DE4300613A1

DE4300613A1 - Torus-Kolben-Viertakt-Motor

Info

Publication number: DE4300613A1
Application number: DE19934300613
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Taeuber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-13
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1994-07-14

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1, bei dem sich ein Toruskolben in einem Drehkolben mit einer rechteckigen Querschnittsfläche be findet, das Ganze eingebaut in einem angepaßten drehförmigen Motorgehäuse; beide - Torus- und Drehkolben - befinden sich in gleichsinniger Drehbewegung. Die vom Motorgehäuse getrennte Brennkammer, in der sich ein Kompressionskolben bewegt, ist an das Motorgehäuse angeflanscht (kann aber auch aus einem Guß; d. h. zusammen mit dem Motorgehäuse gefertigt werden). Das Vier taktverfahren dieses Motors wird durch eine geeignete Steuerung des Kompressionskolbens in der Brennkammer erreicht.

Es wird angestrebt, einen optimalen Wirkungsgrad des Motors dadurch zu erreichen, daß der Kraftarm (Toruskolben-Antriebs welle) um vieles länger als bei Hubkolben-und Wankel-Motoren gebaut werden kann, wodurch mit weniger Hubkraft ein größeres Drehmoment erreicht wird. Es kommt weder zu einem Stillstand noch zu einer Umkehrung in der Drehbewegung des Toruskolbens.

Weitere erzielbare Vorteile:

1. Für diesen Motor eignen sich fast alle bekannten Brennstoffe. Als ideales Verbrennungsmedium kann ein Wasserstoff-Luft(Oxy gen)-Gemisch genommen werden. Da bei dieser Verbrennung haupt sächlich Wasserdampf entsteht und Stickoxyde sich nur in sehr geringem Maße bilden, kann dieser Motor als äußerst umwelt freundlich eingestuft werden.
2. Da es sich um eine Drehbewegung ohne Änderung der Drehrich tung des Toruskolbens handelt, wird die Expansionsenergie des entzündeten Gases zum größten Teil in kinetische Energie umgewandelt (ohne die Nachteile der Hubkolbenmaschinen in sich zu tragen).
3. Diese grundlegend neue "Drehkolbenmaschine" kann entweder so gebaut werden, daß um die rotierende Antriebsachse sich immer gleichförmig bewegende Teile befinden, oder es können in ei ner perfekt symmetrischen Anordnung mehrerer Brennkammern Torus- und Drehkolben gebaut werden, die in sich auswuchtbar sind. Daher haben die Lager der Antriebswelle keine Flieh kraftbelastung.
4. Durch die Torus-und Drehflächen- bzw. Drehkörperteile, aus denen der Motor größtenteils zusammengebaut wird, ergibt sich eine einfache Fertigung.
5. Die Abdichtprobleme, die sich für den Bau solcher Motoren ergeben, sind lösbar. Der Toruskolben und der Kompressions kolben werden mit Kolbenringen abgedichtet. Der Drehkolben wird, nach dem bekannten Wankelschen Dichtleistensystem der Rotationskolbenmotoren mit Dichtleisten abgedichtet.

Torus-Kolben-Motore mit Viertaktverfahren sind bisher unbekannt. Bekannt ist der Torus-Kolben-Motor mit Dreitaktverfahren (Patentschrift DE 39 22 574 C1). Bekannt sind weiter Motoren, bei denen sich Hubkolben in zylindrischen Räumen bewegen und stets die Bewegungsrichtung ändern. Darüber hinaus sind Rota tionskolbenmaschinen (Wankelprinzip) mit exzentrischem Bewe gungsablauf des Kolbens oder einzelner Teile bekannt. Da kein axialer Ablauf der Kolbenbewegung stattfindet, tritt neben anderen Nachteilen auch ein Leistungsverlust auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technische Lösung zu finden, die ein Viertaktverfahren ermöglicht und durch die an Stelle des Hubkolbens ein Drehkolben und ein Toruskolben ver wendet werden. Beide drehen sich auf je einer Kreisbahn, der To ruskolben im Drehkolben, dieser in einem angepaßten Motorgehäuse.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Lösung beinhaltet die Berücksichtigung folgender Grundsätze:

1. Grundsatz

In einem angepaßten drehförmigen Motorgehäuse rotiert ein (oder mehrere) auf einer drehbaren Antriebswelle befindlicher Drehkol ben mit einer rechteckigen Querschnittsfläche. Dieser Kolben wird durch einen Teil der Expansionsenergie der Gasmoleküle des in der Brennkammer entzündeten Kraftstoffmediums in seiner Drehbewegung bis zum Stillstand abgebremst. Eine weitere Bewegung, entgegen der Drehrichtung, wird durch eine angepaßte Steuerung (z. B. Rollen kupplung) verhindert. Fällt der Druck im Brennraum, so wird der Drehkolben über das inzwischen aufgebaute Luftpolster wieder be schleunigt, bis seine Winkelgeschwindigkeit der des Toruskolbens gleich ist.

2. Grundsatz

Der Toruskolben samt dem Schwungrad werden durch den restlichen, größeren Teil der Bewegungsenergie der entzündeten Gasmole küle beschleunigt.

3. Grundsatz

Das Kraftstoffmedium wird in einem gesonderten Brennraum, in dem sich ein Kompressionskolben befindet, zubereitet und dort ent weder durch den Funken einer Zündkerze entzündet oder aber es entzündet sich selbst. Die verbrannten Gase gelangen dann über Auslaßkanäle ins Freie.

Die wesentlichen Elemente der Erfindung sind in den Zeichnungen der Fig. 1-2 dargestellt und näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Schnitt quer zum Toruskolben und zum Drehkolben mit folgenden Teilen:

1 Dichtleiste
2 Klinke
3 Rollenlager
4 Kugellager
5 Feder
6 Toruskolben
8 Laufbuchse
10 Gehäuse
11 Drehkolben
12 Deckel
14, 16 Distanzscheiben
15 Antriebswelle

Fig. 2 den schematischen Schnitt quer zur Antriebswelle mit fol genden Teilen:

17 Kompressionskolben
18 Zündkerze
19 Dichtleiste
20 Kolbenring
21 Laufbuchse
A Auslaß
B Druckventil
C Einlaß
D Auswuchtnut
E Brennkammer
F Luftpolster

Auf Details, wie genaue Anordnung der Ölverteilungskanäle, Steuer geräte für den Kompressionskolben etc., wurde bewußt verzichtet, um das Gesamtbild nicht zu verkomplizieren.

Zum Drehkolben (11) und Motorgehäuse (10)

Der Drehkolben und demzufolge das Motorgehäuse können verschie dene Drehkörperformen haben. Die funktional hier beschriebene Lösung ist, insbesondere hinsichtlich der Abdichtung, ein Kolben mit rechteckiger Querschnittsfläche und mit einem angepaßten drehförmigen Motorgehäuse. Der Drehkolben ist gegenüber dem Mo torgehäuse (ähnlich wie bei Wankelmotoren) mit Dichtleisten ab gedichtet. Der Drehkolben ist über Speichen auf der Antriebswel le (15) gelagert und mit einer Rollenkupplung mit dem Motorge häuse verbunden.

Zum Toruskolben (6)

Der Toruskolben (6) bewegt sich innerhalb des Drehkolbens (11) in einem torusförmigen Raum. Er wird mit Kolbenringen abgedich tet. Er ist über Speichen fest mit der Antriebswelle (15) und über diese mit dem Schwungrad verbunden.

Zur Brennkammer (E)

Der obere Teil der Brennkammer hat eine zylindrische Form. Im Zylinder bewegt sich, gesteuert über eine entsprechende Steue rung, der Kompressionskolben. Die obere Brennkammer kann - an geflanscht an das Motorgehäuse oder aus einem Guß - mit dem Motorgehäuse hergestellt werden. An diesem Teil der Brennkammer ist auch der Gasgemischeinlaß (C) eingebaut. Bewegt sich der Kolben nach oben, so wird der Gaseinlaß frei und es strömt das Gasgemisch in den Brennraum. Wird der Kolben in Richtung unte rer Totpunkt bewegt, so schließt der Kolben den Einlaßkanal und das Gemisch wird komprimiert.

Der untere Teil der Brennkammer besteht aus einem Ausschnitt des Drehkolbens und einem Torusteil des Drehzylinders, in dem sich der Toruskolben bewegt.

Die Taktfolge in der Bewegung der Kolben 1. Takt

Der 1. Takt beginnt dann, wenn die erste Dichtleiste (19) des Drehkolbens den Zylinder des Kompressionskolbens erreicht hat. Davor befindet sich der Kompressionskolben am unteren Ende des Zylinders in Ruhe, genannt unterer Totpunkt. Nun bewegt sich der Kompressionskolben nach oben, bis der Gaseinlaß frei wird. Dann strömt das Gasgemisch in den Brennraum.

2. Takt

Hat die erste Dichtleiste des Drehkolbens den Zylinder des Kom pressionskolbens passiert, so wird dieser in Richtung unterer Tot punkt bewegt. Dadurch wird das Brennstoffgemisch komprimiert.

3. Takt

Nehmen alle drei Kolben die Stellung aus Fig. 2 ein, so wird das Brennstoffgemisch über einen Funken der Zündkerze (18) ent zündet oder es entzündet sich selbst. Dabei wird ein kleiner Teil der Bewegungsenergie der Gasmoleküle auf den Drehkolben übertragen. Dadurch wird dieser bis zum Stillstand verzögert. Eine Bewegung entgegen der Drehrichtung wird durch eine Rollen kupplung verhindert. Der Stillstand des Drehkolbens bewirkt, daß der größte Teil der Bewegungsenergie der Gasmoleküle auf den To ruskolben und zugleich über die Antriebswelle auf das Schwungrad übertragen wird, wodurch diese beiden beschleunigt werden. Gleichzeitig verkleinert sich das Volumen des Luftpolsters (E). Somit wird dort ein Überdruck erzeugt.

4. Takt

Hat das Ende des Toruskolbens den Auslaßkanal (A) passiert, so kann der größte Teil des verbrannten Gasgemischs über den Aus laßkanal ins Freie gelangen, und der Druck in der Brennkammer fällt. Da der Massenunterschied zwischen Toruskolben und Schwung rad einerseits und Drehkolben andererseits sehr groß ist, bewirkt der Überdruck des Luftpolsters einen Rückwurf des Drehkolbens in Drehrichtung. Das Druckventil (B) bewirkt eine relative Ruhe stellung des Drehkolbens bezüglich des Toruskolbens. Dies hat zur Folge, daß eine Lage der Kolben zueinander wie in Fig. 2 eintritt, d. h. der Winkel des Luftpolsters beträgt wieder ca. 35°.

Nun setzt wiederum das nächste Arbeitsspiel mit dem 1. Takt ein.

Claims

1. Torus-Kolben-Viertakt-Motor als Verbrennungsmaschine für den Antrieb von Fahrzeugen aller Art oder von sonstigen Geräten, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Toruskolben in einem Drehkolben mit einer rechteckigen Querschnittsfläche befin det, das Ganze eingebaut in einem angepaßten drehförmigen Mo torgehäuse; beide - Torus- und Drehkolben - befinden sich in gleichsinniger Drehbewegung.

2. Torus-Kolben-Viertakt-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung des Kraftstoffme diums in einer gesonderten Brennkammer geschieht und sowohl der Selbst- als auch der Fremdzündung unterliegen kann; dabei ist vor allem an ein Wasserstoff-Luft- bzw. Oxygen-Gemisch gedacht; auch andere Brennstoffe sind dafür geeignet.

3. Torus-Kolben-Viertakt-Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch im oberen Teil der Brennkammer zubereitet wird, während sich im unteren Teil der Brennkammer eine relativ kühle Luftschicht befindet. Sie schirmt beim Zünden des Gasgemischs die Flammenfront von den Dichtleisten im Motorgehäuse ab. Dadurch wird die Abdichtauf gabe ganz wesentlich erleichtert.

4. Torus-Kolben-Viertakt-Motor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsraum durch den Kompressionskolben und den Drehkolben bzw. Toruskolben abge schlossen wird, um beim Zünden des Gasgemischs den größten Teil der Expansionsenergie in Bewegungsenergie auf den Torus kolben und auf das Schwungrad zu übertragen.

5. Torus-Kolben-Viertakt-Motor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsweise des Motors einem Vier-Takt-Prinzip folgt.

6. Torus-Kolben-Viertakt-Motor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsmedium sowohl nach dem Saug- als auch nach dem Einspritzprinzip in den Ver brennungsraum gelangen kann.