DE3918566A1 - Tangential-drehkolbensystem - Google Patents

Description

Es handelt sich um ein technisches System im Bereich des Maschinen­ baues, das als Motor (siehe Zeichnung Nr. 1) oder als Pumpe (siehe Zeichnung Nr. 2) zu verwenden ist.

Die kennzeichnenden Teile dieses Systems sind der Drehkolben und der Schieber.

Der Drehkolben hat die Form einer kreisförmigen Steuer- oder Nocken­ scheibe mit einem tangential angeordneten Nocken, der etwa ein Viertel des Scheibenumfangs ausmacht. Während die eine Seite dieses Nockens vom Umfang her gesehen allmählich ansteigt, ist die andere, dem Hubraum zugekehrte Seite senkrecht nach unten abgeflacht. Diese Abflachung ist die eigentliche Kolbenfläche. Sie erfüllt die gleiche Aufgabe wie die Kolbenfläche beim geradlinigen Zylinder- Kolbensystem. Auf sie drückt das Arbeitsmittel (z. B. Verbrennungsgase -Motor), oder sie saugt das Arbeitsmittel an (z. B. Wasser) (Pumpe). Der Schieber ist eine kleine Platte aus verschleißfestem, gehär­ tetem Stahl. Er gleitet auf dem Drehkolben und wird von ihm inner­ halb eines in die Motorgehäusewand gefrästen Schlitzes auf- und abbewegt. Damit er hierbei fest auf den Kolben gedrückt und somit eine Abdichtung zwischen ein- und austretendem Arbeitsmittel erreicht wird, steht er unter Federdruck. Die Feder ist in einer Bohrung untergebracht. Die Federkraft sorgt auch dafür, daß der Schieber rasch genug nach unten kommt und so bei einer genügend hohen Dreh­ zahl das Arbeitsmittel voll zur Anwendung kommt. Der Aufschlag des Schiebers auf den Kolben wird durch kleine Federn gedämpft, die links und rechts unter dem Schieber in den Aussparungen der Motor­ gehäusedeckel untergebracht sind. Der Hubraum, in dem sich das Arbeitsmittel befindet, wird begrenzt von Schieber, Kolbenfläche und den Gehäusedeckelwänden. Bedingt durch die beschriebene Anord­ nung und Funktion von Schieber und Drehkolben werden die folgenden Vorgänge gleichzeitig ausgeführt:

• 1. Antrieb des Drehkolbens durch das Arbeitsmittel (Motor) oder Ansaugen des Arbeitsmittels (Pumpe),
• 2. Ausstoßen des Arbeitsmittels.

Nähere Beschreibung der beiden Anwendungsfälle Motor - Pumpe a) Als Motor

Das oben beschriebene Drehkolbensystem hat einen Totpunkt ähnlich der herkömmlichen, geradlinigen Kolbensysteme. Zur Überwindung dieses Totpunktes sind für einen Drehkolbenmotor mindestens zwei um 180 Grad versetzte Drehkolben vorzusehen. Beide Kolben bilden zusammen mit dem Verteiler, den beiden Motorgehäusen und zuge­ hörigen Deckeln eine Motoreinheit (siehe Zeichnung Nr. 1 und 5). Es können mehrere Motoreinheiten zu einem Motorblock zusammen­ gefaßt werden, so daß eine bestimmte Leistung erzielt wird. Über den Verteiler wird das Arbeitsmittel (Wasserddampf, Verbrennungs­ gase) den beiden Hubräumen zu- bzw. von ihnen abgeführt. Als Steuerung hierzu dienen die Drehkolben. Sie erfüllen die Aufgabe der Ventile wie beim herkömmlichen Kolbensystem. Allerdings nicht mit Nocken und Ventilstößel, sondern mit segment- und ringförmigen in die Drehkolben gefrästen Nuten. Diese Nuten sind mit Hubraum und Verteiler durch unter einem bestimmten Winkel zur Horizontalachse angeordneten Bohrungen verbunden (siehe Zeichnung Nr. 3 und 4).

b) Als Pumpe

Verwendung als Flüssigkeitspumpen und Verdichter. Bedingt durch Auf­ bau und Wirkungsweise können wie bei den herkömmlichen Kolbenpumpen hohe Drücke erzielt werden. Bei Pumpen mit mehreren Drehkolben ist der Aufbau der gleiche wie beim Drehkolbenmotor. Bei nur einem Kol­ ben kann das jeweilige Arbeitsmittel unmittelbar über Bohrungen dem Hubraum zu- bzw. von ihm abgeführt werden.

Betriebsarten für den Einsatz des Drehkolbensystems als Motor 1. Offenes System

Das zu verwendende Arbeitsmittel wird in einer separaten Brenn­ kammer auf das geforderte Energieniveau, z. B. 350 Grad Celsius und 15 Bar Druck gebracht. Eine Hochdruckpumpe liefert den erfor­ derlichen Kraftstoff und ein Hochdruckverdichter sorgt für die notwendige Verbrennungsluft. Beide könnten durch Drehkolbensysteme verwirklicht werden. Als Kraftstoffe kämen Dieselöle, Propan/Butan- Gasgemische und z. B. auch Alkohol in Frage. Bei Verwendung von Dieselöl könnte ein Katalysator zur Schadstoffbeseitigung zwischen Brennkammer und Motor geschaltet werden. Im kalten Zustand des Systems wird die Verbennung ähnlich wie beim Dieselmotor in der Brennkammer durch eine Glühzündung eingeleitet.

2. Geschlossenes System

Verwendung z. B. bei Lokomotiven und Schiffsmotoren. Als Arbeits­ mittel wäre Wasserdampf einzusetzen. Derselbe wird auf herkömm­ liche Weise in einem Dampfkessel erzeugt, auf ein Niveau von 20 bis 40 Bar, 350 Grad geregelt und einer oder mehreren zusammen­ geschalteten Motoreinheiten zugeführt. Nach Arbeitsverrichtung und Verlassen des Drehkolbensystems gelangt der Wasserdampf in einen Kondensator. Hier erfolgt zunächst ein Wärmeaustausch mit dem rückgeführten Speisewasser und dann eine Abkühlung durch einen Ventilator. Der zu Wasser gewordene Dampf wird von der Speise­ wasserpumpe über den Kondensator dem Dampfkessel wieder zuge­ führt. Somit ist der Kreislauf des Arbeitsmittels geschlossen. Das geschlossene System hat einen besseren Wirkungsgrad als das offene.

Vorteile des T.-Drehkolbensystems gegenüber dem herkömmlichen geradlinigen Kolbensystem a) Allgemeine Vorteile

• 1. Einfacher Aufbau
• 2. Direkte Umsetzung der Wärmeenergie in Drehenergie. Dadurch Wegfall von Kurbelwelle und Pleuelstange.
• 3. Keine Massenungleichheiten. Dadurch ruhiger Lauf.
• 4. Expansion und Ausstoß des Arbeitsmittels finden in einem Arbeitsspiel statt.
• 5. Verwendung von Brennstoffen aller Art möglich.
• 6. Das Problem der Klopffestigkeit ist nicht gegeben. Schädliche Beimischungen sind deshalb nicht erforderlich.

b) Bei offener Betriebsart

• 1. Das Arbeitsmittel wird direkt aus der Brennkammer in betriebs­ fertigem Zustand (z. B. 350 Grad, 15 Bar) dem Hubraum zugeführt.
• 2. Ansaugen und Verdichten des Kraftstoffgemisches finden nicht im Hubraum statt.
• 3. Eine immer wiederkehrende Zündung mit einem komplizierten Zündsystem entfällt.
• 4. Die Verbrennung in der Brennkammer verläuft nicht explosions­ artig, sondern still und stetig. Schalldämpfer und lange Aus­ puffrohre werden deshalb nicht benötigt.

c) Bei geschlossener Betriebsart

• 1. Hoher Wirkungsgrad durch Teilrückgewinnung der Abwärme.
• 2. Sauberes Arbeitsmittel (z. B. entsalztes Wasser). Dadurch längere Lebensdauer der Motorteile, besonders des Kolbens.
• 3. Erzielung des benötigten Druckes und der Temperatur des Arbeits­ mittels auf einfache Art (Dampfkessel).
• 4. Verwendung von einfachen festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen möglich.

Technischer Bereich: Maschinenbau

Wesentliche, kennzeichnende Teile (siehe auch Zeichnung Nr. 1):

Drehkolben mit tangential angeordnetem Nocken zur Steuerung des im Motorgehäuse integrierten Schiebers. Der Schieber trennt das eintretende vom austretenden Arbeitsmittel (z. B. Wasserdampf, Verbrennungsgase, Wasser). Er gleitet unter Federdruck auf dem Drehkolben. Das Arbeitsmittel wird über Bohrungen im Verteiler und segment- bzw. ringförmig angeordneten Nuten und Bohrungen im Drehkolben dem Hubraum zu- bzw. von ihm abgeführt.

Vorteile gegenüber dem herkömmlichen, geradlinigen Kolbensystem, welches z. Z. z. B. in Kfz.-Motoren und in Kompressoren verwendet wird:

• 1. Einfacher Aufbau
• 2. Direkte Umwandlung der Wärmeenergie des Arbeitsmittels in Drehenergie. Dadurch Wegfall von Kurbelwelle und Pleuelstangen.
• 3. Ruhiger, erschütterungsfreier Lauf.
• 4. Expansion und Ausstoß des Arbeitmittels in einem Arbeitsspiel.
• 5. Verwendung von sauberen Arbeitsmitteln, z. B. Propan/Butan­ gasgemischen oder Wasserdampf Wegfall der herkömmlichen, umfangreichen Ölschmierung (Ölwechsel).
• 6. Bei Verwendung des T.-Drehkolbensystems im beschriebenen offenen System wird durch Verwendung einer separaten Brenn­ kammer eine stille, stetige Verbrennung erreicht. Dadurch Weg­ fall der herkömmlichen, aufwendigen Zünd- und Auspuffanlagen mit Schalldämpfer.
• 7. Brennstoffe aller Art sind einsetzbar.
• 8. Problem der Klopffestigkeit entfällt. Dadurch auch kein Pro­ blem mit schädlichen Beimischungen im Kraftstoff.
• 9. Bei Verwendung im beschriebenen geschlossenen System wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt.

Claims (5)

1. Tangential-Drehkolbensystem als Motor (Zeichnung Nr. 1).

2. Tangential-Drehkolbensystem als Pumpe (Zeichnung Nr. 2).

3. Brennkammer (Offenes System, Zeichnung Nr. 6).

4. Betrieb des T.-Drehkolbensystems im beschriebenen offenen System.

5. Betrieb des T.-Drehkolbensystems im beschriebenen geschlossenen System (Zeichnung Nr. 7).