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Beschreibung, Blatt 1
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Kraft-und Arbeitsmaschine.
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Die Erfindung betrifft eine Kraft- oder Arbeitsmaschine für hohe Druckgefälle,
welche sich wie andere, herkömmliche Maschinen als Verbrennungsmotor, als passiver
Motor mit Antrieb durch druckaus-;;beide Flüssigkeiten, Dämpfe oder beliebige Gasgemische
und als Pumpe zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasgemischen auslegen läßt und
deren Motor bzw. Pumpenfunktion auf der abwechselnden Verqrcißerunq und Verkleinerung
der Rauminhalte von umlaufenden io kräumen beruht.
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Ss ist bekannt, daß eine abwechselnde Rauminhaltsveränderung in umlaufenden
Druckräumen dadurch erreicht werden kann, daß dEr Jmlauf in ouerschnittsverändernden
Kanälen stattfindet. Dazu ist eine radiale oder axiale, periodisch wiederholte Verschiebung
von Trennwänden üblich. Wegen der mangelnden Dichtigkeit und aus anderen mechanischen
Gründen lassen sich solche Maschinen nur für kleine Druckgefälle verwenden und gestatten
nicht den Betrieb als Verbrennungsmotor. Außerdem sind die periodischen Verschiebungen
der rotierenden Trennwände lineare Bewegungen, die aus der Drehbewegung abgeleitet
und den Trennwänden aufgezwungen werden müssen und Verluste verursachen, unter anderem
w-eil Massenkräfte den Linearbeschleunigungen entgegenwirken.
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Es ist auch bekannt, daß für hohe Druckgefälle mit Erfolg Kolbenmaschinen
zur Anwendung kommen, in denen die abwechselnde Rauminhaltsveränderung in stationären
Druckräumen durch die lineare oszillierende Bewegung von Kolben in zylindrischen
Kammern bewirkt wird. Es ist aber ebenfalls bekannt, daß die oszillierende Linearbewegung
Massenbeschleunigungskräfte verursacht, welche die Drehbewegung in unerwünschter
Weise beeinflussen, und daß in Kolbenmaschinen die Uerlustkräfte, außer den Massenkräften
auch die für den aufgabenqerechten Ablauf nichtaktiver Zylinder takte erforderlichen
Kräfte, auf dem Weg über die Kurbelwelle zu den Kolben der einzelnen Zylinder Ubertragen
werden müssen. Außerdem ist in Kolbenmaschinen für den funktionsgerechten Ablauf
der aufeinander folgenden Zylindertakte jedes einzelnen Zylinders in
Beschreibung,
Blatt 2 der Regel ein gesteuertes Öffnen und Schließen der Einlaßkanäle und der
Auslaßkanäle erforderlich, wozu, zum Beispiel in Zweitaktpumpen oder in Uiertakt-Verbrennungsmotoren,
mehr oder weniger aufwendige, exakt zu justierende Steuerungsmechanismen notwendig
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, erstens Linearbewegurgen
gänzlich zu vermeiden, zweitens erforderliche oszillierend Bewegungen in die Drehdimension
zu verlagern, drittens maschinE-interne Verlustkräfte möglichst direkt von Kraftüberschußorter,
zu Kraftbedarfsorten hinzuleiten und viertens mit einer erhebl ~-vereinfachten Konstruktionsweise,durch
Eliminierung von Ventilen und \lentilsteuc?runrIsmachanismen und durch Reduzierung
der Anza,, beweqter Maschinenteile und Wereinfachung der für den Betrieb als Verbrennungsmotor
erforderlichen Zünd- beziehungsweise Einspritzanlage, eine Maschine zu schaffen,
die im Wesentlichen nu rotierende und umlaufende Teile enthält aber die Wirkungseigenschaften
von komplizierten Kolbenmaschinen erbringt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Vielzahl
von Druckräumen auf einer Kreisbahn angeordnet sind und sin innerhalb eines geschlossenen
Laufkanals mit gleichbleibendem Querschnitt in einer stetigen Umlaufbewegung befinde-n
und in ihrer Bogenlänge veränderlich sind. Die Bogenlänge der stetig umlaufenden
Druckräume schwankt während des Umlaufens periodisczwischen einem gleichbleibenden
Minimalwert und einem gleichblebenden Maximaluert. Die Gesamtzahl der umlaufenden
und ihren Rauminhalt periodisch verändernden Druckräume teilt sich in zwei gleichzahlige
Gruppen von Druckkammern mit wechselseitig variierenden Rauminhalten. Diese beiden
Kammergruppen entstehen durch die Aufteilung des verfügbaren Rauminhaltes des Laufkanats
mittels zweier ineinandergreifender Schaufelkränze, welche steti umlaufen.
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Die beiden ineinandergreifenden Schaufelkränze werden erfinduneF-gemäß
während ihrer Umlaufbewegung periodisch wechselseitig beschleunigt und verzögert.
Von den Schaufeln eines Schaufel--3-
Beschreibung, Blatt 3 kranzes
gesehen, liegen die Kammern der einen Kammergruppe in Drehrichtung vor den Schaufeln
dieses Kranzes und die Kammern der anderen Kammergruppe dahinter. Wird nun ein Schaufelkranz
gegenüber dem anderen beschleunigt, so verkleinern sich die vor den beschleunigten
Schaufeln befindlichen Kammern, während sich die dahinter befindlichen Kammern der
anderen Kammergruppe im gleichen Maße vergrößern. Wird hingegen derselbe Schaufelkranz
gegenüber dem anderen verzögert, so ergibt sich eine gleichartige Rauminhaltsverschiebung
mit umgekehrtem Vorzeichen oder derselbe Vorgang wie beim Beschleunigen, mit dem
Unterschied, daß die Rcllen der Kammern um einen Kammerplatz verschoben sind.
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Die Relativbewegungen der Schaufelkränze sind erfindungsgemäß so mit
der Vorwärtsbewegung koordiniert, daß an gleichbleibenden Orten im Laufkanal die
Kammerexpansionen und an anderen gleichbleibenden Orten im Laufkanal die Kammerkontraktionen
stattfinden.
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1)aber lassen sich an bestimmten Gehäuseste11tn ortsfeste EinlaG-kanäle
und Auslaßkanäle und ortsfeste Zünd- bzw. Einspritzvorrichtungen für den Betrieb
als Verbrennungsmotor anbringen.
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In erfindungsgemäßen Maschinen kommen Linearbewegunqen nicht vor,
und oszillierende Bewegungen erscheinen nur in der Drehdimension.
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Dadurch,daß erfindungsgemäß alle Schaufeln mit der jeweils übernächsten
durch die beiden Kränze starr verbunden sind, findet ein Ausgleich der auf sie wirkenden
Kräfte statt. In erfindungsgemäßen Motoren werden die von den oszillierenden Bewegungen
ausgehenden Massenkräfte direkt in der Drehdimension aufgefangen, weil der Überdruck
in jeder aktiven Kammer gleichzeitig auf den augenblicklich beschleunigenden Schaufelkranz
in Vorwärtsrichtung und auf den augenblicklich verzögernden Schaufel kranz in Rückwärtsrichtung
wirkt und zu praktisch jeder Zeit mindestens eine Kammer aktiv ist.
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Durch das Entfallen von Ventilen und die starre Verbindung innerhalb
der Schaufelkränze ergibt sich eine relativ einfach aufgebaute Maschine, die als
Verbrennugsmotor mit einer sehr einfachen Zünd- bzw. Einspritzanlage auskommt.
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teschreibung, Blatt 4 Anhand von Zeichnungen soll die Arbeitsweise
erfindungsgemäßer Maschinen erklärt werden.
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In Figur 1 ist dargestellt, wie auf an und für sich bekannte Weise
die wechselnde Schwenkgeschwindigkeit der beiden Schaufelkränze mittels zweier Kurbeltriebe
erzeugt werden kann. Die Zentralwelle ia und der zugeordnete Drehkörper Ib drehen
sich mit der Winkelgeschwindigkeit w. Die in dem Drehkörper gelagerten Kurbelwellen
2a und ?b drehen sich ebenfalls, angetrieben durch die Verzahnung ihrer Zahnräder
mit dem gehäuseseitigen Zahnkrdr;i 3, jedoch schneller. Das Zahnzahlenverhältnis
V zwischen den Kurbelwellenzahnrädern und dem feststehenden Zahnkranz ist von der
Gesamtzahl n der Kammern abhängig: n V = 2 Die relative Winkelgeschwindigkeit sdrel
der Kurbeluellen gegenüber der Zentralwelle ist #rel = n . w 2 Da die absolute Winkelgeschwindigkeit
der Kurbeluellen noch urr den Betrag der Schwenkgeschwindigkeit größer ist, gilt
abs . zu (2 + 1) In einer Vierkammermaschine ist V=2 , das heißt, daß die beiden
Schaufelkränze 5a und 5b, die über die Schubelemente 4a bzw. 4t angelenkt sind,
während einer Umdrehung der Zentralwelle jeweils zweimal beschleunigt und zweimal
verzögert werden . In der gezeichneten Stellung gem. Figur 1 ist der Schaufelkranz
5a augenblicklich langsamer als die Zentralwelle, wird aber beschleunigt, während
der Schaufelkranz 5b augenblich schneller als die Zentralwelle ist1 aber verzögert
wird.
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Figur 2 zeigt die ineinandergreifenden Schaufelkränze 5a und 5 innerhalb
des aus den Hälften 6a und 6b zusammengesetzten nutformigen Laufkanals 6 in einer
Schnittebene radial längs durch die Zentraluelle. Ausformungseinzelheiten z.B. zur
Abdichtung der Kammern an Berührungsflächen, sind nicht dargestellt. Zur Verdeutlichung
des Ineinandergreifens der beiden Schaufelkränze ist
Beschreibung,
Blatt 5 daneben, in Figur 3,der herausgezogene Schaufelkranz 5b allein dargestellt.
Die in Figur 2 sichtbare Anlenkstelle des Schaufelkranzes 5a ist in Figur 3 für
den Schaufelkranz Sb nur gestrichelt gezeichnet, weil sie nicht in die gewählte
Schnittebene fällt.
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In Figur 4 ist eine Vierkammermaschine, die als passiver Motor oder
als Pumpe arbeiten kann, in Seitenansicht mit abgenommener Gehäusehälfte dargestellt,
deren Funktion anhand von Figur 5 erläutert werden soll. Dazu ist in Figur 5 ein
kreisförmig quer durch den Laufkanal gezogener Schnitt in der Zeichenebene waagerecht
abgewickelt. Die Maschine besitzt zwi Einlaßkanäle 7a und 7b in der unten gezeichneten
Gehäusehälfte und zuei Auslaßkanäle Ba und 8b in der oben gezeichneten Gehäusehälfte,
sowie einen Schaufelkranz 5a mit den Schaufeln Sal und 5a2 und einen Schaufelkranz
5b mit den Schaufeln 5bl und 5b2. In der Waagerechten ist zur Referenz eine Winkelskala
in Gehäusegraden eingezeichnet.
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r)ie Winkelbreiten der Kanalöffnungen und der Schaufeln sind nicht
frei zu wählen und hängen gOn dem angestrebten Verhältnis zwischen Größt-und Kleinstvolumen
der Kammern ab. Für die Zeichnungen wurde ein Volumenverhältnis von 91, dz zu 8,50
zugrunde gelegt, so daß sich die ';chauSelkörper zu 400 und die Einlaß- wie AuslaBöffnungen
zu etwa 380 erqeben, deren Mitten auf +24,50 bzw. -24,50, und 155,50 bzw. 204,50
gelegt wurden. Die vier untereinander dargestellten Bilder zeigen den Schaufelbewegungsablauf
während einer Winkeldrehung der Zentralwelle um 900J in Schritten von jeweils 300.
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Im obersten' ersten Bild, dem Zentraluellenstand OD entsprechend,
stehen die Schaufeln so, daß die zwischen ihnen gebildeten Kammern einerseits Größt-,
andererseits Kleinstvolumen beinhalten und die Kanalöffnungen augenblicklich abgedeckt
sino. Die Kammern 9a und 9c sind auf Kleinstvolumen zusammengezogen, während die
Kammern 9b und 9d auf Größtvolumen ausgedehnt sind. Der Schaufelkranz 5a hat maximale
Voreilung, wird aber verzögert, während der Schaufelkranz 5b maximal nacheilt, aber
beschleunigt wird. Ein geringfigiges Weiterdrehen der Maschine öffnet alle Kammern
gleichzeitig; die ausgedehnten Kammern 9b und 9d werden mit den Auslaßkanälein,
die zusammengezogenen Kammern 9a und 9c werden mit den Ein-
Beschreibung,
Blatt 6 laßkanälen verbunden. In dieser Stellung bewegen sich beide Schaufelkränze
gleich schnell, wobei der Schaufelkranz 5a langsamer wird, und-der Schaufelkranz
5b schneller wird. Durch das Beschleunigen des zweiten Schaufelkranzes werden gleichzeitig
die Kammern 9a und 9c vergröbern und die Kammern 9b und 9d verkleinert. Infolgedessen
wird der Inhalt der Kammern 9a und 9c mit Medium aus den Einlaßkanälen gefüllt,
während der Inhalt der Kammern 9b und 9d in die Auslaßkanäle wandert. Nach einer
Drehung der Zentralwelle um 300 hat sich der Schaufelkranz 5a um ca. 27° vorwärts,
der Schaufel kranz 5b um ca. 430 vorwärts bewegt. Bei einem augenblickiicnen Stand
der Zentralwelle von 600 hat sich der verzögerte Schaufelkranz 5a um ca 340 vorwärts,
der Schaufelkranz Sb um ca. /1,50 vorwärts bewegt. Bei einem augenblicklichen Stand
der Zentralwelle von 90° steht 5a um ca. 4E,5° vorwärts bewegt, während Sb um ca.
131,50 vorwärts bewegt steht. Während der Vorwärtsdrehunq der Zentraluelle um 900
sind die vorher gefüllter, Kammern 9b und 9d bis auf das Kleinstvolumen in die AuslaßkanälL
qel enrt uni die vorher qeleerten Kammern 9a und 9c mit Medium aus den Linlaßkanälen
auf Größtvolumen aufgefüllt worden. Damit ist ein Zyklus vollendet Ein weiteres
Vorwärtsdrehen der Maschine wiederholt denselben Vorgz ,Q, mit dem Unterschied,
daß die Rollen der Schaufelkränze und der Kammern vertauscht sind. Ob die Maschine
bei der dargestellten Drehrichtung als Pumpe arbeitet und Drehmoment von auüer benötigt,
oder als Motor arbeitet und Drehmoment liefert, hängt davon ab, ob auf der Auslaßseite
oder auf der Einlaßseite der gröBere Druck in dem bewegten Medium herrscht.
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Figur 6 zeigt analog zu Figur 4 eine Vierkammermaschine als Verbrennungsmotor
mit Viertaktbetrieb ähnlich Ottomotor. Entsprecheno zu Figur 5 ist in Figur 7 der
Arbeitsablauf der Vierkammer-Viertaktverbrennungsmaschine dargestellt. Die Schaufeln
5a 1 und 5a2 sind zunächst maximal vorgeeilt und werden zunehmend verzögert und
bewegen sich augenblicklich genau so schnell wie die Schaufeln 5b1 und 5b2, welche
maximal nachgeeiltsind und zunehmend beschleunigt werden. Die Kammer 9a, vom Vortakt
verbrauchtes Gas enthaltend, ist bis auf das Kleinstvolumen geleert. Die Kammer
9b ist auf das Größtvolumen ausgedehnt und zu ca. 90% mit
Beschreibung,
Blatt 7 Frischgas gefüllt. Die Kammer 9c ist im gleichen Mischungsverhältnis wie
9b mit Frischgas gefüllt, aber auf ihr Kleinstvolumen zusammengedrückt. Die Kammer
9d ist auf Größtvolumen ausgedehnt und mit verbrauchtem Gas gefüllt. In dieser Maschinenstellung,
bei Zen-traluellenstellung OD, erfolgt eine Zündung in der Kammer 9c.
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fler entstehende Überdruck, wie auch schon der Kompressionsdruck,
unterstiltzt durch Rückdrücken der Schaufel Sa? die Verlangsamung des Schaufelkranzes
5a und gleichzeitig durch Vordrücken der Schaufel 8b? die Beschleunigung des Schaufel
kranzes 5b. Nach nur geringFüqigr Weiterdrehung werden die Kammern 9a und 9d wieder
geöffnet. Im weiteren Verlauf der Drehung dehnt sich die aktive Kammer 9c immer
weiter aus, während die Kammer 9d in den Auslaßkanal B entleert, die Kammer 9a mit
Frischgas aus dem Einlaßkanal 7 aufgefüllt, und die Kammer 9b auf Kleinstvolumen
komprimiert wird.
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Bei einem augenblicklichen Zentralwellenstand von 9û° ist der Arbeitstakt
in der Kammer 9c abgeschlossen und alle Kammern für kurze Zeit wieder verschlossen.
In dieser Maschinenstellung, bei Zentraluellenstellung 900, erfolgt über dieselbe
Zündvorrichtung 1.9 wie 90° vorher eine neue Zündung, nun aber in der Kammer 9b.
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Beim weitern Vorwärtsdrehen der Maschine über die 900 hinaus wiederholt
auch die Verbrennungsmaschine den gleichen Vorgang wie von 3° bis 900, mit dem Unterschied,
daß die Rollen der Scnaufeikränze vertauscht sind und die vier verschiedenen Aufgaben
von der jeweils nachfolgenden Kammer übernommen worden sind.
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Wenn die Verbrennungsmaschine ähnlich dem Diesel-Viertaktverfahren
betrieben werden soll, wird anstelle der Zündeinrichtung 10 an gleicher Stelle eine
Kraftstoff-Einspritzdüse angeordnet und die Schaufelkränze mit etwas breiteren Schaufeln
von z.B. 450 ausgerüstet.
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Figur 8 zeigt das Aufbauschema einer Achtkammermaschine als Verbrennungsmotor.
Wie bei Maschine gem. Figur 4 sind bei der Achtkammerverbrenrungsmaschine je zwi
Finlaß- und Auslaßkanäle vorbanden. Außerdem sind zwei Zündvorrichtungen bzw. Einspritzdüsen
Beschreibung,
Blatt 8 1Oa und 1Ob angeordnet. Die Arbeitszyklen laufen grundsätzlich genau so
ab wie in der Vierkammermaschine, mit folgenden Unterschieden: Der Drehwinkel für
einen abgeschlossenen Arbeitszyklus beträgt nur S, gemessen an der Zentralwelle.
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Innertialb eines Arbeitszyklus erfolgten zwei asynchron ablaufende
Arbeitstakte, und die entstehenden Kräfte können bei entsprechE¢,-der Llbertragungsweise
auf die Zentralwelle direkt ein Drehmonic::i: bilden. Da die Zünd- bzw. Einspritzvnrgänge
zwar an zwei verschiedenen Stellen, aber genau gleichzeitig erfolgen, ist einL einfache
Zünd- jzw. Einsrit7anlage ausreichend. Der Leistungse zuwa@@s hei üervielfachung
der Kammeranzahl entspricht der damit verbundenen Volumenerhöhung.
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Analog dem Schritt von der Vierkammermaschine zur Achtkammermaschine
konnen auch Maschinen mit noch größeren Kammeranzahlen konstruiert werden, wobei
die Kammerzahl durch die Zahl 4 teilbar sein muß, die Zahl der Arheitszyklen pro
Zentralwellenumdrehunq proportional zur Kammerzahl steigt, der für einen Arbeitszyklus
nötige Drehwinkel im umgekehrten Verhältnis abnimmt, aber immer wieder in allen
augenblicklich aktiven Kammern Zündung bzw. Einspritzunq zum genau gleichen Zeitpunkt
erfolgt.
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Durch Anwendung der Erfindung lassen sich folgende Vorteile erreichen:
Die Wirkungseigenschaften herkömmlicher Kolbenmaschinen mit gesteuerten Ventilen
werden ohne die Anordnung von Ventilen realisiert, dies gilt insbesondere für die
Arbeitskennlinien.
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In allen Anwendungen erfindungsgemäßer Maschinen kann durch Vertauschung
von Einlaß- und Auslaßkanälen eine Umkehr der Arbeitsbz. der Drehrichtung bewirkt
werden.
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Weil zwangsläufig die aufeinanderfolgenden Kammern an denselben Einlaßkanälen
in stetiger Folge gefüllt und an denselben Auslai,-kanälen in stetiger Folge entleert
werden, entsteht ein zwar pulsierender, aber ununterbrochener und dadurch konstanter
Gas-bzw. Flüssigkeitsstrom.
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Beschreibung, Blatt c Die energieabgebenden bzw. geförderten Medien
durchlaufen die Maschine auf einer gekrümmten,aber stetigen Bahn ohne Bewegungsumkehr.
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Linearbewegungen, bekannt von Kolbenmaschinen, werden gänzlich vermieden,
Massenoszillationen treten nur in der Drehdimension auf.
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In Motoren erfindungsgemäßer Bauart werden innere Verlustkräfte, wie
Massenkräfte und Kräfte für den Ablauf nichtaktiver Kammertakte durch Kraftwirkungen
der augenblicklich aktiven Kammern direkt aufgebracht.
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In vielkammerigen Ausführungen erfindungsgemäßer Motoren sind stets
entsprechend viele Kammern gleichzeitig aktiv, deren Überschwßkräfte gleichzeitig
und räumlich drehsymmetrisch zur Zentralwelle auftreten, sodaß sie sich ohne Umlenkung
über die Zentralwelle zu einem Drehmoment vereinigen lassen.
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Erfindungsqemäße Verbrennungsmotoren benötigen nur eine gegenüber
mehrzylinderigen Kolbenmotoren extrem vereinfachte Zünd-bzw. Einspritzanlage, dies
gilt insbesondere für erfindungsgemä-Be Motoren mit mehr als vier Kammern.
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Beschreibung einer neuartigen Maschine t Kraft- und Arbeitsmaschine,
mit beweglichen Druckkammern, ohne Ventile, ausführbar als: 1 ) Viertakt-Verbrennunqsmotor
ähnlich Otto- oder Dieselmotor, 2) passiver Zweitaktmotor mit Antrieb durch strömende
Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase, 3) Pumpe bzw. Kompressor zur Förderung von Flüssigkeiten
oder Gasen, wobei einunddieselbe Maschine durch Zurückfließen des geförderten Mediums
unmittelbar zu einem Motor verwandeln wird.
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Eiqenschaften: 1) Arbeitskennlinien Grundsätzlich gleich denen von
Kolbenmaschinen mit Ventilen 2) Allgemeine Vorteile: a) Umkehr der Arbeits- bzw.
Drehrichtng durch einfache Vertauschung von ZufluB- und Abflu3anschlüssel.
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b) Praktisch ununterbrochener, konstanter Gas- bzw. Flüssigkeitsdurchfluß
bei konstanter Dreh3eschuindigkeit.
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c) Energieabgebende bzw. geförderte Medien durchlaufen die Maschine
auf einer gekrümmten, aber stetigen Bahn ohne Bewegungsumkehr 3) Zusätzliche Vorteile
in der Ausführung als Motor: e) Innere Kräfte, wie Massenkräfte und Kräfte für den
Ablauf nicht aktiver Kammertakte, werden durch Kraftwirkungen der aktiven Kammer(n)
direkt kompensiert.
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b) In vielkammerigen Ausführungen eines Motors dieser Bauart sind
zwei oder mehr Kammern gleichzeitig aktiv, deren Arbeitstakte gleichzeitig und räumlich
drehsymmetrisch zur Zentraluelle erfolgen, so daß die entstehenden Kräfte sich ohne
Umlenkung über die Zentralwelle zu einem Drehmoment vereinigen.
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