DE69516283T2

DE69516283T2 - Brennkraftmaschine mit radial wirkenden kugelförmigen kolben

Info

Publication number: DE69516283T2
Application number: DE69516283T
Authority: DE
Inventors: Thomas W. Dale
Original assignee: DIRLETON MANAGAMENT SERVICES L
Current assignee: Dirleton Managament Services Ltd Road Town Tort
Priority date: 1994-03-15
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 2000-10-26
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: RO118815B1; HUT76936A; SK118096A3; NO307104B1; CZ267996A3; EP0774057B1; GR3033896T3; CZ288431B6; ATE191770T1; CA2185428A1; NO963842L; US5419288A; NO963842D0; PL316260A1; JPH10500748A; SK282248B6; BG62502B1; CN1143994A; BG100892A; ES2144607T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine radiale Brennkraftmaschine mit sphärischen Kolben und einer einzigartigen Nockenkonfiguration, um eineverhältnismäßig konstante Wechselwirkungsgeschwindigkeit der Kolben zu erreichen.
In meiner Patentanmeldung mit dem Titel "Viertakt- Radialkolbenmotor mit kontinuierlichem Umlauf" US-A-5,415,135 angemeldet am 22. Juli 1993, nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht, welche eine Teilweiterbehandlung von Anmeldung Nr. 889,439 angemeldet am 28. Mai 1992 jetzt Patent Nr. 5,257,599 ist, beschreibe ich eine radiale Brennkraftmaschine mit sphärischen Kolben, welche auf einer kreisförmigen Nockenfläche laufen, dessen Drehachse gegenüber der Drehachse der Zylinder versetzt ist. Zusätzlich zu der kreisförmigen Rollbewegung auf der Nockenfläche haben die sphärischen Kolben auch eine Wechselbewegung bezüglich der Zylinder. Die Geschwindigkeit jeden Kolbens längs ihrer kreisförmigen Bahn und die relative Wechselbewegung ändern erheblich über einen Drehzyklus.
Diese ungleichmäßige Geschwindigkeit der Kolben längs ihren kreisförmigen Bahnen führt zu einem Gleiten und Rutschen der sphärischen Kolben, anstatt einer reinen Rollbewegung, während den Geschwindigkeitsveränderungen auf den Nockenfläche. Dies erzeugt zusätzlichen Verschleiß durch Reibung und stärkeres Geräusch. Desweiteren kann die ungleichmäßige Bewegung dazu führen, daß die Kolben in einem Bereich von jedem Umlauf "aufhocken", was sich dann in einer Unwucht und verstärkten Schwingungen des Motors bemerkbar macht.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat eine radiale Brennkraftmaschine mit sphärischen Kolben geschafft, in welcher eine einzigartige Nockenkonfiguration für eine gleichmäßige Rollbewegung jeden Kolbens längs der kreisförmigen Bahn und für eine konstante relative Hin- und Herbewegung in jedem Zylinder sorgt.
Die radiale Brennkraftmaschine, welche sphärische Kolben gemäß den Prinzipien dieser Erfindung benutzt, hat nicht die üblichen Hohlkolben, Kolbenstangen, Kurbelwelle oder andere sonstige schwingende Zahnräder. Stattdessen enthält sie einen zylindrischen Rotor in zwei oder mehreren Reihen sich radial erstreckenden Zylinder. In jedem Zylinder läuft ein sphärischer Kolben auf einer zum Rotor konzentrischen Piste, wodurch eine in wesentlichen gleichmäßige Hin- und Herbewegung entsteht.
Der zylindrische Rotor enthält eine Mehrzahl drehender Zylinder, während der sphärische Kolben in jedem Zylinder auf der Innenwand des Motorgehäuses längs einem einzigartig ausgebildeten Nocken in einer anderen Kreisbahn abläuft und durch die Zentrifugalkraft auf dieser Bahn gehalten wird. Die beiden eben erwähnten Kreise sind dimensional zu einander konzentrisch mit dem Resultat, daß jeder sphärische Kolben sich in seinem Zylinder hin- und herbewegt. Der Nocken ist ausgebildet, um ein im wesentlichen gleichmäßiges Hin- und Herbewegen der Kolben in ihren Zylindern zu gewährleisten.
Es sind separate Zylinder für die Kompression (nachfolgend Kompressionszylinder) und für die Zündung, die Verbrennung und die Expansion (nachfolgend Kraftzylinder) vorgesehen.
Die sphärischen Kolben in den Kompressionszylinder haben die Funktion, die Eintrittsluft anzusaugen und zu verdichten. In einer Umdrehung durchlaufen alle sphärischen Kolben in den Kompressionszylindern einen Ansaugetakt, einen Kompressionstakt uns schicken dann die verdichtete Luft in einen Zwischenkühler außerhalb des Motors.
Die verdichtete Luft mit zugesetztem Brennstoff wird dann durch Übertragungsleitungen in die Kraftzylinder geführt. Nachdem die Zylinder und Kolben der Kraftzylinder das Luft-Brennstoffgemisch aus den Übertragungsleitungen erhalten haben, passieren sie ein Flammenrohr, um die eingeschlossene Ladung zu zünden.
Der Nocken der Kraftzylinder ist angepasst, damit bei der Zündung die Kolben ihre Auswärtsbewegung beginnen. Nach der vollständigen Expansion des Gases während dem Krafttakt wird die Auspufföffnung erreicht und die sphärischen Kolben bewegen sich einwärts, um die Verbrennungsprodukte auszustoßen. Die Grösse der Kraftzylinder und der Hub der Kolben sind so bemessen, dass eine vollständige Expansion der Abfallprodukte erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführung werden zwei Reihen Kraftzylinder und eine Reihe Kompressionszylinder benutzt.
Bei dieser Erfindung werden das Gleiten und Rutschen, sowie das Aufhocken der sphärischen Kolben, wie vorher beschrieben weitgehend reduziert.
Es ist demgemäss ein Hauptziel dieser Erfindung eine radiale Brennkraftmaschine mit sphärischen Kolben mit verbesserter Kontrolle der Bewegung der sphärischen Kolben vorzusehen.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich weiter unten aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Aufriss im Schnitt teils schematisch einer Brennkraftmaschine mit den Prinzipien dieser Erfindung mit den Kolben an den unteren und an den oberen Totpunkten und längs 1-1 der Fig. 7.
Fig. 1A ist eine schematische Abbildung der Bahn über 360º Drehung der sphärischen Kolben.
Fig. 2 ist ein Schnitt längs 2-2 von Fig. 5.
Fig. 3 ist ein Schnitt längs 3-3 von Fig. 5.
Fig. 4 ist ein Schnitt längs 4-4 von Fig. 5.
Fig. 5 ist eine Ansicht längs 5-5 von Fig. 1.
Fig. 6 ist ein Schnitt längs 6-6 von Fig. 1.
Fig. 7 ist ein Schnitt längs 7-7 von Fig. 1.
Fig. 8 ist ein Schnitt längs 8-8 von Fig. 1.
Fig. 9 ist ein Schnitt längs 9-9 von Fig. 1.
Fig. 10 ist ein Schnitt längs 10-10 von Fig. 1.
Fig. 11 ist eine Ansicht längs 11-11 von Fig. 1.
Die in den Figuren gezeigten Pfeile zeigen die Richtung der drehenden Teile und die Strömungsrichtung der verschiedenen beschriebenen Fluiden.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführung

Die in den Fig. 1, 2 und 5 bis 11 gezeigte Brennkraftmaschine 10 umfasst ein stationäres zylindrisches Gehäuse 12 mit einer Außenwand 14, einer Endwand 16 und einer kreisrunden Öffnung 18. Letztere wird durch einen aus einer mittels Schrauben 25 mit dem Gehäuse verbunde ner Platte 24 bestehendem Deckel 22 verdeckt, wobei ein zylindrischer Stator sich in das Gehäuse 12 erstreckt.
Im ringförmigen Raum zwischen dem Stator 26 und der Außenwand des Gehäuses 12 befindet sich ein Rotor 28 mit einer zylindrischen Wand 30, einer Endwand 31 und einer Kraftabgabewelle 32, welche sich durch eine Öffnung 33 in der Endwand 16 des Gehäuses 12 erstreckt, um die Abgabekraft der Maschine 10 zu liefern.
In der Wand 30 des Rotors 28 sind drei ringförmige Reihen getrennter Zylinder 34, 36 und 38 gebildet, in welchen jeweils die einzelnen sphärischen Zylinder 42, 44 und 46 sitzen.
Bezugnehmend auf Fig. 7, jeder Zylinder, z. B. Zylinder 34, besteht aus einer sich radial erstreckenden zylindrischen Bohrung mit einer sphärischen Schulter 34b, um wie gezeigt auf den sphärischen Kolben 42 zu passen und aus einem Hals 34c, so dass der Zylinder 34 wie gezeigt vollständig durch die Wand 30 des Rotors 28 verläuft.
Die Zylinder 34 sind hierin als Kompressionszylinder beschrieben während die Zylinder 36 und 38 wie sich später ergeben wird als Kraftzylinder beschrieben sind.
Die Innenfläche 48 der Gehäusewand 14 ist mit einer einzigartigen Nockenkonfiguration auf welcher die sphärischen Kolben 42 laufen versehen. Diese Konfiguration besteht aus einer Tasche 52 (siehe auch Fig. 1) in der Innenfläche 48 und hat den Zweck der nachfolgend beschrieben wird. Sowohl die Innenfläche 48 der Gehäusewand 14 wie auch die Außenfläche der Rotorwand 30 sind kreisförmig und haben dieselbe Drehachse X.
Die Achse Y, welche, wie in Fig. 7 gezeigt ist, gegenüber der Achse X versetzt ist, ist der Mittelpunkt der kreisförmigen Außenfläche des Gehäuses 14. Die in Fig. 1 und 1A gezeigte Breite der Tasche 52, welche die Distanz zwischen den Außenrändern A und B der Tasche 52 ist, ist bemessen, um über den Umfang der Innenfläche 48 so zu variieren, um den Kolben 42 die Möglichkeit zu geben, den Schein zu erwecken, als würden sie sich mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in jedem Zylinder 34 bewegen, wenn der Rotor 28 dreht. Wenn es gewünscht ist, kann die Distanz zwischen den Außenrändern A und B über den Umfang geändert werden, um jede andere gewünschte Relativbewegung der Kolben in ihren jeweiligen Zylindern zu erreichen.
Es soll bemerkt sein, dass in Wirklichkeit die sphärischen Kolben sich nicht hin- und herbewegen. Sie kreisen in einer etwa kreisförmigen Bahn aber nur in jedem Zylinder scheinen sie sich hin- und herzubewegen.
Die Tiefe der Tasche 52 in der Gehäusewand 14 ändert sich über den Umfang, um die Kolben aufzunehmen und dieselbe Konfiguration gilt für die Kolben 44 und 46. Die Ränder A und B, welche die Piste bilden, auf welcher die sphärischen Kolben abrollen, befinden sich auf der Innenfläche 48 der Gehäusewand 14.
Die sphärischen Kolben 42 laufen und kreiseln auf den Ränder A und B, wenn der Rotor 28 dreht, wie schematisch in Fig. 1A gezeigt ist, so dass, wenn die Breite sich ändert, der sphärische Kolben 42 sich im Zylinder 34 hin- und herbewegt.
Die Zentrifugalkraft hält den Kolben 42 im Kontakt mit den Rändern A und B. Der Kolben 42 kommt nirgends in Kontakt mit anderen Stellen der Tasche 52 als mit den Rändern A und B, wie in den Figuren gezeigt ist. Während die Kolben 42 über die Ränder A und B drehen, bewegen sie sich ebenfalls, wie bereits beschrieben, auf einer planetarischen Bahn.
Aus den Fig. 1, 2, 3, 4 und 7 geht hervor, dass, wenn der Rotor von TDC nach BDC dreht, die Kolben sich auswärts bewegen, so dass während einem Teil dieses Zyklus Luft durch eine im Stator 26 vorgesehene Aufnahmeöffnung 54 in die Zylinder dringen kann. Der Stator 26 umfasst ebenfalls einen Luftverteiler 56, welcher, wie in Fig. 5 gezeigt ist, frische Luft aus einer Ansaugöffnung erhält.
Von BDC bis TDC bewegen die Kolben 42 sich einwärts und verdichten die Luft bis die verdichtete Luft unmittelbar vor TDC durch eine Öffnung 64 im Stator 26 ausgestoßen wird. Die verdichtete Luft verlässt den Stator 26 durch die Ausgangsöffnung für verdichtete Luft 64 (Fig. 5) und fließt in einen schematisch in Fig. 1 angedeuteten Zwischenkühler 66. Der Zwischenkühler 66 ist von herkömmlicher Bauart und benutzt die Umgebungsluft, um die verdichtete Luft zu kühlen.
Wie in den Fig. 1 und 8 gezeigt ist, erhalten die Kraftzylinder 36 und 38 durch den Luft-Brennstoffsammler 68 im Stator 26 und durch die Öffnungen 72 und 73 verdichtete Luft vom Zwischenkühler 66. Der Brennstoff wird durch einen oder mehrere im Luft-, Brennstoffsammler 68 angeordnete Injektoren 74 in die verdichtete Luft gespritzt.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird die Zündung durch eine Zündkerze 76 erzeugt, welche sich in einem Flammenrohr 78 im Stator 26 befindet, das sich durch die Öffnungen 72 und 73 bei TDC in die Zylinder 36 und 38 öffnet.
In den Zylindern 36 und 38 sind die sphärischen Kolben 44 und 46 mit ähnlichen Nockenränder C und D bzw. E und F an den Taschen 82 bzw. 84 versehen wie vorher beschrieben.
Von TDC bis BDC findet der Expansionstakt statt, wobei, wie in Fig. 8 gezeigt ist, der Auspuffdurch die Auspufföffnung 86 bis kurz vor TDC erfolgt. Die Auspuffprodukte werden durch den Auspuffsammler 88 und die Auspufföffnung 92 in das Auspuffsystem 94 ausgestossen. Eine auf der Auspufföffnung geschraubte Mutter 95 befestigt die Platte 95a mit den Ansaugöffnungen 58.
Wie sich auch aus Fig. 6 ergibt, strömt das Gas, das aus den Kolben 42, 44 und 46 entweicht in eine Ringkammer 96 und durch eine Rückführöffnung 98 in den Luftverteiler 56 für eine Wiederbenutzung. Die sphärischen Kolben und die Zylinder sind mit einem Spiel entworfen um Leckage zu ermöglichen und Reibungen zu minimisieren.
Der größte Flächenkontakt befindet sich zwischen der Innenfläche des Rotors 28 und der Außenfläche des Stators 26. Die Querschnittsfläche von jedem Zylinder, z. B. Zylinder 34 oberhalb des sphärischen Bereiches 34b ist das Zweifache der Querschnittsfläche beim Hals 34c. Hierdurch entsteht ein Ausgleich der Kräfte zwischen dem Rotor 28 und dem Stator 26 und eine weitere Verminderung der Reibungen.
Während dem Betrieb des Motors 10 üben die Kraftzylinder 36 und 38, welche die sphärischen Kolben 44 bzw. 46 enthalten, wie bereits beschrieben, während der Expansion eine Kraft auf die jeweiligen Nockenränder C, D bzw. E, F aus und zwingen den Rotor zu drehen und die Kraft über die Welle 32 zu übertragen und die Luft in den Zylindern 34 zu verdichten.
Diese einzigartige Nockenkonstruktion ermöglicht es den Kolben während 180º kinetische Rotationenergie zwischen TDC und BDC aufzubauen, wenn die Kontaktpunkte auf jeder Kugel auseinandergehen ähnlich wie bei einem Yo-Yo-Spiel. Diese kinetische Energie wird dann benutzt, um den Kolben zu helfen, während den nächsten 180º sich nach innen gegen die Zentrifugalkraft zu bewegen. Die mechanische Gestaltung der Maschine führt auf natürliche Weise zu einem sanften Betrieb. Durch das Wegfallen der Kurbelwelle und der Kolbenstangen werden die durch ihre Bewegungen erzeugten Schwingungen eliminiert.
Da der mit Öffnungen versehene Stator für das Ansaugen der Ladung und als Auspuffsammler benutzt wird, kann die Maschine im Viertakt ohne Einlass- und Auslaßventile betrieben werden. Die Dichtung zwischen dem Rotor und dem Stator wird dadurch aufrecht erhalten, dass das Spiel beherrscht wird und dass ein Zylindergegenbohrungsquerschnitt (d. h. Hals 34c) gewählt wird der wie oben beschrieben die Hälfte des Zylinderquerschnittes beträgt. Das Ziel ist ein Gleichgewichtszustand an der Zwischenfläche zwischen dem Rotor und dem Stator zu erreichen.
Das Resultat ist, dass unter allen Betriebsbedingungen, positive oder negative Zylinderdrücke, die Kraft des Rotors auf den Stator ausgeglichen ist, so dass der Verschleiß zwischen dem Rotor und dem Stator vermindert wird.
Obschon nur einige bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass zahlreiche Varianten der Erfindung im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche möglich sind.

Claims

1. Drehbare Brennkraftmaschine mit einem stationären Gehäuse (12), einem drehbaren zylindrischen Mittel (28) mit einer kreisrunden Wand (30) im Gehäuse (12), einem stationären Kern (26) im Gehäuse (12) der von der kreisrunden Wand (30) des drehbaren zylindrischen Mittels (28) eingeschlossen ist, wobei der stationäre Kern (26) Arbeitsfluidum Zufuhr- Beförder- und Ausstoßmittel aufweist, so wie eine mit dem drehbaren zylindrischen Mittel (28) verbundene Welle (32), um Abgabekraft der Maschine zu liefern, wobei die kreisrunde Wand (30) wenigstens zwei Reihen sich radial erstreckende runde Durchgänge aufweist, welche die Kompressions- bzw. die Kraftzylinder (34, 36) bilden und welche entlang der Drehachse voneinander getrennt sind, wobei jeder dieser Zylinder (34), (36) sich über die volle Wanddicke (30) erstreckt und einen sphärischen frei drehbaren und hin- und herbeweg-baren Kolben (42), (44) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine stationäre Nockenfläche aufweist mit einer ringförmigen Piste (52), welche durch ein Paar getrennte im Gehäuse (12) gebildete Ränder (AB) (CD) gebildet wird und welche jede Reihe Zylinder (34), (36) umgibt, daß die ringförmige Piste (52) eine mit der Drehachse des drehbaren zylindrischen Mittels (28) übereinstimmende Achse (X) hat, daß jedes Paar Ränder (AB) (CD) mit jedem Kolben (42, 44) in seiner jeweiligen Reihe in Kontakt ist und daß der Abstand der Ränder (AB) (CD) sich ändert, um eine gleichförmige Rollbewegung eines jeden Kolbens entlang der ringförmigen Bahn, so wie eine konstante relative Hin- und Herbewegung in jedem Zylinder (34), (36) zu erzeugen.

2. Drehbare Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Rändern (AB) (CD) sich über 360º Drehung ändert und daß die Piste (52) im Gehäuse (12), um jede Reihe der Zylinder (34, 36) gebildet ist.

3. Drehbare Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder (34, 36) sich verjüngt, um einen kreisrunden Hals (34c, 36c) von reduziertem Durchmesser zu bilden, der mit dem stationären Kern (26) in Verbindung ist.

4. Drehbare Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittfläche von jedem Zylinder (34, 36) ungefähr das Zweifache der Querschnittsfläche des Halses (34c, 36c) ist.

5. Drehbare Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (42, 44) so in den Zylindern (34, 36) bemessen sind, daß Gas um die Kolben entweichen kann und daß Mitteln vorgesehen sind, um die so entwichenen Gase in die in die Kompressionszylinder einfließende Aufnahmeluft zurückzuführen.

6. Drehbare Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Mittel (74), um Brennstoff in die verdichtete Luft zu spritzen und während einem Teil des Drehzyklus zwecks Verbrennung und Expansion in den Kraftzylindern in die Kraftzylinder (36) zu befördern und durch Mittel, um die Expansionsprodukte während einem anderen Teil des Drehzyklus aus den Kraftzylindern (36) zu entfernen.

7. Drehbare Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Kern (26) Mittel aufweist (76), um die Brennstoff enthaltende verdichtete Luft, welche in die Kraftzylinder (36) befördert wird, zu zünden.

8. Drehbare Maschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Mittel (66), um die in die Kraftzylinder (36) fließende verdichtete Luft zu kühlen.