbenkraftmaschinen unterschiedlicher Bau-und Kolbenarten a) nach der Anzahl und den folgenden Parametern der verwendeten Getriebemechanismen: - Radienverhältnisse - Drehwinkelverhältnisse - Phasenverschiebungen der Drehwinkel b) nach der Art der Arbeitskolbenanordnung: - kollineare Anordnung - parallele Anordnung - sowohl kollineare als auch parallele Anordnung c) nach der Art der verwendeten Arbeitskolben: - Turbinenkolben - Normalkolben - Normal- und Turbinenkolben - zusätzliche Verwendung von Arbeitsturbine (ohne Arbeitsventil) d) nach der Art des verwendeten Arbeitsmediums und Arbeitsverfahrens als irenn-, Dampf-, Heiagas-, Wassersäulenkraftmaschine usw.

   variiert und gestaltet werden können; insbesondere - diejenigen Varianten in paralleler und/oder kollinearer Anordnung unter Verwendung von einem oder mehreren Oetriebemechanismen (mit Radienverhältnis 1:1, rehwinkelverhältnis 1:1 und Phasenverschiebung der Drehwinkel um 1800), insbesondere gekennzeichnet durch die komplementären Betriebszustände und "fortlaufende" Kolbenexpansion - diejenigen Varianten in kollinearer Anordnung (mit Radienverhältnie größer als 1:4, Drehwinkelverhal tni s 2:1 und Phasenverschiebung der Drehwinkel um 900), insbesondere gekennzeichnet durch den verlangerten Pxpansions-, aber verkürzten Kospressionsweg (in 4-Takt-Verfahren), den vollen 4-Takt-Zyklus von nur 3600 und die Möglichkeit einer idealen kollinearen Boxeranordnung sowie des Baukastenprinzips.

   Alle Kraftmaschinenvarianten sind dadurch gekennzeichnet, daß - alle Arbeitsventile in den jeweiligen Arbeitskolben integriert sind - das Arbeitsmedium in nur eine Richtung verläuft, d.h. völlige Trennung des Einlasses und Auslasses - ein gleicEzeitiger Turbinen- und Kolbenbetrieb unter Verwendung von Turbinenkolben bzw. Normalkolben in Kombination mit zusätzlichen (dmamischen bzw. stationären) Arbeitsturbinen (ohne Arbeitsventil) ermöglicht wird.

   4. Da der Getriebemechanismus auch für andere Zwecke verwendet werden kann, wird somit der Nebenanspruch erhoben auf den Getriebemechanismus als ein Steverorgan und eine Vorrichtung zur Drehgeschwindigkeitsübertragung eines sich geradlinig hin-und herbewegenden und gleichzeitig rotierenden Maschinenteils, gekennzeichnet durch die in Anspruch 1d beschriebenen Merkmale.