DE3224482C2 - Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit zylindrischer Arbeitskammer oder -kammern, die als Motor und/oder als Pumpe für Gase und Flüssigkeiten und/oder als Kompressor für Gase verwendet werden kann.

Bekannte Kolbenmaschinen werden in der Praxis meistens dadurch realisiert, daß ein sich in einer zylindrischen Bohrung hin- und herbewegender Kolben das Volumen der Arbeitskammer verän­ dert. Diese Hubbewegung des Kolbens wird mittels eines Kurbel­ getriebes auf die für die meisten technischen Anwendungen üb­ liche Drebewegung übersetzt. Die Öffnung und Schließung der Arbeitskammer für das Ein- bzw. Ausströmen des Arbeitsmediums wird gewöhnlich durch die Bewegung zusätzlicher Teile (Ventile, Schieber) erreicht, die meistens mittels eines zusätzlichen Mechanismus angetrieben werden.

Der Vorteil dieser Konstruktionen liegt darin, daß die zylin­ drische Arbeitskammer sich besonders leicht und wirkungsvoll abdichten läßt, sowie im der Tatsache, daß solche Maschinen durch jahrzehntelangen Einsatz und ständige Verbesserungen einen hohen Grad der Reife erreicht haben.

Ihre wichtigsten Nachteile sind:

• 1. Der Mechanismus für die Ventilsteuerung verhindert durch seine Trägheit die rasche Be- bzw. Entladung der Maschine und ist äußerst kompliziert, teuer und empfindlich.
• 2. Das Zeitgesetz für die Volumenänderung der Arbeitskammer ist nicht das optimale, weder für die Verringerung der Be­ schleunigungskräfte, noch für die Erhöhung des Wirkungs­ grades; es kann aber nicht verändert werden, da es durch die Kurbelkinematik bedingt ist.
• 3. Bei der Umsetzung der Hubbewegung auf Rotationsbewegung durch das Kurbelgetriebe übt der Kolben starke Querkräfte auf den Zylinder aus, die durch Reibung große Arbeitsver­ luste und hohen Verschleiß verursachen.
• 4. Die Länge des Hubes, also die Volumenänderung der Arbeits­ kammer und somit die Leistung der Maschine ist bei konstan­ ter Drehzahl vorbestimmt, so daß für die meisten Anwendun­ gen ein zusätzliches Umsetzungsgetriebe benötigt wird.

Zahlreiche Bemühungen, diesen Nachteilen aus den Wege zu gehen, wurden und werden ständig unternommen, stoßen aber meistens auf andere Schwierigkeiten, wie Konstruktions-, Dichtungs- und Ver­ schleißprobleme oder führen zu einem niedrigen Wirkungsgrad.

So ist aus der DE-PS-4 72 564 eine Brennkraftmaschine mit hin- und hergehenden und sich drehenden Kolben bekannt, bei der die Zylinderwand nicht rotiert. Hierdurch entfällt die Möglichkeit zur Gaswechselsteuerung.

Die DE-PS-8 22 176 betrifft eine Brennkraftmaschine mit um die Längsachse rotierendem Zylinder mit einer Gaswechselsteue­ rung über Öffnungen des sich drehenden Zylinders.

Diese Maschine hat jedoch eine Reihe von Nachteilen:
Obwohl der Gaswechsel in den Arbeitskammern durch die Dreh­ bewegung des Zylinder gesteuert werden kann, ist es nicht mög­ lich, die Verbindungsöffnungen auch an der Decke des Zylinders anzubringen. Ferner sind die Arbeitskammern ringförmig, wobei sowohl deren Decke als auch deren Boden axial bewegt werden. Dies ist mit einer Reihe wesentlicher Nachteile verbunden, z. B. einer extrem ungünstigen Brennkammerkonfiguration, der Notwen­ digkeit doppelter Abdichtung sowohl gegen die Innenfläche des Zylinders als auch gegen die Außenfläche der Welle und damit verdoppelten Reibungsverlusten und Kühlungsproblemen für die Welle, die mit dem explodierenden Gasgemisch direkt in Kontakt steht. Schließlich entfällt die Möglichkeit der Steuerung bzw. Zündung und Einspritzung über Öffnungen an der Zylinderdecke.

Die US-PS-17 77 007 betrifft nach einer Ausführungsform eine Brennkraftmaschine mit rotierendem Zylinder und einer Gaswech­ selsteuerung durch Öffnungen am Kolben. Es rotieren zwar die Zylinderwand und die Zylinderdecke; diese Bewegung wird aber nicht zur Gaswechselsteuerung benutzt.

Die US-PS-10 91 854 betrifft einen Gasmotor, bei dem Zylinder­ wand und Zylinderdecke rotieren. Die Gaswechselsteuerung erfolgt durch eine Öffnung an der Zylinderdecke. Der Kolben rotiert je­ doch nicht, sondern nur eine auf den Kolben aufgestülpte Hülse. Dies setzt eine sehr komplizierte Lagerung mit den entsprechen­ den Reibungsverlusten voraus. Die Lager müssen ferner sehr kräf­ tig dimensioniert sein, damit sie die bei der Explosion auftre­ tenden Gasdruckkräfte aufnehmen können. Infolge der groß dimen­ sionierten Lager treten bei der Hubbewegung des Kolbens sehr hohe Beschleunigungskräfte auf, so daß insgesamt die Drehzahl­ grenze der Maschine sehr niedrig bleiben muß. Der Reibungswider­ stand an den Lagern sowie die bei Geschwindigkeitswechsel auf­ tretenden Trägheitskräfte führen zu einer ständigen Verschie­ bung von Hülse und Zylinder zueinander.

Die Drehbewegung der Zylinderwand erfolgt mit Hilfe eines kom­ plizierten Zahnradmechanismus unter großen Reibungsverlusten.

Die US-PS-38 28 655 betrifft einen Motor mit einem Kolben, der nur eine Hubbewegung durchführt, und einen Zylinder, der sich ebenfalls nicht dreht. Es dreht sich lediglich ein Mantel, der über gewisse Steuerungselemente eine Hubbewegung des Kolbens bewirkt.

Die DE-OS-22 18 453 betrifft eine Hubrotationskolbenmaschine, bei der die Arbeitskammer dadurch entsteht, daß in einer zy­ lindrischen Bohrung des Maschinenkörpers ein zylindrischer Kolben eine Hubbewegung und gleichzeitig eine Rotationsbewe­ gung um die eigene Achse ausführt. Der Zylinder dreht sich aber hierbei nicht.

Die US-PS-38 28 655 betrifft eine Brennkraftmaschine, bei der sich ein Kolben in einem Zylinder hin- und herbewegt. Der Zy­ linder dreht sich nicht. Es dreht sich lediglich ein Mantel um den Zylinder. Die Gaswechselsteuerung erfolgt durch einen se­ paraten Drehschieber. Die Hubbewegung des Kolbens wird durch eine Kurvenführung in dem sich um den Zylinder drehenden Man­ tel gesteuert.

Die DE-OS-23 24 815 betrifft eine Hubrotationskolbenmaschine, bei der die Arbeitskammer dadurch entsteht, daß in einer zy­ lindrischen Bohrung des Maschinenkörpers ein beidseitig offe­ ner, mit einer Trennwand versehener Doppel-Hohlkolben gleichzei­ tig eine Hubbewegung und eine Drehbewegung ausführt. Diese Be­ wegung wird durch eine Kurvenführung am unbewegten äußeren Zy­ linder gesteuert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kolbenma­ schine mit zylindrischer Arbeitskammer oder -kammern, die als Motor und/oder als Pumpe für Gase und Flüssigkeiten und/oder als Kompressor für Gase verwendet werden kann, die Konstruk­ tion zu vereinfachen die bewegten Massen zu reduzieren und die Reibungsverluste herabzusetzen.

Die Erfindung betrifft somit eine Kolbenmaschine mit den vor­ stehend angegebenen Anwendungen, bei der die Zylinderwand und die Zylinderdecke sich um ihre Achse drehen, so daß eine oder mehrere Öffnungen, die auf der Zylinderwand und/oder auf der Zylinderdecke vorgesehen sind, während der Drehung mit dem geschlossenen stationären äußeren Teil und mit Ein- und Aus­ trittskanälen periodisch in Berührung kommen; diese Maschine ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben außer der Hubbewe­ gung eine Drehung um seine Achse durchführt und dabei den Zy­ linder dreht.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kolbenma­ schine sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Viertaktmotors, in welchem die Merkmale der Erfindung verwirklicht sind. Die obere Reihe zeigt schematisch Schnitte quer zu der Zylinderachse in verschiedenen Phasen. Die untere Reihe zeigt ebenfalls schematisch in Schnit­ ten längs der Zylinderachse die entsprechende Stellung und Be­ wegungsrichtung des Kolbens. In der Stellung (a) liegt die an der Zylinderwand angebrachte Öffnung gegenüber dem Ansaugkanal. Da die Kolbenbewegung eine Vergrößerung der Arbeitskammer verur­ sacht, strömt das Gasgemisch ein. In der Stellung (b) steht vor der Verbindungsöffnung die geschlossene Wand des unbewegten Ma­ schinenteils, die Arbeitskammer ist abgeschlossen und die Kol­ benbewegung führt zur Verdichtung. In der Stellung (c) hat der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, die Öffnung steht vor der Zündvorrichtung und die Zündung erfolgt. In der Stellung (d) ist die Arbeitskammer geschlossen, wobei die Expansion statt­ findet. In der Stellung (e) strömen die Abgase aus.

Der Kolben behält die herkömmliche zylindrische Form, so daß er durch Kolbenringe abgedichtet wird. Er führt eine kombinierte Hub-Drehbewegung um die eigene Achse aus, wobei diese Drehung die gleiche oder eine unterschiedliche Winkelgeschwindigkeit wie die Zylinderwand aufweist.

Die Abdichtung der Zylinderöffnungen gegenüber dem unbewegten Teil der Maschine erfolgt durch einen oder mehrere homozentri­ sche Ringe, die je nach der Form der Verbindungsöffnung kreis­ förmig, oval oder polygon geformt sind und an der Zylinderwand bzw. -decke eingelassen sind. Federn, die unterhalb dieser Dich­ tungsringe angebracht sind, drücken diese ständig auf den un­ bewegten Teil der Maschine.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß der Ventilmechanismus entfällt, ohne daß man auf die für die gute Abdichtung so vorteilhafte Form des zy­ lindrischen Kolbens oder das Viertaktprinzip verzichten muß. Dies hat zunächst zur Folge, daß die Konstruktions- und Repa­ raturkosten erniedrigt werden und das Gewicht und der Bauraum der Maschine vermindert werden; weiterhin wird eine Verbesse­ rung der Strömungsbedingungen für das Arbeitsfluid erzielt. Erstens kann die Öffnung und die Schließung der Arbeitskammer viel rascher erfolgen, da hierfür keine zusätzlichen Massen in Bewegung gesetzt werden müssen, und zweitens steht für die ganze Phase der Ein- bzw- Ausströmung der volle Querschnitt der Verbindungsöffnung zur Verfügung, so daß die Reibungsver­ luste minimalisiert werden. Weitere Vorteile hängen mit der jeweiligen Anwendung der Maschine zusammen. Z. B. bestehen für einen Verbrennungsmotor, der eine der wichtigsten Anwendungen der Erfindung darstellt, folgende weitere Vorteile:

• 1. Das Fehlen der heißen Stelle des Auslaßventils erlaubt bei Benzinmotoren eine höhere Verdichtung ohne Selbstzündungs­ gefahr.
• 2. Die Klopffestigkeit wird weiter dadurch erhöht daß sich die Gase im der Arbeitskammer durch die Drehbewegung des Zy­ linders in einem hohen Grad der Turbulenz befinden.
• 3. Da die Zündung nur während des Vorbeibewegens der Verbin­ dungsöffnung vor der Zündvorrichtung möglich ist, ist die Er­ zeugung eines periodischen Funkens nicht erforderlich, so daß der entsprechende Mechanismus entfällt. Die Zündvorrichtung kann einfach eine heiße Stelle sein, deren Wirkung gegebenen­ falls durch die Anwesenheit eines Katalysators unterstützt wird.
• 4. Da die Zündung aus den Inneren der Verbindungsöffnung startet und da sich darin wegen der Fliehkraft die schwereren Moleküle gesammelt haben, verläuft die Flamme aus "fetteren" zu "ärmeren" Bereichen des Gasgemisches, was einen ruhigeren Lauf und eine vollständigere Verbrennung zur Folge hat.

Weitere, durch die Erfindung erzielte Vorteile hängen mit der jeweiligen Ausführungsform zusammen sowie hauptsächlich mit der Art, wie die Hubbewegung des Kolbens zustande kommt. Wird dies durch ein herkömmliches Kurbelgetriebe erreicht, so braucht dieser Fall nicht besonders erläutert zu werden. Will man aber die vorstehend unter Punkt 2. und 3. genannten Nachteile, die dieses Getriebe neben seinem großen Gewicht und Raumbedarf auf­ weist, vermeiden, oder eine veränderliche Leistung (vgl. Punkt 4) erzielen, so greift man auf Ausführungsformen zurück, wel­ che ihre Vorzüge voll zur Geltung bringen. Zwei derartige Ausführungsformen sind nachstehend erläutert.

Fig. 2a und 2b zeigen im Längsschnitt eine Verbrennungsmaschine mit vier Arbeitskammern 4, 5, 6 und 7 und einem gemeinsamen Zy­ linder 1, der zugleich als Rotor die Welle der Maschine bildet. Die Doppelkolben 2 und 3 begrenzen die vier Arbeitskammern. Zur Erzeugung der Hubbewegung der Kolben dienen die Kurvenführungen 8 und 9, die als Nuten an dem unbewegten Teil der Maschine ein­ gelassen sind. In diesen Nuten gleiten die Enden der Stifte 10 und 11, die auf den Kolben befestigt sind. Diese Stifte durch­ dringen die Zylinderwand durch die Schlitze 12 und 13. Wird der Zylinder 1 in Drehung versetzt, so zwingen diese Schlitze die Stifte 10 und 11 und damit auch die Kolben 2 und 3 zu einer Drehbewegung. Während dieser Bewegung werden die Stifte 10 und 11 aber auch in den Nuten 8 und 9 geführt, weshalb sie und da­ mit auch die Kolben 2 und 3 eine axiale Bewegungskomponente er­ halten. Axial- oder kombinierte radial-axial-Lager, die an bei­ den Enden des Zylinders oder Rotors 1 angebracht sind, überneh­ men die starken Axialkräfte, die aus dem in den Arbeitskammern entstehenden Druck resultieren. Die kleineren, durch das Eigen­ gewicht des Rotors hervorgerufenen Radialkräfte werden haupt­ sächlich auf die vier Laufflächen, auf denen die Öffnungen des Rotors laufen, verteilt. Dementsprechend werden diese Stellen als Gleit- bzw. Nadellager ausgebildet. Schmiermittel, die in die Räume, in denen sich die Stifte 10 und 11 bewegen, einge­ füllt werden, sorgen für die Schmierung der Maschine. Kühlmit­ tel (Wasser, Luft oder Öl), die um den Zylinder oder Rotor 1 geführt werden, sorgen für die Abfuhr der unerwünschten Wärme. Zu diesem Zweck ist auch die Trennwand in der Mitte des Rotors doppelwandig ausgeführt, damit die Kühlung der Arbeitskammern 5 und 6 gewährleistet wird. Dichtringe, die an den geeigneten Stellen angebracht sind, sorgen für die Trennung zwischen Schmier- und Kühlmitteln. Die erwähnten Lager und Dichtungen sowie die Doppelwand sind in Fig. 2 nicht eingezeichnet, um diese nicht übermäßig zu belasten.

Die Tatsache, daß der Zylinder oder Rotor 1 in dem ihn umhül­ lenden Medium rotiert, wird durch eine entsprechende Formge­ bung seiner Oberfläche dazu benutzt, um dieses Medium in Bewe­ gung zu setzen. Auf diese Weise werden keine zusätzlichen Pum­ pen oder Gebläse benötigt. Ein Teil des Zylinders oder Rotors wirkt als Ölpumpe, ein anderer als Wasserpumpe oder Gebläse.

Die Möglichkeit, die rotierende Zylinderwand als funktionelles Element der Maschine zu verwenden, kann soweit geführt werden, daß die Zylinderwand gleichzeitig als Turbine für die Abgase und als Vorverdichter benutzt wird, so daß die Maschine zu ei­ ner Übergangsform zwischen einem Kolben- und einem Turbinen­ triebwerk wird.

Die Stifte 10 und 11, die Schlitze 12 und 13 und die Nuten 8 und 9 übernehmen vollständig die Funktion des Getriebes für die Umsetzung der Hubbewegung des Kolbens 2, 3, in die Drehbe­ wegung der Achse der Maschine. Dabei üben die Stifte 10 und 11 starke Kräfte auf die Innenfläche der Schlitze 12 und 13 und der Nuten 8 und 9 aus, was zu erhöhter Reibung an diesen Stel­ len führt. Diese Stellen können als Gleitlager (wie in Fig. 2 dargestellt) oder als Rollenlager gestaltet werden. Um die La­ gerung spielfrei zu halten, werden zweckmäßig jeweils zwei Rollen (oder Rollenreihen) verwendet, von denen jede ständig in Kontakt mit einer Innenfläche der Nuten 8 und 9 oder der Schlitze 12 und 13 steht.

Sowohl die Linearführungen als auch die Kurvenführungen können statt durch Nuten durch entsprechende Leisten realisiert wer­ den. In diesem Fall laufen die Rollen nicht auf den Innenflä­ chen, sondern auf den Außenflächen, die unter Umständen leich­ ter hergestellt, gehärtet und poliert werden können.

Die Führungsflächen der Kurvenführungen sind räumlich gekrümm­ te Flächen, die durch die herkömmlichen Werkzeugmaschinen nicht leicht hergestellt werden können. Sie werden zweckmäßig dadurch hergestellt, daß die Fräsvorrichtung bzw. die Schleifscheibe, mit denen diese Fläche erzeugt wird, genau den Durchmesser hat wie die Rollen, die auf dieser Fläche laufen. Der Raum, in den der Zylinder oder Rotor der Maschine eingeführt wird, ist ei­ gentlich eine Bohrung entlang dem unbewegten Teil der Maschine.

Die Fräsvorrichtung steht senkrecht zu der Achse dieser Boh­ rung. Das zu bearbeitende Teil wird um seine Achse gedreht und zugleich in Bezug auf die Fräsvorrichtung axial bewegt. Diese axiale Bewegung wird von einer bereits hergestellten gleichen Fläche geführt, indem eine auf sie stützende Rolle das zu be­ arbeitende Teil gegen die Fräsvorrichtung drückt.

Die Fig. 2a und 2b zeigen die Maschine in zwei unterschied­ lichen Zeitpunkten ihrer Funktion. In Fig. 2b hat sich der Zy­ linder 1 um 90° gegenüber der Lage von Fig. 2a gedreht. Die Kolben 2 und 3, die sich in Fig. 2a an dem einen Ende ihres Weges befinden, haben nun das andere Ende erreicht. Die Bewe­ gung der Kolben ist absolut symmetrisch, so daß die Maschine wegen der periodisch beschleunigten Massen keine Erschütterun­ gen aufweist. Da bei einer vollen Umdrehung jeder Kolben vier­ mal seinen Weg durchläuft, handelt es sich hier gewissermaßen um einen "Vierzylinder"-Viertaktmotor. Entsprechend sind vier Öffnungen an der Zylinderwand vorgesehen, so daß jede Arbeits­ kammer sich in einem anderen Takt des Viertaktzyklus befindet.

Nach Fig. 2a ist in der Arbeitskammer 4 soeben die Ansaugphase beendet, und die Öffnung 14 entfernt sich gerade vom Ansaugka­ nal 15. Es beginnt die Verdichtung. In der Kammer 5 ist die Verdichtung gerade beendet, die Öffnung 16 steht gegenüber der Zündvorrichtung 17, der Arbeitstakt beginnt. In der Kammer 6 ist soeben der Auspufftakt beendet, und der Ansaugtakt beginnt. Die Öffnung dieser Kammer ist nicht sichtbar, da sie oberhalb der Zeichungsebene liegt. In der Kammer 7 ist die Expansion gerade beendet, und es beginnt der Austritt der Abgase, wobei die Öffnung 20 dem Austrittskanal 21 gegenübersteht.

In Fig. 2b ist in der Kammer 4 soeben die Verdichtung beendet, die Öffnung 14 steht gegenüber der Zündvorrichtung 17, der Ar­ beitstakt beginnt. In der Kammer 5 ist der Arbeitstakt beendet, die Öffnung 16 erreicht den Austrittskanal 21, der Auspufftakt beginnt. In der Kammer 6 ist das Ansaugen beendet, und die Ver­ dichtung beginnt wobei die Öffnung 22 gerade den Eintrittska­ nal 15 verläßt. In der Kammer 7 ist der Auspufftakt beendet, und die Ansaugphase beginnt; die Öffnung der Kammer 7 ist nicht mehr sichtbar, da sie sich oberhalb der Zeichnungsebene befindet.

Um die Fig. 2a und 2b verständlicher zu halten, sind die Öff­ nungen 14, 16, 20 und 22 kreisförmig gezeichnet (aus dem glei­ chen Grund sind auch die um die Öffnungen eingelassenen Dich­ tungsringe nicht gezeichnet). Kreisförmige Öffnungen sind zwar leicht herstellbar, dafür aber unter Umständen nicht so vorteil­ haft, weil sie, um dem ein- bzw. ausströmenden Gas einen genü­ gend großen Querschnitt zur Verfügung zu stellen, entsprechend groß gestaltet werden müssen. Andererseits aber dürfen die Dich­ tungsringe der Kolben im oberen Totpunkt nicht vor diesen Öffnun­ gen erscheinen, da sonst die Abdichtung nicht gewährleistet ist. Um das erwünschte Verdichtungsverhältnis zu realisieren, muß man dann den Kolbenkopf und/oder die Brennkammerdecke entsprechend gewölbt gestalten, was zu erhöhten Herstellungskosten und zu einer Vergrößerung der Konstruktionslänge der Maschine führt.

Daher sind längliche Öffnungen (mit ihrer kleineren Abmessung parallel zur Zylinderachse und ihrer größeren quer dazu) von Vorteil. Entsprechend der Länge der Öffnungen verkürzen sich dann die Ein- und Austrittskanäle auf dem unbewegten Teil der Maschine, bis sie die Form einer einfachen Bohrung annehmen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn die Dichtungs­ elemente statt auf dem sich drehenden Zylinder auf dem unbe­ wegten Teil der Maschine eingelassen und durch Federn gegen den Zyliner gedrückt werden.

Da ein Verbrennungsmotor in Wirklichkeit ein chemischer Reak­ tor mit variierendem Volumen ist, dessen Volumenänderung zur Erzeugung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird, kann die Opti­ mierung seiner Funktion (vollständigere Verbrennung, weniger schädliche Produkte, größerer Wirkungsgrad) nur durch die An­ passung des Zeitgesetzes für die Volumenänderung an die Bedürf­ nisse der chemischen Reaktionskinetik und der Thermodynamik er­ folgen. In dem herkömmlichen Kolbenmotor ist aber dieses Zeit­ gesetz von der Kurbelkinematik als harmonischer Bewegung vor­ bestimmt, und zwar (wie es sich zeigen läßt) recht ungünstig. Nicht einmal in Bezug auf die Beschleunigung des Kolbens ist das harmonische Gesetz günstig. Es läßt sich leicht zeigen, daß durch die Anwendung eines Bewegungsgesetzes als Funktion einer zweiten Potenz nach der Zeit die gleichen Kolbengeschwindig­ keiten durch wesentlich kleinere Kräfte erreicht werden.

Die Anwendung der Kurvenführung in diesem Ausführungsbeispiel erlaubt in weiten Grenzen eine Abweichung der Kinematik der Kolben von dem harmonischen Zeitgesetz (Sinusfunktion). Will man für schnellaufende Motoren die Trägheitskräfte minimali­ sieren, so erlaubt eine Kurvenführung ohne weiteres die Reali­ sierung des Zeitgesetzes zweiter Potenz, das außerdem auch zu einem wesentlich besseren Wirkungsgrad führt. Will man ande­ rerseits den Wirkungsgrad nach Möglichkeit steigern, so kann die Anwendung der Kurvenführung zu Bewegungen höherer Potenz oder vorteilhafter zu Bewegungen mit exponentieller Zeitabhän­ gigkeit führen, die an die Reaktionskinetik sowie an die Ther­ modynamik besser angepaßt sind, wodurch der Brennstoffver­ brauch minimalisiert wird.

Die Anwendung der Kurvenführung ist nicht auf das Viertakt­ prinzip beschränkt. Die Maschine kann genausogut eine Zweitakt- oder Sechstaktmaschine sein. Im allgemeinen kann durch die Ge­ staltung der Kurvenführung jede beliebige gerade oder auch un­ gerade Anzahl von Hubbewegungen des Kolbens bei jeder Umdrehung des Zylinders erreicht werden. Die dabei erzielte "Taktzahl" hängt mit der Anzahl der Öffnungen in jeder Arbeitskammer zu­ sammen. Bringt man z. B. bei der Ausführungsform von Fig. 2 in jeder Arbeitskammer eine zweite Verbindungsöffnung diametral zu der bestehenden an, so wird ohne weitere Veränderung aus der Viertaktmaschine eine Zweitaktmaschine. Ein zusätzlicher Vor­ teil der Kurvenführung besteht darin, daß durch entsprechende Gestaltung die Zeitdauer und/oder die Hublänge jeder Phase nicht identisch mit den restlichen Phasen sein muß, ja sogar Phasen eingeführt werden können, bei denen keine Volumenverän­ derung stattfindet (Isochoren), welche von besonderem Vorteil (z. B. für die Verbrennungsphase) sein können.

Die Ausführungsform nach Fig. 2a und 2b bringt eine Reihe von Vorzügen mit sich, deren wichtigste folgende sind:

• 1. Ungewöhnliche Ersparnis an Bauraum und Material. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, steht das nutzbare Arbeitsvolumen der Maschine in einem sehr günstigen Verhältnis zu dem Gesamtvolu­ men der Maschine (etwa 1 : 8).
• 2. Ungewöhnliche Vereinfachung der Konstruktion und entspre­ chende Erniedrigung der Kosten für die Herstellung, die Monta­ ge, die Instandhaltung und die Reparatur des Motors. Der ganze "Vierzylindermotor" besteht aus insgesamt vier leicht herstell­ baren Teilen, nämlich dem unbewegten Teil, dem Rotor und den zwei Kolben mit ihren Stiften.
• 3. Ungewöhnliche Erniedrigung der Reibungsverluste. Auf die Kolben wirken ausschließlich Axialkräfte ein, so daß sie prak­ tisch im Zylinder "schweben", wodurch die Reibung auf das zur Abdichtung nötige Minimum reduziert wird.
• 4. Ungewöhnliche Möglichkeiten zur Anpassung des Zeitgeset­ zes für die Volumenänderung der Arbeitskammer an die Anforde­ rungen der Reaktionskinetik und der Thermodynamik. Dadurch er­ reicht man einen besseren Wirkungsgrad und weniger schädliche Abgase.

Die Maschine von Fig. 2a und 2b weist ein hohes Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser auf, da vier Arbeitskammern hintereinan­ der angeordnet sind. Will man die Länge der Maschine reduzie­ ren, so kann man sich auf nur zwei Arbeitskammern beschränken. Dies kann nicht einfach durch Verwendung nur eines Doppelkol­ bens (also der "Hälfte" der Maschine von Fig. 2a und 2b) erreicht wer­ den, da die Beschleunigung der schwingenden Masse nicht kom­ pensiert wird, wodurch starke Erschütterungen auftreten. Es muß dafür gesorgt werden, daß zwei gleiche Massen immer eine entgegengesetzte lineare Bewegung ausführen.

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine solche "Zweizylindermaschine". Die Kolben 31 und 32 führen deswegen eine stets entgegengesetz­ te Bewegung aus, weil ihre Führungsstifte 33 und 34 um 90° ver­ setzt sind. Beide Stifte sind in der Mitte geteilt, wie es am Stift 33 klar zu erkennen ist, damit ein Vorbeifahren möglich ist. Auf der Zylinderwand sind vier Schlitze 35, 36, 37, 38 an­ gebracht, die als Linearführungen für die Stifte dienen. Beide Stifte werden allerdings von der gleichen Kurvenführung geführt, was eine einfachere und raumsparende Konstruktion erlaubt.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie eine zusätzliche Arbeitskammer aufweist, nämlich den zwi­ schen den beiden Kolben befindlichen Raum 39, der zwar als Ver­ brennungskammer ungeeignet ist, dessen periodische Volumenän­ derung aber (um jeweils das Doppelte der Volumenänderung jeder der zwei Arbeitskammern) sich für andere Zwecke (z. B. als Auf­ ladungskompressor) verwenden läßt.

Eine weitere Bauraumersparnis basiert auf folgender Überlegung: Da bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2a und 2b der Kolben keine Querkräfte auf dem Zylinder ausübt, wie es bei Kurbelgetrieben der Fall ist, kann seine Höhe auf ein Mindestmaß reduziert werden, das zur Einbringung der Dichtungsringe benötigt wird. Diese Tatsache kann ausgenutzt werden, um neben jeder primären eine sekundäre Arbeitskammer auszubilden.

In Fig. 4 ist eine solche Maschine im Längsschnitt gezeichnet. Der in seiner Höhe auf eine Platte reduzierte Kolben 41 stützt sich auf den Führungsstift 42 vermittels des Schaftes 43. An der Zylinderwand ist die Trennwand 44 ausgebildet. Der Schaft 43 durchdringt die Wand 44 durch eine Bohrung. Dich­ tungsringe, die auf der Innenfläche dieser Bohrung angebracht sind, dichten den Schaft 43 während seiner Hubbewegung durch die Wand 44. Dadurch ist neben der Hauptarbeitskammer 45 eine Sekundärkammer 46 entstanden, die eine fast (bis auf den durch den Schaft selbst in Anspruch genommenen Raum) gleich große nutzbare Volumenänderung aufweist.

Ohne wesentliche Änderung des Gesamtbauraumes der Maschine ist dadurch beinahe eine Verdoppelung ihres nutzbaren Arbeitsraumes erreicht, so daß das Verhältnis zwischen Nutz- und Gesamtvolu­ men etwa 1 : 4 beträgt. Die Maschine von Fig. 4 mit ihren zwei einzigen schwingenden Teilen ist eine "Achtzylindermaschine", die für einen Nutzraum von zwei Litern einen Bauraum von etwa acht Litern in Anspruch nehmen würde.

Die Beladung der Sekundärkammern 46 wird ähnlich wie die der Hauptarbeitskammern 45 durch Öffnungen an der Zylinderwand ge­ regelt. Je nach Bedarf können die neuentstandenen Arbeitskam­ mern als neue Brennkammern verwendet werden oder Zusatzfunk­ tionen zu den Hauptarbeitskammern übernehmen (z. B. Luftvorkom­ pression, Abgasnachexpansion) oder schließlich ganz unabhängig voneinander arbeiten (z. B. als Pumpen für Brennstoff, Schmier- und Kühlmittel).

Wie aus den Fig. 2a, 2b, 3 und 4 ersichtlich ist, weisen die Ma­ schinen nach diesen Ausführungsbeispielen eine zylindrische äußere Form auf, so daß sie (ähnlich wie Elektromotoren) an sich eine "Verdickung" ihrer eigenen Welle darstellen wobei alle ihre bewegten funktionellen Teile vollkommen symmetrisch um ihre Achse angelegt sind. Daher verursachen diese Maschinen ein Minimum an Erschütterungen, so daß sie besonders für Anwen­ dungen geeignet sind, bei denen ein möglichst erschütterungs­ freier Lauf, wie z. B. bei Flugzeugmotoren, erwünscht wird.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Hubbewegung des Kolbens 51 von der Kurbel 55 über die Kardangelenke 53 und 54 herbeigeführt wird. Dabei führt der Kolben gleichzeitig auch eine Rotationsbewegung aus, die über den Stift 56 und die Rol­ len 57, die in den Schlitzen 58 gleiten, zu der Drehbewegung der Zylinderwand 59 umgesetzt wird. Dadurch kann die Öffnung 510 die Beladung der Maschine regeln, indem sie periodisch mit den entsprechenden Kanälen des unbewegten Teils zur Deckung kommt.

Mechanische Energie kann über eine oder beide Achsen 52 und 511 zu der Maschine zugeführt oder, wenn es sich um einen Motor handelt, von ihr abgeführt werden. Das besondere Merkmal der Konstruktion besteht darin, daß die Länge der Hubbewegung des Kolbens 51 und somit auch die Leistung der Maschine durch die relative Lage der Achsen 52 und 511 bestimmt wird. Beide Ach­ sen liegen auf der gleichen Ebene (die zugleich die Zeichnungs­ ebene von Fig. 5 ist), können aber unterschiedliche Winkel zu­ einander bilden. Liegen beide Achsen auf der gleichen Geraden, so verschwindet die Hubkomponente der Bewegung des Kolbens. Kolben und Zylinder rotieren ohne Änderung des Volumens der Arbeitskammer. Werden die beiden Achsen gegeneinander verscho­ ben, so erscheint zusätzlich zu der Drehung auch ein Hub des Kolbens, der um so länger wird, je mehr sich der Winkel, den die beiden Achsen bilden, vergrößert.

In Fig. 5 sind die beiden Achsen so weit zueinander verschoben ge­ zeichnet, daß die maximale Hublänge resultiert. Stellt man sich vor, daß das Lager 512 auf der Zeichnungsebene um die senkrecht zu ihr stehende Achse 513 gedreht wird so erkennt man, daß die Hublänge immer kleiner wird, je mehr sich die Kurbelachse der Drehachse des Zylinders nähert. Treffen beide Achsen aufeinander, so hört die Hubbewegung vollends auf, und der Kolben bleibt rotierend "unbewegt" etwa in der Mitte sei­ nes Weges. Wenn das Lager 512 über diese Stelle bewegt wird, erscheint erneut die Hubbewegung, allerdings mit einer Phasen­ verschiebung von 180° zu der vorherigen. Diese Veränderung wird je nach Verwendung der Maschine entweder für die Umkeh­ rung der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids (z. B. in einer Umwälzpumpe) oder zur Umkehrung der Drehrichtung der Maschi­ nenachse (z. B. in einem Preßluftmotor) ausgenutzt.

Wird die Drehung der Kurbelachse 52 nicht weitergeführt (mecha­ nische Arbeit wird nur über die Welle 511 abgeführt), so ist die Realisierung der verstellbaren Lagerung nicht besonders problematisch. Wenn aber die Drehung weitergeführt wird, dann muß eine entsprechende Ausführung dies zulassen. In Fig. 6 ist eine solche Ausführungsform dargestellt. Die Zeichnungsebene steht senkrecht zu der Ebene von Fig. 5, so daß die weiterfüh­ rende Welle 613 klar zu erkennen ist. Das Zahnradpaar 614 über­ trägt die Drehbewegung der Kurbelachse 62 auf die Welle 613. Da das Lager 612 große (senkrecht zu der Achse 62 wirkende, auch außerhalb der Zeichungsebene liegende) Kräfte aufzunehmen hat, ist eine Sicherung gegenüber einer unbeabsichtigten Schwenkung durch die Verzahnung 615 und die Schnecke 616 gegeben.Die Dre­ hung der Schnecke 616 führt das Lager 612 in eine neue Posi­ tion und verändert somit die Leistung und die Arbeitsrichtung der Maschine.

Die Übertragung der Drehbewegung von der Achse 52 auf die Wel­ le 511 über den Stift 56, die Rollen 57 und die Schlitze 58 er­ möglicht es, daß für jede Umdrehung der Zylinderwand der Kol­ ben sich einmal hin- und einmal herbewegt, so daß eine derar­ tig ausgestaltete Maschine für ein Zweitaktarbeitsprinzip ge­ eignet wäre, also für Pumpen, Kompressoren oder Hydraulik-, Dampf, Druckluft-Motoren sowie für Zweitaktverbrennungsmotoren. Diese Übertragung kann aber statt über den Stift 56 und die Schlitze 58 über die Welle 513 auch außerhalb der Maschine durch gewöhnliche Elemente (Wellen, Zahnräder, Ketten usw.) erreicht werden. In diesem Fall reicht der Stift 56 nicht über den Durchmesser des Kolbens hinaus, die Schlitze 58 sind nicht vorhanden und die Drehung der Zylinderwand kann eine andere Winkelgeschwindigkeit als die des Kolbens aufweisen. In diesem Fall kann man durch eine Übertragung im Verhältnis 1 : 2 auch das Viertaktprinzip realisieren, indem eine Umdrehung der Zy­ linderwand vier Hubbewegungen des Kolbens entspricht.

Da die Änderung der Stellung des Kurbellagers ungehindert stattfinden kann, auch wenn die Maschine voll in Betrieb ist, können Konstruktionen nach diesem Ausführungsbeispiel ihre Leistung kontinuierlich und unabhängig von der Drehzahl vari­ ieren, ja sogar ohne Unterbrechung (Auskuppeln) ihre Arbeits­ richtung umkehren. Diese Eigenschaften stellen bedeutende Vor­ teile dar für eine Reihe von Anwendungen, z. B. für Pumpen mit regelbarer Leistung oder für Land- bzw. Wasserfahrzeuge, bei denen das Schaltgetriebe entfällt.

Claims (12)

1. Kolbenmaschine mit zylindrischer Arbeitskammer oder -kammern die als Motor und/oder als Pumpe für Gase und Flüssig­ keiten und/oder als Kompressor für Gase verwendet werden kann, wobei die Zylinderwand und die Zylinderdecke sich um ihre Achse drehen, so daß eine oder mehrere Öffnungen, die auf der Zylinder­ wand und/oder auf der Zylinderdecke vorgesehen sind, während der Drehung mit dem geschlossenen stationären äußeren Teil und mit Ein- und Austrittskanälen periodisch in Berührung kommen, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben (2, 3) außer der Hubbewe­ gung eine Drehung um seine Achse durchführt und dabei den Zylinder (1) dreht.

2. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Vorrichtun­ gen für eine zusätzliche Einführung eines Fluidums und/oder durch Zündvorrichtungen.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der Hubbewegung des Kolbens (2, 3 von Fig. 2) in die Drehbewegung des Zylinders (1) durch lineare (12, 13) und gekrümmte (8, 9) Führungen erfolgt, wobei die linearen Führungen an der Zylinderwand und die gekrümmten Führungen am stationären äußeren Teil vorgesehen sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnung(en) (14, 16, 20, 22 von Fig. 2) in der Zylinderwand und/oder an der Zylinderdecke gegenüber dem statio­ nären Teil durch einen oder mehrere Ringe abgedichtet ist (sind), die um die Öffnung(en) angeordnet und durch ihre eigene Elasti­ zität oder durch zusätzliche Federn gegen den stationären Teil gedrückt sind, oder durch Ringe, die an beiden Seiten der Öff­ nung(en) vorgesehen sind und über den Umfang des Zylinders (1) reichen, wobei der Raum zwischen den Ringen durch Dichtungs­ stäbe oder -rollen, die parallel zur Zylinderachse angeordnet sind, abgedichtet ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abdichtung der Öffnung(en) (14, 16, 20, 22 von Fig. 2) in der Zylinderwand und/oder in der Zylinderdecke gegen­ über dem stationären Teil durch Ringe erfolgt, die in der Innen­ wand des stationären Teils angeordnet sind und die über dessen Umfang reichen, wobei der Raum zwischen den Ringen mit Dichtungs­ einrichtungen parallel zur Zylinderachse abgedichtet ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben mit mindestens einem Stift (10, 11 von Fig. 2) versehen ist, der mit den Oberflächen der linearen (12, 13) und der gekrümmten (8, 9) Führung in einer gleitenden Bewe­ gung oder durch zwischengeschaltete Wälzlager in Eingriff steht.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gekrümmte Führung (8, 9 von Fig. 2) so geformt ist, daß die Bewegung des Kolbens (2, 3) als Funktion einer zwei­ ten oder höheren Potenz oder als eine Exponentialfunktion nach der Zeit verläuft, und daß eine Umdrehung der Zylinderwand eine gerade oder ungerade Zahl von Kolbenhüben mit der gleichen oder einer unterschiedlichen Länge oder Dauer entspricht.

8. Maschine mach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem rotierenden Zylinder zwei Kolben (1, 2 von Fig. 2) mit gleichem Massen genau die gleiche symmetrische gegenläufige Bewegung durchführen, geführt entweder vom dersel­ ben gekrümmten Führung und den Stiften, oder von verschiedenen gekrümmten Führungen (8, 9 von Fig. 2) wobei die Kolben als Doppelkolben 1, 2 von Fig. 2) mit zwei Arbeitsflächen ausge­ bildet sind, so daß vier Kammern zwei Kolben entsprechen.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Arbeitsflächen der Kolben (41 vom Fig. 4) an Schäften (43) befestigt sind, die durch Trennwände (44) des Zy­ linders hindurchgehen, so daß in der Nähe jeder ersten Arbeits­ kammer (45) eine zweite Arbeitskammer (46) gebildet wird und acht Arbeitskammern zwei schwingenden Teilen entsprechen.

10. Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des Kolbenhubs (51 von Fig. 5) in die Drehbewegung der Achse (513) mit Hilfe einer Kurbel (55) und zwei Universal­ gelenken (53, 54) erfolgt und daß die Zylinderwand und die Zy­ linderdecke zusammen mit dem Kolben (51) rotieren, wobei sie durch lineare Rillen (58) in der Zylinderwand und durch einen Stift (56) am Kolben geführt werden.

11. Maschine nach Anspruch 10, enthaltend die Merkmale der An­ sprüche 4 oder 5.

12. Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des Lagers (512 von Fig. 5) der Kurbel (55) re­ lativ zum Zylinder (59) variabel ist wodurch die Länge des Kol­ benhubs, die Leistungsabgabe der Maschine und/oder die Arbeits­ richtung unabhängig von der Drehgeschwindigkeit veränderbar sind.