DE68910525T2

DE68910525T2 - Maschine mit radialen zylindern.

Info

Publication number: DE68910525T2
Application number: DE89907634T
Authority: DE
Inventors: Alfred Mayne
Original assignee: Split Cycle Technology Ltd
Current assignee: Split Cycle Technology Ltd
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1989-06-27
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2009-06-28
Also published as: JPH04502047A; EP0422082B1; WO1990000218A1; EP0422082A4; JPH0711241B2; US5146880A; EP0422082A1; DE68910525D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung einer Linear- in eine Rotationsbewegung in Maschinen, wie z.B. ein sich hin-und herbewegender Kolben in Verbrennungsmotoren und Flüssigkeitspumpen.
Im allgemeinen wird die Umwandlung einer Linear- in eine Rotationsbewegung in Maschinen durch eine Kurbel und eine Pleuelstange ausgeführt. Trotz der vielen Nachteile dieses im Fachgebiet gut bekannten Mechanismus, wurde für viele Anwendungen bisher keine bessere Lösung gefunden.

Kurzbeschreibung des Standes der Technik

Beispiele von Maschinen, die eine Alternative zur Kurbel und Pleuelstangen-Anordnung bilden, sind in den australischen Patenten AU-B-65 873/74, AU-B-64 760/74, in den US-Patenten 2 032 495 und 3 572 209, in der europäischen Patentanmeldung 64726, in der UK-Patentanmeldung 476 247 und den PCT-Patentbeschreibungen WO 86/06134 und WO 86/06787 angeführt.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen praktischen Mechanismus für die Umwandlung einer hin-und hergehenden Bewegung in eine Rotationsbewegung in einer Maschine aufzuzeigen.
AU-B-65 873/74 beschreibt einen Rotationsmotor mit einem im allgemeinen dreieckigen Hauptrotor, der sich auf einer Welle dreht, mit einem Umlauf-Sekundärrotor mit drei unter gleichen Winkeln beabstandeten sich radial erstreckenden kreisförmigen Nocken an jedem Scheitelpunkt des Hauptrotors.
WO 86/06134 bezieht sich eng auf AU-B-65 873/74 und weist die gleiche allgemeine Anordnung der Sekundärrotoren, die drehbar am Scheitelpunkt eines Hauptrotors angeordnet sind, auf. Auch hier gibt es keine direkte mechanisache Verbindung zwischen den Sekundärrotoren und dem Motorgehäuse oder dem Hauptrotor.
DE-C-652 328 zeigt eine Kolbenanordnung in Paaren.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit einer Primärachse, bestehend aus:
einer Anzahl von sich hin-und herbewegenden Kolben, die radial zur Primärachse angeordnet sind und
einer kreisförmigen Anordnung von Nockenwellen für eine orbitale Zwangsbewegung um die Primärachse, wobei jede Welle um eine jeweilige Sekundärachse parallel zur Primärachse drehbar ist und die Ebenen der Nocken etwa in der Radialebene der Kolben liegen und in der während der Drehung und der Orbitalbewegung der Wellen und der hin-und hergehenden Bewegung der Kolben jeder Kolben im wesentlichen einen kontinuierlichen Kontakt mit mindestens einem Nocken während jedes Zyklus der hin-und hergehenden Bewegung des Kolbens behält und dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenwellen über ein Getriebe mit einer Geschwindigkeit angetrieben werden, die ein vorher festgelegter Bruchteil ihrer Umlaufgeschwindigkeit ist und die angrenzenden Nockenwellen sich teilweise überlappen, so daß ein im wesentlichen zeitverzögerungsfreier Übergang zwischen jedem aufeinanderfolgenden Zyklus der Hin-und Herbewegung jedes Kolbens, definiert durch den Zeitraum zwischen dem Kontakt und der Trennung der jeweiligen aufeinanderfolgenden Nocken und des Kolbens vorhanden ist.
Vorzugsweise sind die Kolben in Paaren angeordnet und die Kolben jedes Paares pumpen Flüssigkeit von einem Paar zum anderen in Reaktion auf die Hin- und Herbewegung des Kolbens in einer solchen Weise, dar im wesentlichen eine asynchrone Hin- und Herbewegung der Kolben jedes Paares beibehalten wird.
Vorzugsweise weist die Maschine weiterhin eine Hauptwelle auf, die um die Primärachse drehbar ist und die sich in einer Drehmomentübertragungsverbindung mit der Anordnung der Nockenwellen befindet. Die Hauptwelle kann einen starr verbundenen Radialsteg aufweisen, der jede Nockenwelle in einer festen Position in bezug auf den Steg und gleich beabstandet über einen Teilkreis des Steges lagert. Es ist ein Vorteil zwei solcher Stege zu haben, die entlang der Hauptwelle beabstandet sind und drehbar die Nockenwellen im Winkelraum dazwischen lagern.
Vorzugsweise wird das vorher festgelegte Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten zu den Umlaufgeschwindigkeiten der Nokkenwellen durch sich im Eingriff befindende Planetenzahnräder und Zahnkränze beeinflußt, wobei die Planetenzahnräder starr konzentrisch mit jeder Welle verbunden sind und der Zahnkranz konzentrisch zur Primärachse befestigt ist. Der Zahnkranz kann an einem Gehäuse befestigt sein, das drehbar die Hauptwelle mittels geeigneter Lager abstützt.
Günstig ist es, wenn jeder Kolben in einem Zylinder aufgenommen ist und gemeinsam eine untere Kammer mit variablen Volumen bildet, die eine Flüssigkeitspumpenkammer radial zum Kolben darstellt und die mit einer zwischen den jeweiligen Pumpenkammern des Kolbenpaares in Reaktion auf die Hin-und Herbewegung des Kolbens zu pumpenden Flüssigkeit gefüllt ist. Jeder Kolben und der jeweilige Zylinder können auch eine obere Kammer mit variablen Volumen bilden, die radial außerhalb des Kolbens zwischen einem Deckel des Kolbens und einem radial äußeren geschlossenen Ende des Zylinders angeordnet ist und die als konventionelle Verbrennungskammer dienen kann.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht jeder Kolben aus getrennten Deckel- und Bodenhälften, die halbstarr durch mindestens eine radial ausgerichtete Stange verbunden sind, die dichtend durch eine Zwischenquerwand des Zylinders verläuft, um eine Flüssigkeitspumpenkammer zwischen der Kolbenbodenhälfte und der Zwischenzylinderwand, der oberen Kammer mit variablem Volumen, die obere Kammer mit variablem Volumen zwischen der Kolbendeckelhälfte und dem geschlossenen Ende des Zylinders und um eine Zwischenkammer mit variablem Volumen zwischen der Kolbendeckelhälfte und der Zwischenzylinderwand zu bilden. Die Zwischenkammer mit variablen Volumen kann eine Induktionskammer darstellen, um das Pumpen von Luft oder einer Luft/Kraftstoffmischung in die Verbrennungskammer als Teil des Verbrennungsprozesses zu bewirken und/oder zu steuern.
Die Induktionskammer kann Einlaß- und Übertragungsöffnungen aufweisen, die durch ihre Zylinderwand verlaufen und in zeitlich abgestimmter Relation zur Kolbenbewegung durch die obere Kolbenhälfte in der Art und Weise der konventionellen Zweitakt-Steuerschlitzsteuerung geöffnet und geschlossen werden.
In einer Ausführung liegen die Nocken der Nockenwellen in einer gemeinsamen Ebene und überlappen sich während der Drehung an ihren Spitzen mit den Spitzen der Nocken jeder angrenzenden Nockenwelle. Die Nocken jeder Welle besitzen eine Querkerbe, die der Querkerbe der Nocken beider angrenzenden Nockenwellen symmetrisch gegenüberliegt.
In einer anderen Ausführung liegen die Nocken der Nockenwellen in zwei benachbarten parallelen Ebenen und die Nocken der angrenzenden Wellen liegen in der einen oder in der anderen der beiden Ebenen. Bei der Drehung überlappen sich die Nocken der benachbarten Wellen eng.
Als ein anderes bevorzugtes Merkmal kann jeder Nocken eine Führungskante mit einem erhöhten Abschnitt aufweisen, der so angeordnet ist, daß er einen Punkt, eine Linie oder eine Fläche für den Anfangskontakt zwischen dem Nocken und dem Kolben bildet. Wenn die Nocken Querkerben aufweisen, liegt jeder erhöhte Abschnitt in radialer Richtung an der innersten Stelle der jeweiligen Kerbe.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal liefert einen elastischen Anfangskontaktpunkt an jedem Kolben, um den Anfangskontakt zwischen Kolben und Nocken zu Beginn jedes Zyklus der Hin-und Herbewegung abzufedern.
Alternativ oder in Kombination mit dem elastischen Anfangskontaktpunkt weisen die Kolben und/oder die umgebenden Zylinder elastische Kontaktlinien oder Kontaktpunkte auf, um jeden Kolben am innersten Wendepunkt seiner hin-und hergehenden Bewegung abzufedern. Vorzugsweise werden die elastischen Kontaktlinien und/oder -punkte durch elastisches Siliziummaterial gebildet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Anhand eines Beispieles wird nun lediglich eine bevorzugte Ausführung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen stellen folgendes dar:
Fig. 1 ist eine perspektivische Explosions-Teildarstellung der Hauptbetriebselemente eines Verbrennungsmotors, der die Erfindung verkörpert.
Fig. 2 ist ist ein mehrfach geschnittener axialer Aufriß des in Fig. 1 gezeigten Motors;
Fig. 3 ist eine dreiteilige (3a, 3b, 3c) schematische Darstellung in Form eines axialen Aufrisses eines Betriebsmerkmals des Motors gem. Fig. 1 und 2;
Fig. 4 ist ein geschnittener radialer Aufriß des in Fig. 1 und 2 gezeigten Motors;
Fig. 5 ist eine Detailansicht eines einzelnen Bauteils des Motors mit einem bevorzugten Profil;
Fig. 6 ist eine axiale Ansicht einer anderen Ausführung der Erfindung;
Fig. 7 ist eine Ansicht ähnlich der in Fig. 3, der jedoch weitere bevorzugte Merkmale zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Der in den Zeichnungen dargestellte Motor ist allgemein ein Radialkolbenmotor mit zwölf Kolben mit einem im wesentlichen konventionellen Zweitakt-Verbrennungszyklus. Der größte Teil des Motors befindet sich in einem Gehäuse oder in einem Block 1, das im allgemeinen nur radialen Kräften unwesentlicher Größe standhalten muß und das daher leicht und von einfacher Konstruktion sein kann.
Das Gehäuse 1 weist zwölf in Radialrichtung gleich beabstandete und radial ausgerichtete zylindrische Hohlräume 2 auf, die so ausgeführt sind, daß sie die Kolben/Zylinderbaugruppen 3 in einer engen Gleitpassung aufnehmen können. Die Kolben/Zylinderbaugruppen 3 sind in ihrer Position verschraubt und werden später detailliert beschrieben.
Die Hauptlager 4 sind an den jeweiligen axialen Enden des Gehäuses 1 angeordnet und sie lagern drehbar die Hauptwelle 5 mit ihren starr befestigten Rotoren 6 zwischen den beiden Hauptlagern 4. Die Rotoren 6 tragen eine Anzahl von Nockenwellen 7, die parallel zur Hauptwelle 5 angeordnet sind und sich in den Sekundärlagern 8 drehen. Es sind sechs Nockenwellen 7 vorhanden und, wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, weist jede Nockenwelle 7 drei Nocken 9 auf. Die Nocken 9 der angrenzenden Wellen 7 überlappen sich etwas, so daß bei Betrieb der Vorrichtung jeder Kolben sich jederzeit während seiner Hin-und Herbewegung im Eingriff mit einem Nocken einer Welle 7 befindet.
Die Nockenwellen 7 tragen Planetenzahnräder 10 auf dem Äußeren der Sekundärlager 8, die an den Wellen 7 so befestigt sind, daß sie sich als integriertes Bauteil drehen. Jedes der Planetenzahnräder 10 befindet sich mit einem der beiden Zahnkränze 11 im Eingriff, die in den Radialebenen jedes axialen Endes des Gehäuses 1 befestigt sind. Somit bewirkt die Drehung der Hauptwelle 5 eine Umlaufbewegung der Wellen 7 um die Hauptwelle 5 und eine proportionale Drehbewegung um ihre jeweilige eigene Achse. Die Wellen 7 drehen sich alle mit der gleichen Drehzahl die der Drehzahl der Hauptwelle 5 proportional ist und die durch das Übersetzungsverhältnis zwischen den Planetenzahnrädern 10 und dem Zahnkranz 11 bestimmt wird.
Die Enddeckel 12 schliefen dichtend die Rädergetriebe ab, die aus dem Zahnkranz 11 und aus den Planetenzahnrädern 10 bestehen, sie stützen in geeigneter Weise die Hauptlager 4 ab und ermöglichen das abgedichtete Austreten der Hauptwelle 5, um eine Leistungsabnahme zu erhalten.
In Fig. 2 ist eine im Gehäuse 1 angeordnete Kolben/Zylinder- Baugruppe 3 gezeigt. Der Kolben 13 kann sich in Radialrichtung im Zylinder 14 hin- und herbewegen, der als Konstruktionseinheit einen Kopfteil 15 und einen Zyylinderbohrungsteil 16 aufweist. Vielleicht am besten in Fig. 3 zu sehen, kann der Bohrungsteil 16 in zwei Teile unterteilt werden, in einen radialen äußeren Teil 17 und in einen radial inneren Teil 18, geteilt durch eine Zylinderzwischenquerwand 19. Der Kolben 13 besteht aus einer oberen Kolbenhälfte 20 und aus einer unteren Kolbenhälfte 21, die starr durch drei im Querschnitt runde Stangen 22 verbunden sind, die in Radialrichtung in gleichem Abstand um die Mittellinie des Kolbens 13 angeordnet sind. Die Stangen 22 verlaufen durch die abgedichteten Öffnungen in der Zylinderzwischenwand 19. Eine solche Konstruktion bildet drei Kammern 17, 18 und 24 mit variablen Volumen, wobei die Kammer 24 die Verbrennungskammer zwischen der oberen Kolbenhälfte 20 und dem Zylinderkopf 15 ist.
In Fig. 3 ist die Fluidpumpwirkung gezeigt, die die beiden Kolben 13a, 13b eines zusammenwirkenden Kolbenpaars in einer asynchronen Hin- und Herbewegung hält. Die Kammern mit dem variablen Volumen 18a, 18b, die zwischen der unteren Kolbenhälfte 21 und der Zylinderzwischenwand 19 jedes Paars der Kolben/Zylinder- Baugruppen 3 gebildet werden (Fig. 1) sind mit einem Fluid gefüllt und durch eine Fluidverbindung verbunden. Das Gesamtvolumen des Fluids bleibt für inkompressible Flüssigkeiten konstant und bleibt im wesentlichen konstant für kompressible Gase. Das Volumen einer Kammer 18b des Kolbens 13b , der sich nach außen bewegt, wird reduziert und pumpt somit das Fluid nach außen in die entsprechende Kammer 18a des anderen Kolbens 13a, bewirkt dadurch einen Druckanstieg in der Kammer 18a, der ein Zurückziehen ihres Kolbens 13 zur Folge hat. Während des Normalbetriebes des Verbrennungsmotors dient dieser Mechanismus lediglich als Sicherheitsfaktor. Normale Verbrennungsdrücke drücken den sich zurückziehenden Kolben 13 nach innen und bewirken eine Drehung der mit ihm verbundenen Welle 7a und eine Umlaufbewegung der Welle, wodurch wiederum der andere Kolben 13b des Paares vorwärtsbewegt wird. Bei den Start- und Stoppvorgängen oder bei bestimmten Störungen, hält jedoch die Pumpwirkung des ersten Fluids zwischen den beiden Kammern 18a, 18b die Kolben 13 jedes Paars in ihrer korrekten 180º-Phasenverschiebungs-Hin- und Herbewegung.
Das Übersetzungsverhältnis des Planetenzahnrades 10 zum Zahnkranz 11 ist unter Berücksichtigung der Anzahl der Wellen 7, der Anzahl der Nocken 9 pro Welle 7 und der Anzahl der Kolben 13 gewählt, um zu sichern, dar während der Drehung des Motors, wenn jede Welle 7 auch orbital direkt radial unter jedem Kolben 13a, 13b positioniert ist, ihrer Nocken 9 wiederum radial ausgerichtet mit jedem Kolben 13 sind. Somit ist die Welle 7a, die in Fig. 3(a) gezeigt ist, radial direkt unter dem Kolben 13a positioniert, während in Fig. 3(c) die Welle 7a radial unter dem Kolben 13b positioniert ist und sich entgegen dem Uhrzeigersinn um eine drittel Umdrehung gedreht hat (in dieser Ausführung sind drei Nocken 9 für jede Welle 7 vorhanden). Weiterhin ist aus der Fig. 3(a) ersichtlich, daß, wenn der Nocken 9c der Welle 7b den Kontakt mit der unteren Kolbenhälfte 21b verliert, ein Nocken 9b der nächsten ankommenden Welle 7a mit der unteren Kolbenhälfte 21b kommt und dabei den sich entfernenden Nocken überlappt. Gleichermaßen ersetzt Fig. 3(c) der Nocken 9d den Nocken 9a bei der Berührung mit der unteren Hälfte 21a des Kolbens 13a. Dieser Punkt der gleichzeitigen Berührung der Nocken 9 der benachbarten Wellen 7 liegt in der unteren Bewegungsposition des jeweiligen Kolbens 13 (äquivalent zum unteren Totpunkt bei einem bekannten Kurbel/Pleuelstangen-Mechanismus).
Durch diesen Mechanismus befindet sich jeder der Kolben 13 kontinuierlich mit den Nocken 9 der aufeinanderfolgenden Wellen 7 in Berührung. Weiterhin zündet bei jeder vollständigen Umdrehung der Hauptwelle 5 jeder Zylinder sechsmal (d.h. einmal für jede Welle 7).
Die Kammern mit dem variablen Volumen 17a, 17b, eingeschlossen zwischen der Zylinderzwischenwand 19 und den oberen Kolbenhälften 20a, 20b, werden verwendet, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Art und Weise wie beim Kurbelgehäuse eines konventionellen Zweitakt-Verbrennungsmotors, in die Verbrennungskammer 24 zu pumpen. Der Zylinderbohrungsteil 16 weist Einlaß-, Übergangs- und Ausgangsöffnungen auf, wobei das Öffnen und Schliefen der Öffnungen durch die Gleitfläche der oberen Kolbenhälfte 20 gesteuert und zeitlich abgestimmt wird. Wie bei den Motoren mit konventionellem Zweitakt-Verbrennungszyklus können Blattfederventile, Mehrfachöffnungen, akustische Zeitsteuerung für den Auslaß und Aufladung unter anderem verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit des Motors zu verbessern.
Die Nocken 9 der Wellen 7 können im Profil so gestaltet sein, dar eine asymmetrische Hin-und Herbewegung entsteht. Fig. 5 zeigt ein Profil, das so gestaltet ist, dar sich beim Leistungstakt nach unten eine geringere Kolbengeschwindigkeit ergibt als beim Verdichtungstakt nach oben. das ermöglicht unter anderem eine bessere Spülung.
Weiterhin ist in Fig. 5 ein elastischer Einsatz 25 zu erkennen, der in einer unteren Stirnfläche der unteren Kolbenhälfte 21 so angeordnet ist, dar er sich am Punkt der ersten Berührung mit einem Nocken 9 befindet, um, wenn erforderlich, ein gewisses Abfedern zu gewährleisten.
Der Verbrennungszyklus des Motors ist aus der Fig. 3a ersichtlich, wobei der Kolben 13b seinen Verdichtungstakt beginnt. Die Verbrennungskammer 24 ist bereits zumindestens teilweise mit einer Kraftstoff-Luft-Mischung gefüllt, die allmählich verdichtet wird, wenn die Verbrennungskammer 24b in der Größe verringert wird (Fig. 3b), wenn sich die Welle 7 durch die Wirkung des Kolbens 13a bei seinem Leistungstakt entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Wie die Welle 7a den Kolben 13b während ihrer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt, bewirkt sie auch, daß die Rotoren 6 sich durch das Zusammenwirken des Planetenzahnrades 10 mit dem Zahnkranz 11 entgegen dem Uhrzeigersinn drehen.
Während des Aufwärts-Verdichtungstaktes des Kolbens 13b verringert die Fluidkammer 18b das Volumen und pumpt dadurch ihr Fluid durch den Kanal 23 in die entsprechende Kammer 21a des Kolbens 13a.
Weiterhin wird während des Verdichtungstaktes des Kolbens 13b die Einlaßkammer 17b in ihrem Volumen verringert. Die Kammer 17b ist mit einer zugemessenen Luft/Kraftstoff-Zuführung, wie z.B. mit einem Vergaser, über eine Einlaßöffnung (nicht gezeigt) verbunden. Der Druckabfall in dem sich vergrößerndem Volumen 17b bewirkt ein Ansaugen des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der gleichen Weise wie beim Kurbelgehäuse eines konventionellen Zweitaktmotors.
Die Welle 7a dreht sich unter der Wirkung des Leistungstaktes des Kolbens 13a weiter entgegen dem Uhrzeigersinn und führt eine Orbitalbewegung im Uhrzeigersinn aus, wobei sie den Verdichtungskolben 13b in seine oberste Stellung bringt, in der das brennbare Luft/Kraftstoff-Gemisch bereits gezündet hat, und, wie bei konventionellen Verbrennungsmotoren mit hin- und hergehendem Kolben, beginnt dann der Leistungstakt des Kolbens.
In der in Fig. 3c gezeigten Position hat die Fluidkammer 18b ebenfalls ihr geringstes Volumen erreicht, während die Ansaugkammer 17b ihr maximales Volumen erreicht hat. Unter Vernachlässigung des Fluidmomentes hört das Ausströmen des Fluids aus der Kammer 18b und das Ansaugen des Luft/Kraftstoff-Gemisches in die Kammer 17b jetzt auf.
Der beginnende Leistungstakt kann in Fig. 3a beim Kolben 13a erkannt werden. Das gerade gezündete Luft/Kraftstoff-Gemisch bewirkt einen stark ansteigenden Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer 24a, der den Kolben 13a dazu zwingt, sich nach innen zurückzubewegen, wie in Fig. 3b gezeigt ist. Der Verbrennungsdruck auf die obere Kolbenhälfte 20a wird über die Kolbenstangen 22a und die untere Kolbenhälfte 21a auf den Nocken 9a der Welle 7a übertragen. Diese Kraft erzeugt ein Drehmoment, das die Welle 7a so dreht, wie es vorher unter Bezugnahme auf den Verdichtungstakt beschrieben wurde.
Während des Leistungstaktes verringert auch die Ansaugkammer 17a ihr Volumen und pumpt ihr Luft/Kraftstsoff-Gemisch über eine Übergangsöffnung (nicht gezeigt) in die Verbrennungskammer 24b, um das Luft/Kraftstoff-Gemisch aufzufüllen. Die zeitliche Steuerung der Strömung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in die Ansaugkammer 17a und aus ihr heraus in die Verbrennungskammer 24a kann durch jede einer Anzahl konventioneller Verfahren erfolgen, einschließlich von Blattfeder-Schiebern, Zusammenwirken der Kolben mit den Öffnungsschlitzen, Scheibenventilen und Aufladen.
Das sich vergrößernde Volumen der Fluidkammer 18a wird mit dem Fluid aufgefüllt, das aus dem sich verringernden Volumen der Fluidkammer 18b gepumpt wird. Wenn aus irgendeinem Grunde eine Verbrennungsstörung auftritt oder beim Starten und Stoppen des Motors, wenn nicht der Verbrennungsdruck vorhanden ist, der das Zurückbewegen des Kolbens 13a bewirkt, vergrert sich der Druck des Fluids in der Kammer 18a unter der Pumpwirkung der sich im Volumen verringernden Fluidkammer 18b, drückt dadurch die untere Kolbenhälfte 21a radial nach innen und hält den Kontakt mit einem Nocken 9a aufrecht.
Fig. 6 zeigt das Innere einer Vier-Nocken-Variante gemäß der Erfindung. Wie beim Motor bereits beschrieben, ist eine orbitale Anordnung der Nockenwellen 30 vorhanden, die eine im allgemeinen entgegengesetzte Drehung in Bezug auf die Orbitalbewegungen erzwingt, die durch die Planetenzahnräder 10 und den Zahnkranz 11 hervorgerufen werden. In diesem Falle sind ebenfalls zwölf Kolben 13 vorhanden, jedoch ist jede der sechs Umlaufwellen 30 mit vier Nocken versehen (anstatt drei) und sie drehen sich daher mit 3/4 des Übersetzungsverhältnisses der Drei-Nocken-Variante, so daß ein angepaßtes Zusammenwirken der Nocken 9 mit den aufeinanderfolgenden Kolben 13 gesichert ist. Die Planetenzahnräder 10 für die angrenzenden Nockenwellen 30 sind an den entgegengesetzten axialen Enden des Gehäuses 1 angeordnet, da sie sich sonst untereinander behindern würden.
Somit ist der Motor ein kompakter, flacher Mehrzylinder-Radialmotor, dessen Durchmesser wesentlich geringer ist, als der, der notwendigerweise bei einem konventionellerem Kurbel-Pleuelstangen-Mechanismus verwendet werden müßte. Weil der Verbrennungsprozeß selbst und die Formen der hin-und hergehenden Kolben und der Verbrennungskammer konventionell sind, sind eine optimale Verbrennungskammerform und eine Gasdichtheit leicht erreichbar.
In Fig. 7 ist eine Anzahl von alternativen Merkmalen in einer anderen Ausführung der Erfindung dargestellt. Diese Alternativen beziehen sich insbesondere auf die Nockenwellen 7, auf die Konstruktion des Kolbens 13 und auf den Einsatz bestimmter Abfedervorrichtungen.
Die in Fig. 7 gezeigten Nockenwellen 7a und 7c weisen erhörhte Abschnitte 31 auf, die eine Anfangsberührung der Nocken 9 mit dem elastischen Einsatz 25 an der unteren Stirnfläche des Kolbens 13 ermöglichen. Die erhöhten Abschnitt 31 befinden sich radial an der Spitze der Nocken 9, die einander überlappen. Im Vergleich zur Anordnung gemäß Fig. 4 sind die Nocken 9 der angrenzenden Nockenwellen 7 koplanar (in der gleichen Ebene liegend) und die Spitzen weisen symmetrische Abschnitte auf, wie es in Fig. 7a gezeigt ist, um ihre überlappende Bewegung zu ermöglichen. Somit erstrecken sich die erhöhten Abschnitte 31 über die volle Breite jedes Nocken 9 und es kann eine maximale Kontaktfläche mit dem elastischen Einsatz 25 erreicht werden.
Durch das Überwiegen des Zyklus der Hin- und Herbewegung ist der Kontakt zwischen jedem Nocken 9 und dem Kolben 13 ein im wesentlichen rollender Kontakt des Spitzenteils des Nockens 9 mit dem gehärteten Stahleinsatz 26. Der Einsatz 26 ist mit geeigneten Schrauben 27 starr am Kolben 13 befestigt, obwohl viele andere ausführbare Befestigungsverfahren bekannt sind.
Die Zylinderzwischenwand 19 weist drei elastische Siliziumringe 29 auf. Zwei dieser Ringe 29 sind in der oberen Fläche der Zwischenwand 19 angeordnet und federn den Kolben 13 an seinem radial innersten Umkehrpunkt in seinem Hin-und Herbewegungszyklus ab, weil die Innenfläche der oberen Kolbenhälfte 20 die Siliziumringe 29 berührt. In gleicher Weise sichert der dritte Siliziumring 29 an der radial innersten Stirnfläche der Zwischenwand 19 ein Abfedern am radial äußersten Umkehrpunkt des Kolbens 13, an dem die äußerste Oberfläche der unteren Kolbenhälfte 21 den Siliziumring 29 berührt. Die drei Siliziumringe 29 sind in geeigneter Weise konzentrisch angeordnet.
Ein Siliziumring 28 mit rechteckigem Querschnitt ist innen am Boden des Zylinders 16 vorgesehen zur Berührung mit dem radial nach innen gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt der unteren Kolbenhälfte 21. Dieser weitere Siliziumring 28 ist in der Größe so gestaltet und so angeordnet, dar eine Anfangsgeschwindigkeitsverringerung und eine Anfangsbeschleunigung des Kolbens während seines Durchganges durch den radial innersten Wendepunkt seines Zyklus der Hin-und Herbewegung gesichert wird. Während dieser Geschwindigkeitsverringerung des Kolbens 13 speichert der Gummiring 28 die verbleibende Verbindungsenergie des Kolbens 13 und setzt sie wieder um, so dar eine radial nach außen gerichtete Beschleunigung des Kolbens 13 beginnt, wenn, oder kurz bevor, der erhöhte Abschnitt 31 des Nockens 9c den elastischen Einsatz 25 berührt.
Obwohl die bevorzugte Ausführung mit zwölf Zylindern beschrieben wurde, gibt es keine Begrenzung in der Anzahl der Zylinder, die verwendet werden dürfen. Gleichermaßen können die Zylinderbohrung und der Kolbenhub jede Kombination von Abmessungen besitzen.
Ein wichtiger Faktor für die Leistungsfähigkeit des Motors ist die innere Reibung. Für Hochleistungsmotoren vielleicht am wichtigsten ist die Kolben/Zylinder-Reibung, wo sich die Schmierung in einem begrenzten Zustand befindet. Beim Motor gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es im wesentlichen keine auf den Kolben wirkende Querkraft, während in einem konventionellen Kurbel/Pleuelstangen-Mechanismus eine beträchtliche Seitenkraft über die Pleuelstange auf den Kolben wirkt, insbesondere bei hohen Motordrehzahlen.
Alle sich bewegenden Bauteile des Motors können relativ leicht und mit kleinem Drehmoment gestaltet werden, dadurch kann der Motor leichter drehen als ein konventioneller Motor mit Kurbel und Pleuelstange. Das geringe Drehmoment beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit bei sehr geringen Motordrehzahlen nicht, weil eine grobe Anzahl von Zündungen pro Umdrehung der Ausgangswelle in gleichmäßigen Abständen erfolgt.
Die Motorleistung kann leicht innerhalb einer vorgegebenen Größenordnung durch einfaches Entfernen von Zylindern und ihren Ersatz durch andere Zylinder mit einer anderen Kolbengröße vergrößert werden. Wenn eine wesentliche Veränderung der Motorleistung gewünscht wird, ist sicherlich ein größeres Motorgehäuse erforderlich. Die physikalischen Abmessungen des Motors erhöhen sich jedoch nur zu einem Bruchteil in Bezug auf die Erhöhung der Motorleistung und man kann sagen, daß sich bei einem Motor mit doppelter Breite und doppeltem Gesamtdurchmesser die Motorleistung das Achtfache beträgt.

Claims

1. Maschine mit einer Primärachse, bestehend aus:

einer Anzahl von sich radial hin- und herbewegenden Kolben (13), die radial zur Primärachse angeordnet sind und

einer kreisförmigen Anordnung von Nockenwellen (7, 9) für eine orbitale Zwangsbewegung um die Primärachse, wobei jede Welle (7) um eine jeweilige Sekundärachse parallel zur Primärachse drehbar ist und die Ebenen der Nocken (9) etwa in der Radialebene der Kolben (13) liegen und in der während der Drehung und der Orbitalbewegung der Wellen (7) und der hin- und hergehenden Bewegung der Kolben (13) jeder Kolben (13) im wesentlichen einen kontinuierlichen Kontakt mit mindestens einem Nocken (9) während jedes Zyklus der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens (l3) behält und dadurch gekennzeichnet, da die Nockenwellen (7, 9) über ein Getriebe mit einer Geschwindigkeit angetrieben werden, die ein vorher festgelegter Bruchteil ihrer Umlaufgeschwindigkeit ist und die angrenzenden Nockenwellen (7, 9) sich teilweise überlappen, so daß ein im wesentlicher zeitverzögerungsfreier Übergang zwischen jedem aufeinanderfolgenden Zyklus der Hin- und Herbewegung jedes Kolbens l3, definiert durch den Zeitraum zwischen dem Kontakt und der Trennung der jeweiligen Nocken (9) und des Kolbens (13), vorhanden ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, in der die Kolben (13) in Paaren angeordnet sind und die Kolben (13) jedes Paares Flüssigkeit von einem Paar zum anderen in Reaktion auf die Hin- und Herbewegung des Kolbens in einer solchen Weise pumpen, daß im wesentlichen eine asynchrone Hin- und Herbewegung der Kolben (13) jedes Paares beibehalten wird.

3. Maschine nach Anspruch 2, weiterhin bestehend aus einer Hauptwelle (5), die um die Primärachse drehbar ist und die sich in einer Drehmomentübertragungsverbindung mit der Anordnung der Nockenwellen (7, 9) befindet.

4. Maschine nach Anspruch 3, in der die Hauptwelle (5) weiterhin ein Paar von parallel voneinander beabstandeten starren Radialstegen (6) aufweist, die drehbar die Nockenwellen (7, 9) dazwischen lagern, die in gleichen Abständen auf einem Teilkreis der-Stege (6) angeordnet sind.

5. Maschine nach Anspruch 4, in der das vorher festgelegte Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeit zu der Umlaufgeschwindigkeit der Nockenwellen (7,9) durch sich im Eingriff bef indende Planetenzahnräder (10) und Zahnkränze (11) beeinflu t wird, wobei die Planetenzahnräder (10) starr konzentrisch mit jeder Welle (7) verbunden sind und der Zahnkranz (11) konzentrisch zur Primärachse befestigt ist.

6. Maschine nach Anspruch 1, in der das vorher festgelegte Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeit zur Umlaufgeschwindigkeit der Nockenwellen (7, 9) durch sich im Eingriff befindende Planetenzahnräder (10) und Zahnkränze (11) beeinflußt wird, wobei die Planetenzahnräder (10) starr konzentrisch mit jeder Welle (7) verbunden sind und der Zahnkranz (11) konzentrisch zur Primärachse befestigt ist.

7. Maschine nach Anspruch 5, in der der Zahnkranz (11) an einem Gehäuse (1) befestigt ist, das drehbar die Hauptwelle (5) in den Lagern (4) lagert.

8. Maschine nach Anspruch 7, in der jeder Kolben (13) in einem Zylinder (14) auf genommen ist und gemeinsam eine untere Kammer (18) mit variablem Volumen bilden, die eine Flüssigkeitspumpenkammer radial zum Kolben (13) darstellt und die mit einer zwischen den jeweiligen Pumpenkainmern (18) des Paares der Kolben (13) in Reaktion auf die Hin- und Herbewegung des Kolbens zu pumpenden Flüssigkeit gefüllt ist.

9. Maschine nach Anspruch 8, in der jeder Kolben (13) und der jeweilige Zylinder (14) weiterhin eine obere Kammer (24) mit variablem Volumen bilden, die radial außerhalb des Kolbens (13) zwischen einem Deckel (20) des Kolbens (13) und einem radial äußeren geschlossenen Ende des Zylinders angeordnet ist und die obere Kammer (24) mit variablen Volumen als Verbrennungskammer dient.

10. Maschine nach Anspruch 9, in der jeder Kolben (13) mit einem Deckel (20) und einem Boden (21) versehen ist, die halbstarr durch mindestens eine radial ausgerichtete Stange (22) verbunden sind, die dichtend durch eine Zwischenquerwand (19) des Zylinders verläuft, um eine Flüssigkeitspumpenkammer (18) zwischen der Kolbenbodenhälfte (21) und der Zwischenzylinderwand (19), die obere Kammer (24) mit variablen Volumen zwischen der Kolbendeckelhälfte (20) und dem geschlossenen Ende des Zylinders (14) zu bilden und um eine Zwischenkammer (17) mit variablen Volumen zwischen der Kolbendeckelhälfte (20) und der Zwischenzylinderwand (19) zu bilden, die eine Induktionskammer für das Pumpen von Nutzluft und/oder Steuerluft oder einer Luft/Kraftstoffmischung in die Verbrennungskammer (24) als Bestandteil des Verbrennungsprozesses darstellt.

11. Maschine nach Anspruch 1, in der jeder Kolben (13) mit einem Deckel (20) und einem Boden (21) versehen ist, die halbstarr durch mindestens eine radial ausgerichtete Stange (22) verbunden sind, die dichtend durch eine Zwischenguerwand (19) des Zylinders verläuft, um eine Flüssigkeitspumpenkammer (18) zwischen der Kolbenbodenhälfte (21) und der Zwischenzylinderwand (19) zu bilden.

12. Maschine nach Anspruch 11, in der die Flüssigkeitspumpenkammer (18a) jedes Kolbens (13a) flüssigkeitsdurchlässig mit der jeweiligen Flüssigkeitspumpenkammer (18b) eines angrenzenden Kolbens (13b) verbunden ist, die verbundenen Flüssigkeitspumpenkammern (18a, 18b) mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, um eine asynchrone Hin- und Herbewegung der jeweiligen Kolben (13a, 13b) jedes Kolbenpaares hervorzurufen.

13. Maschine nach Anspruch 1, in der die Nocken (9) in einer gemeinsamen Ebene liegen und Spitzenabschnitte aufweisen, die mit den Spitzenabschnitten der jeweiligen benachbarten Nokken (9) während der Umlaufbewegung der Wellen überlappen.

14. Maschine nach Anspruch 1, in der die Nocken (9) jeder Nockenwelle (7) in einer von zwei wenig voneinander beabstandeten parallelen Ebenen liegen, die Nocken (9) der angrenzenden Nockenwellen sich bei der Drehung überlappen und sich jeweils in der einen und in der anderen der beiden parallelen Ebenen befinden.

15. Maschine nach Anspruch 1, in der jeder Nocken (9) an einer Führungskante einen erhöhten Abschnitt aufweist, der sich auf dem Nocken (9) befindet, um einen Punkt, eine Linie oder eine Fläche für den Anfangskontakt zwischen dem Nocken (9) und dem Kolben (13) zu bilden.

16. Maschine nach Anspruch 15, in der jeder Kolben (13) einen elastischen Einsatz (25) am Punkt, an der Linie oder der Fläche für den Anfangskontakt aufweist.

17. Maschine nach Anspruch 1, weiterhin bestehend aus elastischen Kissen (28, 29), die an den Kolben (13) befestigt sind und/oder die die Kolben umgebenden Zylinder sind an die elastischen Kissen der Kolben (13) an den äußeren und inneren Wendepunkten ihrer hin- und hergehenden Bewegung angepaßt.

18. Maschine nach Anspruch 17, in der die elastischen Kissen (28, 29) Siliziumringe sind, die konzentrisch zu den jeweiligen Kolben (13) angeordnet und an den radial gegenüberliegenden Flächen der die Kolben umgebenden Zylinder (16) befestigt sind und in der die Kolben (13) entsprechende radial gegenüberliegende Flächen aufweisen, um die Siliziumringe zumindestens am radial innersten Wendepunkt der Hin- und Herbewegung des Kolbens zu berühren.