-
Die Erfindung bezieht sich auf Rotationskolbenmotoren.
Die Erfindung bezieht sich auch auf Rotationsverdrängervorrichtungen,
zum Beispiel auf Flüssigkeitspumpen
und Maschinen, die einen toroidalen Zylinder für die Arbeitskammern verwenden.
-
Verbrennungsmotoren dieser Art, Motoren
mit hydraulischem Antrieb, Flüssigkeitspumpen
und Kraftmaschinen mit Wärmezufuhr
von außen,
werden in der Folge insgesamt als Toroidmaschinen bezeichnet. Aus Gründen der
Anschaulichkeit wird die vorliegende Erfindung in der Folge jedoch
beispielhaft unter Bezugnahme auf ihre Anwendung bei Verbrennungsmotoren
beschrieben.
-
Zahlreiche Arten von Umlaufmotoren
wurden in Betracht gezogen und gefertigt. Meistens wurden sie als
ein Mittel vorgeschlagen, um die Nachteile zu verringern, die den
herkömmlichen
Maschinen mit Hubkolbenmotor innewohnen, und/oder mit dem Ziel,
einen kompakten Motor mit geringem Gewicht bereitzustellen, der
wirtschaftlich gefertigt werden kann und der in bezug auf den Kraftstoffverbrauch
wirtschaftlich ist. Bis heute wurden diese jedoch nicht kommerzialisiert.
Die einzigen Verbrennungsmotoren, die in der Massenproduktion hergestellt
werden, sind der Wankelmotor und der herkömmliche Hubkolbenmotor.
-
Herkömmliche Kolbenpumpen und Kolbenmotoren
werden überall
eingesetzt, wegen ihrer effizienten und einfachen Umwandlung einer
hin und hergehenden Bewegung der Kolben in eine Rotationsbewegung über eine
Kurbelwelle. Herkömmliche
Rotationskolbenmotoren weisen jedoch wegen der Vielzahl beweglicher Teile
durch Reibung verursachte Einschränkungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs
auf. Diese beweglichen Teile schließen im allgemeinen die Lagerzapfen
mit ein, bei denen die Reibung mit der Rotationsgeschwindigkeit
und der Anzahl der Lager zunimmt, die Kolbenringe, die wegen der
großen
Anzahl von Kolbenringen an jedem Kolben Reibung verursachen und
den Ventilsteuermechanismus, bei dem zahlreiche Komponenten als
ein zusammengesetztes System arbeiten, die alle einen wesentlichen
Beitrag zu den Reibungsverlusten der Maschine insgesamt beisteuern.
-
Zusätzlich wird der thermische
Wirkungsgrad von Rotationskolbenmotoren durch die Bemessung der mechanischen
Bauteile, die eingesetzten Werkstoffe, die Betriebsweise und die
Verwendung eines gemeinsamen Zylinderteils für alle Taktphasen verringert.
Es gibt zwar hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs wirtschaftliche
Rotationskolbenmotoren nach dem Stand der Technik, diese stellen
jedoch höchst
komplexe Einheiten dar. Diese Komplexität erhöht die Fertigungs- und Montagekosten.
-
Der Wankelmotor ist in Motorfahrzeugen
wegen seines hohen Leistungspotentials eingesetzt worden. Aus den
unterschiedlichsten Gründen
wurde er jedoch nicht für
den allgemeinen Gebrauch als Ersatz für herkömmliche Kolbenmotoren eingesetzt,
wie bei Nahverkehrsmitteln oder in der Massenfertigung hergestellten, leichten
Motoren für
industrielle Anwendung.
-
Andere Formen von Umlaufmotoren wurden
ebenfalls vorgeschlagen. Diese schließen toroidale Motoren ein,
die einen toroidalen Zylinder aufweisen, der im Zylindergehäuse um eine
Antriebswellenanordnung herum ausgebildet ist, Rotormittel, die
so gelagert werden, daß sie
um die Antriebswellenanordnung rotieren und die mit Kolben in dem
toroidal geformten Zylinder verbunden sind, wobei sich die Kolben
zylindrisch aufeinander zu und voneinander weg bewegen, wobei sie
dazwischen innerhalb des toroidalen Zylinders sich ausdehnende und
sich verkleinernde Arbeitskammern bilden, und Einlaß- und Auslaßöffnungen
sich durch die Zylindergehäuseanordnung
erstrecken, für
den Eintritt und den Austritt von Fluid in die Arbeitskammern hinein, beziehungsweise
aus diesen heraus.
-
Typische Arten toroidaler Motoren
nach dem Stand der Technik werden beschrieben in „THE WANKEL ENGINE
DESIGN DEVELOPMENT APPLICATIONS",
von Jan P. Norbye, herausgegeben von der Chilton Book Company. In
dem französischen
Patent 2498248 von Societe Natonale D'Etude et de Construction de Moteurs
D'Aviation, Snecma
und dem deutschen Patent 3521593 von Gebhard Hauser, werden ebenfalls
toroidale Motoren nach dem Stand der Technik anschaulich dargestellt.
Bei einigen dieser Motoren werden äußere Mechanismen verwendet,
um die zyklische Bewegung der Kolben zu beeinflussen, die sich im
Zylinder bewegen, während
bei anderen Taumelscheiben und Nocken und ähnliches im Kraftübertragungsweg
verwendet werden, um die gewünschte
mechanische Kopplung der Antriebselemente zu erreichen.
-
Für
die Zwecke der Massenfertigung ist zu berücksichtigen, daß der beschriebene
Stand der Technik Nachteile aufweist, entweder infolge ineffizienter
Konfigurationen, soweit die Funktion betroffen ist, oder die Fähigkeit,
unter normalen Belastungsbedingungen zufriedenstellend zu arbeiten,
zum Beispiel bei optimaler Leistungsabgabe im Dauerbetrieb. Viele
der Vorschläge
nach dem Stand der Technik erfordern auch komplizierte Fertigungs-
oder Montageverfahren, ihre Abdichtung ist schwierig, sie sind übermäßig kompliziert
oder arbeiten unwirtschaftlich.
-
Die vorliegende Erfindung hat das
Ziel, toroidale Maschinen bereitzustellen, die mindestens einen
der oben beschriebenen Nachteile mindern.
-
Im Hinblick auf die zuvor beschriebenen
Sachverhalte beruht die Erfindung in einem Aspekt grundlegend auf
Rotationsverdrängervorrichtungen
gemäß Anspruch
1.
-
Die Antriebswelle kann sich in die
gleiche Richtung wie die Rotoranordnungen drehen, für die meisten Anwendungen
bei Verbrennungsmotoren zieht man es jedoch vor, daß die Antriebswelle
gezwungen wird, sich in die entgegengesetzte Richtung relativ zu
den Rotoranordnungen zu drehen, wobei die Rotationsgeschwindigkeit
der Rotoranordnungen relativ zur Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle
reduziert werden kann.
-
Die Antriebsmittel zum Drehen des
Planetengliedes um dessen umlaufende Achse können aus einer Kette oder einem
Zahnriemen bestehen, die, beziehungsweise der von einem angetriebenen
Antriebskettenrad/Rillenscheibe, das beziehungsweise die auf dem
Planetenglied konzentrisch mit der umlaufenden Achse montiert ist,
führt und
um ein Antriebskettenrad oder eine Rillenscheibe, das beziehungsweise
die an der Zylindergehäuseanordnung
montiert ist. Alternativ kann das Antriebsmittel aus einem Planetenrad
bestehen, das an dem Planetenglied montiert ist und das intern oder
extern oder indirekt über
einen Getriebezug in ein Sonnenrad beziehungsweise einen Zahnring
eingreift, das beziehungsweise der an der Zylindergehäuseanordnung
befestigt ist. So kann das Planetenglied mit einem Planetenrad umlaufen,
das von einem feststehenden Sonnenrad angetrieben wird, das zur
Antriebswelle koaxial liegt, so daß es sich in dieselbe Richtung
dreht, wie die Rotoranordnungen.
-
In der bevorzugten Form rotiert das
Planetenglied mit einem Planetenrad, das von einen Zahnring angetrieben
wird, der zur Antriebswelle koaxial liegt, wobei die Antriebswelle
sich relativ zu den Rotoranordnungen in die entgegengesetzte Richtung
dreht.
-
Das Planetenglied kann die Form eines
gelappten Bauteils haben, das gezwungen wird, eine epizyklische
Bewegung in Bezug auf die Achse der Antriebswelle auszuführen und
das direkt mit den komplementären
Lappen zusammenwirkt, die der Zylindergehäuseanordnung zugeordnet sind.
Zum Beispiel kann in einer Version mit acht Kolben das Planetenglied
von einem sechsbogigen Bauteil gebildet werden, das extern mit einem
achtbogigen Gehäuseteil
kämmt.
-
Die Antriebswelle ragt durch die
Rotoranordnung und ist, in Lagern drehbar, in der Zylindergehäuseanordnung
an gegenüberliegenden
Seiten der Rotoranordnung montiert. Das Planetenglied kann zur Rotation um
die Achse der Antriebswelle gezwungen werden, indem es auf einer
Spur aufliegt, die in der Lageranordnung ausgebildet ist und sich über die
Antriebswelle erstreckt oder an einem Einbau in der Art einer Kurbelwelle,
der sich um die Achse der Antriebswelle drehen kann. Vorzugsweise
hat die Antriebswelle jedoch die Form einer Kurbelwelle, die den
Kurbelzapfen zwischen seinen Befestigungsstellen in der Zylindergehäuseanordnung
formt, und das Planetenglied wird von dem versetzten Kurbelzapfen
getragen. Darüber
hinaus wird die Kurbelwelle vorzugsweise mit einem schwimmend gelagerten Übergangszapfen
versehen, an dem die Rotoranordnungen montiert werden.
-
Weiterhin wird die Verbindung zum
direkten Antrieb vorzugsweise von einem Antriebszapfen gebildet, der
starr entweder an dem Planetenglied oder der anderen Rotoranordnung
angeordnet ist und der in der anderen gleiten kann, um die epizyklische
Bewegung des Planetengliedes zu ermöglichen, wodurch die Lastübertragung
zwischen dem starr angeordneten Antriebszapfen und entweder dem
Planetenglied oder jeder Rotoranordnung bewirkt wird, indem die
Kräfte
in einem im Wesentlichen geraden Kraftweg durch dessen verschiebbare
Verbindung damit bewirkt wird. Das heißt die Kraftübertragung
wird bewirkt, ohne daß ein
dazwischen angeordnetes Verbindungsglied oder ein Mechanismus erforderlich
ist und kann somit robuster, einfacher, kompakter und zuverlässiger sein.
Darüber
hinaus ermöglicht
es der direkte Antrieb, alle mechanischen Übertragungsmittel ins Innere
des toroidalen Zylinders zu verlegen, dessen Durchmesser durch sensible
Beziehungen und die Kapazität
des Motors beschränkt
ist, ohne Opfer hinsichtlich der Festigkeit und der Dauerhaftigkeit
zu machen.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung hat das Planetenglied die Form eines Antriebsjoches,
das um den Kurbelzapfen rotieren kann und das Gleitvorrichtungen
mit geringer Reibung aufweist, die sich daran befinden und von dem
Kurbelzapfen wegragen und direkt im Eingriff mit dem Antriebszapfen
sind, wobei die Kraftübertragung
zwischen dem Antriebszapfen und dem Planetenglied auf einem im wesentlichen
geraden Kraftweg erfolgt, über
dessen verschiebbaren Eingriff in das Planetenglied.
-
Die Gleitvorrichtungen könnten einen
nichtlinearen Gleitweg bereitstellen, falls dies gewünscht wird, aber
vorzugsweise erstreckt sich die Gleitvorrichtung radial vom Kurbelzapfen
weg. Die Gleitvorrichtung umfaßt
zweckmäßigerweise
einen sich radial erstreckenden Schlitz im Antriebsjoch und einen
Gleitblock, der am Schlitz entlang frei verschiebbar ist und der
einen sich axial erstreckenden Antriebszapfen aufweist, der mit
der anderen Rotoreinrichtung im Eingriff ist. Vorzugsweise sitzt
der Gleitblock innerhalb eines Schlitzes, der ein teilweise kreisförmiges Profil
hat, wobei er in dem Schlitz festgehalten wird, und in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
wird der Gleitblock aus einem Werkstoff hergestellt, der eine geringe
Reibung aufweist, zum Beispiel aus einem keramischem Werkstoff.
Falls dies gewünscht
wird, kann der Antriebszapfen direkt in einen rechteckig unterteilten
Schlitz oder eine Aussparung eingreifen. Zusätzlich könnte der Antriebszapfen einen integralen
Bestandteil des Gleitblocks und/oder der Rotoranordnung bilden,
aber zweckmäßigerweise
ist der Antriebszapfen ein separater Zapfen, der drehbar von dem
Gleitblock und der Rotoranordnung aufgenommen wird.
-
Eine der Rotoranordnungen kann mit
der Antriebswelle gekoppelt werden, damit sie mit einer konstanten
relativen Winkelgeschwindigkeit so rotieren kann, daß nur die
andere Rotoranordnung relativ zu diesem einen Rotor oszilliert,
um die sich verändernde
Arbeitskammer zu bilden. Vorzugsweise werden jedoch beide Rotoranordnungen
mit der Antriebswelle auf korrespondierende Art und Weise gekuppelt.
-
In einem Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung
werden die Kolben an den entsprechenden Rotoranordnungen vorzugsweise
alternativ als aktive und reaktive Kolben betrieben. Um identische
dynamische Belastungswerte für
jede Rotoranordnung zu erreichen, wenn diese sich in ihrer entsprechenden
aktiven oder reaktiven Phase befindet, wird jedes Antriebsjoch vorzugsweise
so ausgebildet, daß es über Gleitmittel
verfügt,
die radial von gegenüberliegenden
Seiten des Kurbelzapfens wegragen und der entsprechende Kurbelzapfen
mit einer entsprechenden Rotoranordnung in Eingriff ist. Dies hat
zur Folge, daß infolge
der unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeit der sich gegenüberliegenden
Antriebszapfen die aktiven Kolben sich zyklisch von den reaktiven
Kolben während
eines Ansaugtaktes oder Arbeitstaktes weg und gleichzeitig zyklisch während eines
Verdichtungs- oder Auspufftaktes, zu den reaktiven Kolben hin bewegen.
-
Darüber hinaus hat die Anordnung
der Kupplungsmittel auf eine Weise, daß die gekoppelten Rotoren identisch
und gegenphasig angetrieben werden, den Vorteil, daß die Trägheitskräfte der
Bauteile ausbalanciert werden und die Gleichwertigkeit der physikalischen
Kennwerte für
alle Taktphasen aufrechterhalten wird. Dies wird zusätzlich unterstützt durch
das resultierende, nahezu sinusförmige
Oszillieren der Rotoren. Um eine robustere Maschine bereitzustellen,
können
die Antriebszapfen durch die Rotoranordnungen hindurchragen, um sie
direkt mit den entsprechenden Antriebsjochen zu koppeln, die an
den gegenüberliegenden
Seiten der Rotoranordnungen montiert sind.
-
Zweckmäßigerweise bilden die Gehäuseteile
jeweils einen komplementären
Seitenteil des toroidalen Gehäuses
und einen entsprechenden Teil der ringförmigen Zugangsöffnung dazu.
Diese Zugangsöffnung kann
jedoch auch in einem Gehäuseteil
ausgeformt werden, falls dies gewünscht wird.
-
Die Anzahl der Kolben für jeden
Rotor der Rotationsverdrängervorrichtungen
kann schwanken, mit einer Mindestanzahl von einem Kolben je Rotor.
Der Motor kann als Zweitakt- oder Viertaktmotor betrieben werden.
Vorzugsweise verfügt
jedes Rotorpaar über
mindestens die Anzahl von Kolben, die der Anzahl der Takte des Motortyps
entspricht, bei einer Zunahme der Kolbenanzahl in Vielfachen davon,
für jedes
Paar von Rotoren. Das heißt,
bei einem Zweitaktmotor kann die Gesamtanzahl der Kolben 2, 4, 6, 8 und
so weiter betragen, wogegen bei einem Viertaktmotor die Gesamtanzahl
der Kolben 4, 8, 12, 16 und
sö weiter
betragen kann. Es wird weiterhin als zweckmäßig erachtet, daß die Einlaß- und die
Auslaßöffnungen
für jede
bevorzugte Mindestanzahl von Kolben je Maschinentyp eine Eintrittsöffnung und
eine Auslaßöffnung umfaßt. Zweckmäßigerweise
werden die Kolben an jeder Rotoranordnung in gleichen Abständen um
den äußeren Teil
der entsprechenden Rotoren herum angeordnet.
-
Es wird weiterhin als zweckmäßig erachtet,
daß der
Motor im Viertaktbetrieb arbeitet, wobei die Rotoranordnungen in
Gegenrichtung zur Kurbelwelle angetrieben werden, mit einer durchschnittlichen
Drehzahl, die einem Drittel davon entspricht, daß jeder Rotor einen Rotorkörper aufweist,
der in die innere Öffnung
des toroidalen Zylinders hineinragt und diese abdichtet und daß vier Kolben
in gleichen Abständen
um den äußeren Teil
des Rotorkörpers
herum angeordnet sind und daß die
Einlaßund
Auslaßöffnungen
aus einem Paar diametral gegenüberliegender
Einlaßöffnungen
und einem Paar diametral gegenüberliegender
Auslaßöffnungen bestehen
und daß die
entsprechenden Einlaß-
und Auslaßöffnungen
so angeordnet sind, daß sie
Paare von Öffnungen
bilden, die einander benachbart sind und der Position der Kolben
benachbart sind, wenn diese nebeneinander liegen.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung bestehen die Zugangsmittel aus einer ringförmigen Öffnung um
den Teil der Innenwand des Zylinders, und die Rotoren sind so angeordnet,
daß sie
Seite an Seite nebeneinander liegen und sich in die Öffnung hinein
erstrecken, so daß sie
diese Öffnung
betriebsmäßig abdichten
und ihre entsprechenden Kolben in dem Zylinder unterstützen. Die Öffnungen
und die Rotoren können
um eine Mittelebene herum, welche die toroidale Mittellinie des
Zylinders enthält,
asymmetrisch liegen, vorzugsweise liegen die ringförmige Öffnung und
die Rotoren symmetrisch zur Mittelebene. Die Form des Querschnitts
des toroidalen Gehäuses
ist zweckmäßigerweise
kreisförmig,
kann jedoch quadratisch oder dreieckig oder von anderer Form sein,
falls dies gewünscht
wird.
-
Vorzugsweise werden die Rotoranordnungen
im wesentlichen mittig in der Zylindergehäuseanordnung angeordnet und
drehbar an einem Mittelzapfen einer Kurbelwelle abgestützt, die
an gegenüberliegenden Seiten
des Mittelzapfens in einer Reihe liegende Kurbelzapfen aufweist,
um voneinander im Abstand angeordnete Paare ausgerichteter Planetenglieder
abzustützen,
und die Rotoranordnungen stützen
entsprechende Antriebszapfen ab, die sich von gegenüberliegenden
Seiten der Rotoranordnung weg, durch die benachbarte Rotoranordnung
zu jedem Planetenglied erstrecken. In dem Ausführungsbeispiel, das vier Kolben
je Rotor aufweist, können
identische aber entgegengesetzte Rotoren verwendet werden, deren
Antriebszapfen einen Versatz von 22,5 Grad zu einer Linie aufweisen,
die sich zwischen entgegengesetzten Kolben erstreckt. Die radiale
Position der Antriebszapfen kann ebenfalls variiert werden, um Veränderungen
in den relativen Bewegungen der Kolben der entsprechenden Rotoranordnungen
zu erreichen.
-
Das Öffnen der Einlaß- und Auslaßöffnungen
kann mit Hilfe von Tellerventilen oder etwas ähnlichem zeitlich gesteuert
werden, vorzugsweise werden die Einlaß- und Auslaßöffnungen
jedoch in der Zylinderwand ausgebildet und werden zeitlich gesteuert
durch die Länge
ihrer Krümmung, welche
die ausgewählte
Verbindung mit den Arbeitskammern bereitstellt. Die Öffnungen
könnten
in einem Gehäuseteil
ausgebildet, werden, vorzugsweise werden die Einlaßöffnungen
jedoch in einem Gehäuseteil
und die Auslaflöffnungen
in dem anderen Gehäuseteil
ausgebildet. Zweckmäßigerweise
treten die Öffnungen
an gegenüberliegenden
Seitenwänden
des toroidalen Zylinders aus, sie könnten jedoch in einem beliebigen
Winkel oder radial, entweder von einer oder von beiden Zylindergehäuseanordnungen
austreten, falls dies gewünscht
wird, so daß es
möglich
ist, Bänke
derartiger Anordnungen nebeneinander zu stapeln, um einen Motor
zu schaffen, der eine Vielzahl toroidaler Zylinder aufweist, die
um eine gemeinsame Kurbelwellenanordnung angeordnet sind.
-
Vorzugsweise wird in einem Motor,
der für
Einsatzfälle
bei geringer Drehzahl und mit großem Drehmoment geeignet ist,
zum Beispiel für
den Antrieb eines Nahverkehrsfahrzeuges, der Motor so ausgebildet,
daß das
Bohrungs-Hub-Verhältnis
in der Gröflenordnung
von eins zu drei oder eins zu vier liegt, so daß im Verbrennungs/Arbeitsprozeß die Leistungsentnahme
verbessert und Energieverluste minimiert werden. Zweckmäßigerweise
wird dies mit einem Motor erreicht, der einen Innendurchmesser des
Zylinders im Bereich von einem Viertel oder einem Drittel des toroidalen
Radius' hat. Zweckmäßigerweise
liegt der toroidale Radius zwischen dem Sechs- bis Zehnfachen des
Weges des Kurbelzapfens, und der Antriebszapfen ist gegen die Kurbelwellenachse
um einen Betrag versetzt, der zwischen dem Drei- und Fünffachen
des Weges des Kurbelzapfens liegt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das vier Kolben je Rotor aufweist, haben die Antriebszapfen
zur Achse der Kurbelwelle einen Abstand, der das Vierfache des Abstandes
des Kurbelzapfens davon beträgt,
und die toroidale Achse weist zur Achse der Kurbelwelle einen Abstand
auf, der das Achtfache des Abstandes des Kurbelzapfens davon beträgt.
-
Alternativ kann ein Motor für Anwendungen
bei hoher Drehzahl, der zum Beispiel über 12 oder 16 Kolben für jedes
Rotorpaar verfügt,
mit einem Bohrungs-Hub-Verhältnis
in der Größenordnung
von eins zu eins oder eins zu zwei ausgebildet werden.
-
In einem toroidalen Verbrennungsmotor,
der für
den Antrieb eines mittelgroßen
Wagens bei angenehmer Fahrt auf der Autobahn geeignet ist, zieht
man es vor, bei 100 kph die mittlere Kolbengeschwindigkeit in der
Größenordnung
von 1100 fpm zu halten, was für
einem Motor mit einem Radius der toroidalen Mittellinie zwischen
150 mm und 200 mm zu einer Drehzahl der Rotoranordnungen von etwa
300 Umin–1führt.
-
Dies wird vorzugsweise durch konfigurieren
des Motors erreicht, wobei die Antriebswelle dreimal schneller als
die Rotoranordnungen, das heißt,
mit etwa 900 Umin–1 rotiert. Diese Drehzahl
der Abtriebswelle wird eingestellt, indem ein endgültiges Antriebsverhältnis von
1 : 1 verwendet wird. Für
kleinere Fahrzeuge wird es ähnliche
Verhältnisse
geben. Das heißt,
kleinere Raddurchmesser werden mit kleineren toroidalen Zylindern
korrelieren, mit Rotoranordnungen, die mit höheren Drehzahlen rotieren,
bei der selben Kolbengeschwindigkeit.
-
Vorzugsweise wird die Antriebswelle
als eine Kurbelwelle ausgebildet, wobei die Kupplungsmittel ein drehbares
Antriebsjoch einschließen,
das mit einem Planetenrad um eine Kurbelzapfenanordnung der Kurbelwelle
rotieren kann, wobei ein Planetenrad mit einem inneren Zahnring
kämmt,
der konzentrisch mit der Antriebswelle in der Nachbarschaft des
Gehäuseteils
befestigt ist. Das Antriebsjoch kann einen sich in radialer Richtung
erstreckenden Schlitz umfassen, in den ein Gleitblock eingepaßt wird,
bevor das Antriebsjoch auf der Antriebswelle montiert wird. Bei
dieser Anordnung ist der Gleitblock zweckmäßigerweise mit einem Antriebszapfen
verbunden, der sich in Montagerichtung erstreckt und in eine Rotoranordnung
eingreift.
-
Weiterhin wird zur Vereinfachung
der Montage durch Hinzufügen
von Komponenten in Montagerichtung das Antriebsjoch vorzugsweise
von einem Planetenrad angetrieben, das an dem Antriebsjoch befestigt ist,
so daß es
mit diesem rotieren kann und mit einem Zahnring kämmt, der
an dem Gehäuse
angebracht ist, wobei dessen Achse koaxial zur Antriebswelle liegt.
-
Vorzugsweise weist der Verbrennungsmotor
ein Zweitplanetenglied auf, das an einem weiteren, in einer Reihe
liegenden Kurbelzapfen an der gegenüberliegenden Seite der Rotoranordnungen
montiert ist, und Kupplungsmittel, die das Zweitplanetenglied mit
den Rotoranordnungen kuppeln. Weiterhin ist bei dem Verbrennungsmotor
das Zylindergehäuse
vorzugsweise als geteiltes Gehäuse
ausgebildet, das entlang der Mittelebene, in der die toroidale Mittellinie
der Zylinder liegt, geteilt ist, so daß es gegeneinander gerichtete
Gehäuseteile
bildet, die mit Abstand zueinander entlang eines inneren Teils der
Zylindergehäuseanordnung
angeordnet sind, so daß sie
die ringförmige
Zugangsöffnung
bilden, die Planetenglieder werden mit Abstand zueinander an entsprechenden
koaxialen Kurbelzapfen abgestützt,
so daß sie
um diese rotieren können,
und Kupplungsmittel, die entsprechende Gleitmittel einschließen, die
den Planetengliedern zugeordnet sind, die diametral gegenüberliegende
Gleitbahnen aufweisen, die mit den entsprechenden Antriebszapfenanordnungen in
Eingriff sind, die sich parallel zur Kurbelwellenachse und von gegenüberliegenden
Seiten einer jeden Rotoranordnung zu jedem Planetenglied erstrecken.
-
Um die vorliegende Erfindung besser
zu verstehen und in die Praxis umzusetzen, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen
bezug genommen, die mit Bezugszahlen gekennzeichnet sind. Die Zeichnungen
stellen wassergekühlte,
Benzin-Verbrennungsmotoren mit Funkenzündung dar, dabei sind:
-
1 und 2 entsprechende Ansichten
der Vorder- und der Rückseite
des Motors;
-
3 ein
Querschnitt in Längsrichtung
der Zylindergehäuseanordnung;
-
4 eine
auseinandergezogene Darstellung der Kurbelwellenanordnung;
-
5 eine
Seitenansicht eines Rotors mit Kolben;
-
6 stellt
eine Seitenansicht gegenüberliegender
Rotoren mit Kolben in betriebsmäßiger Beziehung anschaulich
dar, dabei sind die Rotoren aus Gründen der Klarheit unterschiedlich
schraffiert;
-
7 stellt
End- und Seitenansichten des Antriebszapfens und der Lagerblöcke dar;
-
8 ist
ein Querschnitt einer Rotoranordnung mit Antriebszapfen und Lagerblöcken;
-
9 sind
Seitenansichten, Draufsichten und Seitenansichten eines Planetengliedes;
-
10 zeigt
im Abstand angeordnete Planetenglieder, die einen Antriebszapfen
und Lagerblöcke
abstützen;
-
11 stellt
die Verbindung zwischen dem Planetenglied und dem Zahnring anschaulich
dar;
-
12 ist
eine vergrößerte Darstellung,
welche die Dichtungsanordnungen der Rotoranordnungen in den Zylindergehäusen zeigt;
-
13 ist
eine Darstellung des Querschnitts in Längsrichtung der montierten
Motorkomponenten;
-
14 umfaßt sechs
Zeichnungsblätter,
die eine sequentielle Darstellung der Arbeitskammern des oben genannten
Motors im Verlaufe eines Maschinentaktes zeigen;
-
15 stellt
einen alternativen Antriebszapfen dar, der ein kugelförmiges Lager
aufweist und der in die Rotoranordnung eingepaßt ist;
-
16 stellt
zwei gekoppelte Rotoranordnungen für den Motor mit einem einzigen
Planetenglied oder einen leichten Motor für industrielle Anwendung mit
zugehörigem
Antriebszapfen und Lagerblöcken
dar;
-
17 ist
eine Querschnittsdarstellung des leichten Motors für industrielle
Anwendung oder eines Motors mit Einzelmechanismus;
-
18 ist
eine Vorderansicht des leichten Motors für industrielle Anwendung oder
Motors mit Einzelmechanismus;
-
19 ist
ein Querschnitt eines Zweizylindermotors, wobei das hintere Rotorpaar
auf der Zeichnung zum Zwecke der Demonstration um 90 Grad phasenversetzt
ist.
-
Wie dies auf 1 dargestellt ist, weist der vordere
Zylindergehäuseteil 22 des
Motors 20 zwei Einlaßöffnungen 24,
zwei Zündkerzen 25,
die in zwei Zündkerzenaufnahmen 26 montiert
sind, eine Reihe radialer Verstärkungsrippen 27 und
eine vordere Kurbelwellenschwungmassenabdeckung 28 (schraffiert)
auf. Der vordere Zylindergehäuseteil 22 ist
mit dem hinteren Zylindergehäuseteil 23 mit
einer Reihe über
den Umfang verteilter Bolzen 29 verschraubt (2). Der vordere Zylindergehäuseteil 22 weist
auch Vorkehrungen auf, für eine
integrierte Ölpumpe 30,
die über
eine Kurbelwellen-Rillenscheibe 31 und
einen Zahnriemen 32 angetrieben wird. Die Ölpumpe 30 wird über einen Öltunnel 33 aus
der unteren Ölwanne 34 versorgt
und das Öl
in der unteren Ölwanne 34 kann
durch das Spundloch 35 abgelassen werden. Ein Spundloch 36 für den Kühlmittelablauf
ist an der tiefsten Stelle des Kühlmantels
angeordnet.
-
Wie dies auf 2 dargestellt ist, weist der hintere
Zylindergehäuseteil 23 des
Motors 20 zwei Auslaßöffnungen 37 und
eine Montagemöglichkeit
für eine
Gehäuseglocke 38 auf,
um die gewünschten
angetriebenen Bauteile daran zu befestigen. Ein Schwungrad 39 (schraffiert)
ist dargestellt, wie es an der Kurbelwellenanordnung 40 angeschraubt
ist.
-
Wie dies auf 3 dargestellt ist, wird die Zylindergehäuseanordnung 21 gebildet,
indem die einander gegenüberliegenden
Gehäuseteile 22 und 23 durch
Bolzen miteinander verschraubt werden. Die Zylindergehäuseanordnung 21 stellt
einen toroidalen Zylinder 41 und eine ringförmige Öffnung 58 an
seiner Innenseite bereit, der sich ins Innere des Gehäuses 59 öffnet. Die
ringförmige Öffnung 58 ist
symmetrisch um die Ebene ausgebildet, in der die toroidale Mittellinie 60 liegt
und zwischen den einander gegenüberliegenden,
mit Abstand zueinander angeordneten kreisrunden Flächen 61 der
Gehäuseteile 22 und 23.
-
Die Hauptlager 62 und die
inneren seitlichen Druckseiten 63 des Hauptlagers sind
mittig in den vorderen und hinteren Zylindergehäuseteilen 22 und 23 angeordnet,
während
die rotorseitigen Druckseiten 64 an den Seiten der ringförmigen Öffnung 58 angeordnet
sind.
-
Eine Brennkammerabdichtung 65 und
eine weitere Dichtung 66 sind zwischen den Zylindergehäuseteilen 22 und 23 angeordnet.
Die Dichtung 65 ist zwischen dem toroidalen Zylinder 41 und
dem Kühlmantel 42 angeordnet,
um das. Austreten von Verbrennungsgasen zu verhindern, und die Dichtung 66 ist
zwischen dem Kühlmantel 42 und
der Außenseite
des Zylindergehäuses 21 angeordnet,
um am unteren Teil des Motors das Austreten von Kühlmittel
aus dem Motor in die untere Ölwanne
zu verhindern.
-
Der Wassereinlaß 68 ist am oberen
Ende des hinteren Zylindergehäuseteils 23 angeordnet,
während der
Wasserauslaß 69 des
Motors zum Kühler
am oberen Ende des vorderen Zylindergehäuseteils 22 angeordnet
ist. Öl
in der unteren Ölwanne 34 wird über die Ölablaßöffnung 43 abgelassen.
-
Wie dies auf 4 dargestellt ist, setzt sich die Kurbelwellenanordnung 40 aus
einer vielteiligen Einheit zusammen, die aus einer Kurbelwelle 70 mit
zwei Kurbelzapfen 51, zwei zentralen Rotorzapfen 49 und zwei
abnehmbaren Hauptlagerzapfen 44 besteht. Die Kurbelwellenanordnung 40 schließt die vordere
Rillenscheibe 71, das vordere Gegengewicht 72 und
das ausgewuchtete Schwungrad 73 ein. Jeder Hauptlagerzapfen 44 weist
ein versetztes konisches Loch 74 auf, das ihn mit einem
entsprechenden konischen Zentrierzapfen 75 am Ende des
Kurbelzapfens 51 verbindet. Der Hauptlagerzapfen 44 wird
mit einem Schlüssel 76 ausgerichtet,
anschließend
mit einem Haltebolzen 77 an dem konischen Zentrierzapfen 75 arretiert.
Die Hauptlagerzapfen 44 weisen auch Druckseiten 78 auf,
um das Pendeln des Endes der Kurbelwellenanordnung 40 in
der Zylindergehäuseanordnung 21 zu
steuern und Druckseiten 79, um das Pendeln des Endes der
Planetenglieder 50 zu steuern (siehe 9). Die in der Zylindergehäuseanordnung 21 angeordnete
Kurbelwellenanordnung 40 wird von den Hauptlagern 62 abgestützt (siehe 3). Die Ölzufuhr zu den Lagern erfolgt über einen
zentralen Haupttunnel 80 in der Kurbelwelle 70 und über Querbohrungen
zu den Zapfen 44, 49 und 51.
-
Wie dies auf 5 dargestellt ist, verfügt jede
Rotoranordnung 45 über
vier Kolben 47, die vorn und hinten symmetrisch sind und
die an ihrer Basis durch den äußeren Flansch 46 abgestützt werden.
Jeder Rotor 45 enthält
einen Vorsprung 81 des Antriebszapfens, der nach innen
zu dem äußeren Flansch 46 mit
Abstand angeordnet ist und der einen gebogenen Ausschnitt 82 hat,
der diametral entgegengesetzt zu Vorsprung 81 geformt ist.
Der Vorsprung 81 des Antriebszapfens hat einen Versatz
von 22,5 Grad zu der gemeinsamen diametralen Linie 83 eines
gegenüberliegenden
Kolbenpaars, damit die Kolben zueinander passender Rotoranordnungen
in Reihe um den toroidalen Zylinder 41 verschachtelt werden
können
(siehe 3) und um auf der
Lagerfläche 84 der
Lagernabe 85 aufeinander zu und voneinander weg oszillieren
zu können.
Die Masse er Rotoranordnung 45 wird, durch eine Reihe von
Fenstern 86 so gering wie möglich gemacht.
-
Wie dies auf 6 dargestellt ist, nimmt der bogenförmige Ausschnitt 82 im
Rotor 45A den Vorsprung 81 des entsprechenden,
gegenüberliegenden
Rotors 45B auf, wenn er dazu passend ist, wie dies dargestellt ist.
Dieser Ausschnitt 82 ermöglicht es den passenden Rotoren 45,
die aus Gründen
der Klarheit unterschiedlich schraffiert sind, innerhalb der Begrenzungen
des Ausschnitts 82 relativ zueinander zu oszillieren.
-
Wie dies auf 7 dargestellt ist, stützt jeder Antriebszapfen 56 einen
Lagerblock 57 an seinen gegenüberliegenden Enden ab und jeder
Lagerblock 57 weist eine teilweise zylindrische äußere Lagerfläche 87 auf.
-
Wie dies auf 8 dargestellt ist, werden die Kolben 47 an
dem äußeren Flansch 46 der
Rotoranordnung 45 montiert, wobei ihre Zentren in einer
Ebene Liegen, welche die Innenfläche 88 jeder
Rotoranordnung 45 enthält,
wobei sie sich über
die Innenfläche 88 hinaus
erstrecken. Ein entsprechender Antriebszapfen 56 ragt durch
den Vorsprung 81 der Rotoranordnung 45 hindurch
und stützt
einen Lagerblock 57 an seinen beiden Enden ab. Der Antriebszapfen 56 und
die Lagerblöcke 57 fügen sich
mit der Rotoranordnung 45 zusammen und werden zur betriebsmäßigen Rotoranordnung 89.
-
Wie dies auf 9 dargestellt ist, wird das Planetenglied 50 mit
diametral entgegengesetzten Gleitjochen 54 gebildet, die
jeweils gegenüberliegende,
halbzylindrische Gleitflächen
aufweisen, die durch teilrunde Flansche 90 abgestützt werden,
die über
die Lagernabe 91 hinausragen. Die Gleitflächen 55 ragen
nahe der Nabe 91 nach außen und enden an den im Abstand
angeordneten offenen Enden 92 der Gleitjoche 54.
Das Planetenglied 50 weist ein Planetenrad 52 an
seinem äußeren Ende
auf und hat Druckseiten 93 an jedem Ende der Lagernabe 91.
-
10 stellt
den Antriebszapfen 56 dar, der die Planetenglieder 50 über die
Lagerblöcke 57 gleitend in
den Lagerflächen 55 der
entsprechenden Planetenglieder 50 kuppelt. Die teilweise
zylindrischen Lagerflächen 87 der
Lagerblöcke
ermöglichen
die axiale Auslenkung des Antriebszapfens während des Betriebs.
-
11 stellt
die Getriebeantriebsmittel zum Drehen des Planetengliedes 50 um
dessen umlaufende Achse dar, über
das Planetenrad 52 zum Zahnring 53. Es ist einleuchtend,
daß die
umlaufende Achse die Mittellinie des Kurbelzapfens ist, um welche
sich das Planetenglied 50 frei drehen kann.
-
Auf 12 ist
die Abdichtung der Rotoranordnung dargestellt. Die Kolben 47 werden
in dem toroidalen Zylinder mit Hilfe herkömmlicher Kolbenringe 94 abgedichtet,
die sich in den Ringnuten 95 um die entsprechenden Kolben 47 von
den äußeren Flanschen 96A und 96B der
Rotoren 45 erstrecken. Ein Endteil jedes Kolbenringes 94 stößt an eine
Gleitdichtung 97.
-
Vorzugsweise weist die Gleitdichtung 97 eine
zylindrische Form auf, wobei ihre Kontaktfläche gekrümmt ist, in einer Form, die
dem Krümmungsradius
der Außenfläche des
Rotors entspricht und sie ist mit Hilfe einer Feder 100 so
vorgespannt, daß sie
in wischenden Eingriff mit der freiliegenden Kante 99 des
benachbarten Rotors 45 ist.
-
Alternativ ist der Kolbenring 94 so
gestaltet, daß er
die Gleitdichtung 97 bildet, welche in einer Verlängerung 98 der
Kolbenringnut 95 abgestützt
wird, und sie ist so vorgespannt, daß sie in wischenden Eingriff
mit der freiliegenden Kante 99 des benachbarten Rotors 45 ist.
-
Falls dies gewünscht wird, können die
Kolbenringe 94 die Kolben 47 vollständig umschließen, durch Tunnel
hindurch, die sich durch die Rotoren an deren Verbindung mit den
Kolben 47 erstrecken, wobei die Ringe quer über die
freiliegenden Kanten 99 ragen, die in diesem Fall als Fortsetzung
des toroidalen Zylinders 41 gebogen wären.
-
Brennkammerabdichtungen in der Form
kegelstumpfartiger Ringdichtungen 101 erstrecken sich federnd
zwischen den Außenflächen 96A und 96B und
angrenzenden ausgesparten Flächen 102 in
dem Zylindergehäuse 21 und
zwischen den Rotoren selbst, wie dies bei 103 dargestellt
ist, wobei die abgeplatteten Basisteile 104 der Ringdichtungen 101 gegeneinander
wischen. Alternativ können
Brennkammerabdichtung in Form von Ringen in Nuten angeordnet werden,
konzentrisch oder exzentrisch zur Achse der Kurbelwelle in der Zylindergehäuseanordnung 21 und
können
durch Nasen am Rotieren gehindert werden.
-
Zum Zwecke der Abdichtung sind beide
kontaktgebenden Seitenteile der Dichtungen überwiegend -flach ausgeführt, wie
dies dargestellt ist, um die axiale Abdichtung gegen die entsprechenden
Gehäuse-
beziehungsweise Rotorflächen
zu beeinflussen. Ähnliche
Sätze von
Ringdichtungen sind an der Innenseite der oben genannten Brennkammerabdichtung
angeordnet und bilden Öldichtungen 105,
wie dies dargestellt ist. Die Öldichtungen
können
O-Ringe einbeziehen, um das Abdichten zu erleichtern.
-
Die Brennkammerabdichtungen 101 werden über eine
geregelte Ölversorgung
durch Tunnel 106 versorgt, durch die Öl zu den Dichtungen 101 und
zu den Druckseiten 108 des Rotors geleitet wird.
-
Alternativ kann das Öl über eine Öleinspritzung
bereitgestellt werden.
-
13 stellt
den zusammengebauten Motor im Querschnitt dar. Der Motor 20 enthält zwei
gegenüberliegende
Zylindergehäuseteile 22 und 23,
die den toroidalen Zylinder 41 bilden, der teilweise von
dem Kühlmantel 42 umschlossen
wird. Der untere Teil des Zylindergehäuses 21 wird als Ölwanne 34 verwendet.
-
Der Motor 20 enthält eine
Kurbelwellenanordnung 40, die an ihren Hauptlagerzapfen 44 gelagert
ist. Zwei identische aber entgegengesetzt gerichtete Rotoranordnungen 45 werden
mittig zwischen den Zylindergehäuseteilen 22 und 23 von
einer entsprechenden Lagernabe 48 an einem zentrischen
Zapfen 49 der Kurbelwellenanordnung 40 gelagert.
-
Zwei identische aber entgegengesetzt
gerichtete Planetenglieder 50 werden drehbar auf den entsprechenden
Kurbelzapfen 51 der Kurbelwellenanordnung 40 gelagert.
Jedes Planetenglied weist an seiner Außenseite ein eingebautes Planetenrad 52 auf,
das in einem entsprechenden Zahnring 53 kämmt, der
in einer Aussparung in jedem Gehäuseteil 22 und 23 konzentrisch
zur Kurbelwellenachse angeordnet ist.
-
Ein Gleitjoch 54, das als
integraler Bestandteil an der Innenseite des Planetengliedes 50 ausgebildet ist,
mit diametral entgegengesetzten Gleitbahnen 55, steht in
Eingriff mit den entsprechenden Antriebszapfen 56 durch
deren entsprechende Lagerblöcke 57.
Die Antriebszapfen 56 werden in den entsprechenden Rotoren entgegengesetzt
zueinander gerichtet montiert.
-
Die Komponenten werden, wie dargestellt,
so zusammengesetzt, daß die
Aktion, die ein benachbartes Paar von Kolben 47 auseinander
treibt, zum Beispiel bei einem Verbrennungsvorgang, eine Rotation
des Planetengliedes 50 hervorruft und folglich den zwangsläufigen Umlauf
des Planetengliedes 50 um den Zahnring 53. Die
resultierende Umlaufbewegung der auf den Kurbelzapfen 51 gelagerten
Planetenglieder 50 hat eine Rotation der Kurbelwellenanordnung 40 zur
Folge.
-
14 besteht
aus sechs Zeichnungsblättern
und stellt einen vollständigen
Motortakt in Schritten von 33,75 Grad einer Kurbelwellenumdrehung
anschaulich dar. Bei dem dargestellten 8-Kolben-Motor mit vier Kolben
je Rotor erfordert ein vollständiger
Maschinenzyklus, der einem kompletten Durchlauf aller Komponenten von
einem Startzeitpunkt bis zu deren Rückkehr in die Startposition
entspricht, eine Umdrehung der Rotoren, drei Umdrehungen der Kurbelwelle
und erzielt 16 betriebsmäßige Verbrennungs-
und Expansionsprozesse. Die Kolben am Rotor A werden mit „A1" bis „A4" bezeichnet und die
Kolben am Rotor B werden mit „B1" bis „B4" bezeichnet.
-
Während
der ersten 135-Grad-Drehung der Kurbelwelle werden die entsprechenden
gegenüberliegenden
Kolbenpaare des Satzes von vier Kolben A1 bis A4 an einem Rotor
zu aktiven Kolben und sie durchlaufen gleichzeitig die entsprechenden,
entgegengesetzten Ansaug- oder Verdichtungszonen in der toroidalen Kammer.
-
Bei einer Drehung der Kurbelwelle
um 67,5 Grad, dies entspricht einem halben Takt der Kolben, werden
die nacheilenden Stirnflächen
eines Paares entgegengesetzt gerichteter aktiver Kolben A1 und A3
das zündfähige Gemisch
in die dahinter liegenden, sich ausdehnenden Arbeitskammern einleiten,
indem diese sich von den gegenüberliegenden
Einlaßöffnungen
weg ausdehnt, und die voreilenden Stirnflächen dieses Paares entgegengesetzt
gerichteter aktiver Kolben A1 und A3 werden jedes zuvor eingeleitete
zündfähige Gemisch
in den sich bis zum Zündzeitpunkt
zusammenziehenden Arbeitskammern verdichten.
-
Gleichzeitig werden die nacheilenden
Stirnflächen
des anderen Paares entgegengesetzt gerichteter aktiver Kolben A2
und A4 durch die sich ausdehnenden Verbrennungsgase gezwungen, die
Kolben A2 und A4 anzutreiben, indem sie Arbeitskammern bilden, die
sich zu den Abgasöffnungen
hin ausdehnen, wodurch die Maschinenleistung bereitgestellt wird,
und die voreilenden Stirnflächen
dieses Paares entgegengesetzt gerichteter aktiver Kolben A2 und
A4 bilden Arbeitskammern, die sich zu den Abgasöffnungen hin zusammenziehen, und
die in der sich zusammenziehenden Arbeitskammer verbliebenen Verbrennungsgase
des zuvor expandierten zündfähigen Gemisches
durch die Abgasöffnungen
treiben.
-
Während
dieser 135-Grad-Drehung der Kurbelwelle wirken sowohl die voreilenden
als auch die nacheilenden Stirnflächen der Kolben B1 bis B4 als
reaktive Flächen
der Arbeitskammern, in der gleichen Art und Weise, wie die Zylinderverschlußflächen der
Zylinderköpfe
eines herkömmlichen
Hubkolbenmotors.
-
In der nächsten Stufe, dies entspricht
einer Drehung der Kurbelwelle von 135 Grad bis 270 Grad, kehren
sich die Funktionen der entsprechenden Kolbensätze um, und die entsprechenden,
entgegengesetzten Kolbenpaare des Satzes von vier Kolben B1 bis
B4 am Rotor B, werden zu aktiven Kolben und führen gleichzeitig die Funktionen
aus, die zuvor für
die Kolben A1 bis A4 beschrieben wurden, die zu reaktiven Kolben
für die
Arbeitskammern werden.
-
In Tabelle 1 ist im Detail der Modus
der Arbeitskammern aufgeführt,
die zwischen den 16 Arbeitsflächen
der Kolben relativ zur Drehung der Kurbelwelle definiert sind. In
dieser tabellarischen Aufstellung ist auch die relative Drehung
der Rotoren sowie deren entsprechende Winkelgeschwindigkeiten für die in
der Tabelle erfaßten
-
Taktpositionen angegeben.
-
15 zeigt
die alternative Form des Antriebszapfens 110, der ein im
mittleren Teil kugelförmiges
Lager 111 aufweist, das in einer geteilten Buchse 113 untergebracht
ist, so daß geringe
Schwankungen in der Ausrichtung zwischen den Lagerblöcken 112 in
dem entsprechenden Antriebsjoch (nicht dargestellt) aufgenommen
werden können,
ohne bei den Kräften
Ungleichgewichte zu erzeugen, die dem Antriebszapfen 111 zugeführt werden.
Wie dies dargestellt ist, können
die Lagerblöcke 112 so
angepaßt
werden, daß sie
in Schlitzen mit glatten Seitenflächen gleiten können, oder
sie können
teilweise kugelige Blöcke
sein, wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.
-
16 stellt
zwei gekuppelte Rotoranordnungen des Motors mit einem Planetenglied
oder eines leichten Motors für
industrielle Anwendung dar. Die Antriebszapfen 116 sind
von den Rotoranordnungen 118A und 118B ausgekragt,
damit sie in die Lagerblöcke 119 eingreifen.
-
17 stellt
den leichten Motor 114 für industrielle Anwendung dar,
der sich von dem zuvor beschriebenen Motor darin unterscheidet,
daß er
nur ein einziges Planetenglied 115 verwendet, mit Antriebszapfen 116,
die von den Rotoranordnungen 118A und 118B auskragen,
damit sie in die Lagerblöcke 119 eingreifen. Motoren
dieser Art werden typischerweise mit einer abtriebsseitigen Kupplung 120 für hohe Belastungen
ausgerüstet,
um mit den starken Stoßbelastungen
fertig zu werden, die an dieser Kupplung auftreten können. Folglich
ist bei dieser Maschine die Kurbelwelle, die an ihrem Kupplungsende 120 über das
Hauptlager hinausragt, relativ massiv und mit einem Zentrierkragen 124 versehen,
um Hilfsantriebe oder Scheiben zu zentrieren. Die Druckringe 121 der
Kurbelwelle steuern das Pendeln des
-
Endes der Kurbelwellenanordnung.
-
Auf 18 sind
sowohl die Einlaßöffnungen 130 als
auch die Auslaßöffnungen 131 mit
ihrem Durchtritt durch das vordere Zylindergehäuse 133 dargestellt.
In anderer Hinsicht ähnelt
der Motor 114 für
industrielle Anwendung zumeist dem auf den 1 bis 13 dargestellten
Motor.
-
Auf 19 ist
der dargestellte Motor 140 ein toroidaler Zweizylindermotor,
der zwei Bänke
toroidaler Einzylindermotoren enthält, im wesentlichen so, wie
dies auf 17 und 18 dargestellt ist. An der
Kurbelwelle 141 sind die entsprechenden Kurbelzapfen jedoch
um 180 Grad versetzt. Bei. diesem Ausführungsbeispiel sind beide Gehäuse 142 und 143 am
Zylinderende mit Einlaß-
und Auslaßöffnungen
an den entsprechenden Zylindern versehen, wie bei dem Motor für industrielle
Anwendung gemäß 18. Die Öffnungen im hinteren Zylindergehäuse wurden
um die Kurbelwellenachse relativ zum vorderen Gehäuse um 90
Grad gedreht, um eine stärker
eingeebnete Pulsreihe zu formen, um die Unterschiede im Spitzenlastdurchsatz
bei der Leistungsabgabe zu minimieren.
-
-
Aus dem beschriebenen Sachverhalt
ist zu erkennen, daß der
hier beschriebene Motor eine wassergekühlte Version mit Funkenzündung ist,
die nach dem Viertaktprinzip arbeitet, mit Einspritz-, Verdichtungs-, Arbeits-
und Auspufftakt. Jede der acht Arbeitskammern, die sich zwischen
den 16 Arbeitsflächen
erstrecken, die von den acht Kolben geformt werden, durchläuft eine
nach der anderen jeden dieser vier Takte.
-
Für
jeden vollständigen
Maschinentakt, der einer Umdrehung der Rotoren und drei Umdrehungen
der Kurbelwelle entspricht, gibt es 16 Einspritz- und Verdichtungstakte,
die in den entsprechenden kalten Zonen auftreten, und 16 Verbrennungs-
und Auspufftakte, die in klar abgegrenzten heißen Zonen des toroidalen Zylinders
auftreten.
-
Die entsprechenden der vier Takte
werden gleichzeitig in diametral gegenüberliegenden Kammern durchlaufen.
Das heißt,
die Betriebsabläufe
auf der einen Seite des Motors werden auf der anderen Seite des Motors
dupliziert. Diese Konstruktion führt
zu einer ausgewogenen Verteilung der Druckkräfte innerhalb der acht Arbeitskammern
des Motors.
-
Die vier starren Zonen des toroidalen
Zylinders, wie sie oben beschrieben wurden, werden durch die Positionen
gegenüberliegender
Paare von Einlaß-
und Auslaßöffnungen
definiert, und im Falle eines Motors mit Funkenzündung durch die Position des
gegenüberliegenden
Paares oder gegenüberliegender
Gruppen von Zündkerzen.
Falls dies gewünscht
wird, müssen
nicht alle möglichen
Arbeitskammern verwendet werden, sie können selektiv und/oder abwechselnd
verwendet werden, zum Beispiel, indem sie in Abhängigkeit von den Anforderungen
hinsichtlich der dem Motor entnommenen Leistung variiert werden.
-
Die Größe und die Winkelposition der
Einlaflbeziehungsweise Auslaflöffnungen
im toroidalen Zylinder steuern den Luftstrom in den Arbeitszylinder
hinein und aus diesem heraus und somit die mögliche Ausgangsleistung des
Motors. Die Länge
der Öffnungen
bestimmt die Dauer ihrer Verbindung mit jeder Arbeitskammer, während die
Winkelposition der Öffnungen
relativ zu den Arbeitskammern die zeitliche Steuerung der Öffnungen
bewirkt. Die Breite der Öffnung
steuert letztendlich den Volumendurchsatz der Luft.
-
Die Anzahl der Rotoren in jedem toroidalen
Zylinder ist gleich zwei, die Anzahl der toroidalen Zylinder kann
jedoch erhöht
werden, indem Zylinderbänke
entlang der Kurbelwellenachse gestapelt werden. Die Anzahl der Bewegungen
oder Phasen je Rotorumdrehung variiert mit der Anzahl der Kolben
an jedem Rotor. Die Anzahl der Kolben für jedes Paar von Rotoren kann
in Vielfachen von vier variieren, weil dies von der Anzahl her mit
der Anzahl der vier Takte im Verbrennungsprozefl korrespondiert.
In dem hier beschriebenen Motor gibt es vier Kolben an jedem Rotor
und folglich treten vier klar abgegrenzte Rotorschritte oder Rotorbewegungen bei
jeder Rotorumdrehung auf.
-
Wenn man die Achse des Antriebszapfens
in der Rotoranordnung so einrichtet, daß sie mit dem Teilkreisdurchmesser
des Zahnrings korrespondiert, wie dies auf 14 für
eine Drehung der Kurbelwelle von 67,5 Grad dargestellt ist, was
einem Halbtakt der Kolben entspricht, und anschlieflend in Intervallen
von 135 Grad, erreichen die Kolben an einem Rotor ihre maximale
Winkelgeschwindigkeit, während
die Kolben am anderen Rotor ihre minimale Winkelgeschwindigkeit
erreichen und faktisch stationär
sind. Diese Kolbenbewegung im toroidalen Zylinder tritt bei jeder
der beiden Rotoranordnung bei der selben relativen Position im Zylindergehäuse auf
und deshalb werden dort die funktionellen Winkelpositionen der Einlaß- und Auslaßöffnungen
gemeinsam mit den Zündkerzenpositionen
etabliert.
-
Die Umdrehungsgeschwindigkeit jeder
der beiden Rotoranordnungen verändert
sich in einer im wesentlichen sinusförmigen Bewegung von einer minimalen
Winkelgeschwindigkeit bis auf eine maximale Winkelgeschwindigkeit
und dann wieder zurück
auf die minimale Winkelgeschwindigkeit. Das Paar der Rotoranordnungen
in dem Acht-Kolben-Motor rotiert abwechselnd in 90-Grad-Phasen,
so daß die
aktiven Kolben an einer Rotoranordnung sich während einer Phase schnell durch
die entsprechenden Ansaugtakt/Verdichtungs- und Arbeits-/Abgaszonen
des toroidalen Zylinders bewegen und somit auf die gleiche Art und
Weise arbeiten wie herkömmliche
Kolben, während
die reaktiven Kolben der anderen Rotoranordnung sich langsam zwischen den
entsprechenden Ansaugtakt/Verdichtungs- und Arbeits/Abgaszonen des
toroidalen Zylinders bewegen und somit als Zylinderverschlufl in
der Art eines herkömmlichen
Zylinderkopfes arbeiten.
-
Anders als beim herkömmlichen
Motor, bei dem der Kolben beim minimalen Kammervolumen in Ruhe ist,
sind bei diesem Motor die Kolben beim minimalen Kammervolumen in
Bewegung. Die Rotordrehzahlen sind für einen kurzen Moment identisch
und gleich der mittleren Rotordrehzahl. Bei dem beschriebenen Motor ist
die mittlere Rotordrehzahl gleich einem Drittel der Kurbelwellendrehzahl
und die Drehrichtung ist umgekehrt.
-
Es treten Trägheitskräfte auf, die von den in Gegenrichtung
zu den Gasdruckkräften
wirkenden Rotoren ausgeübt
werden. Diese Trägheitskräfte rühren von
der Masse der Rotoren her, die abwechselnd beschleunigt und abgebremst
werden. Zu jedem Zeitpunkt haben die Trägheitskräfte der Rotoren jedoch die
gleiche Größe, jedoch
in entgegengesetzten Richtungen und sind aus diesem Grunde ausbalanciert.
-
Das Drehmoment des Rotors wird von
den Gasdrücken
in den Brennkammern erzeugt, die in gleicher Weise gegen die Kolbenflächen beider
Rotoranordnungen wirken. Das Nettodrehmoment des Rotors wird zu gleichen
Teilen durch die Antriebszapfen und die Lagerblöcke zu den komplementären Lagerflächen der
Gleitjoche in den Planetengliedern übertragen.
-
Die über die Antriebszapfen des
Rotors dem Joch zugeführten
Kräfte,
die das Drehmoment der Kurbelwelle erzeugen, sind stets gleich.
Die Kräfte
werden jedoch über
sich ständig
verändernde
differentielle Hebelarmlängen übertragen,
die den Antriebszapfen an der Kurbelwelle als Stützpunkt nutzen. Das heißt, der
Abstand von der Mitte des rotierenden Kurbelzapfens zur Mitte eines
jeden Antriebszapfens wird als Hebelarmlänge betrachtet, die sich während der
Drehung der Kurbelwelle ständig ändert.
-
Wenn das Gleitjoch in dem Planetenglied
rechtwinklig zur Mittellinie des Kurbelzapfens steht, dies entspricht
dem oberen Totpunkt bei einem herkömmlichen Motor, weisen die
Antriebszapfen die selbe Hebelarmlänge auf und erzeugen kein Drehmoment.
Nach dem oberen Totpunkt (Top Dead Centre (TDC)) zwingt die differentielle
Hebelarmlänge
wirkungsvoll das Planetenglied um den Kurbelzapfen zu rotieren,
wie dies auf 14 für einen
Drehwinkel der Kurbelwelle von 33,75 Grad dargestellt ist. Es ist
einleuchtend, daß die
Hebelarmlänge
des Antriebszapfens A größer als
die des Antriebszapfens B ist.
-
Das Planetenglied weist ein an einem
Ende montiertes Planetenrad auf, das im Eingriff mit einem stationären Zahnring
steht. Wenn das Planetenglied veranlaßt wird, auf dem Kurbelzapfen
zu rotieren, wobei die Zähne
in Eingriff sind, versetzt dieses wiederum die Kurbelwelle in Drehung
und erzeugt dabei ein Drehmoment an der Kurbelwelle.
-
Zum Abschluß eines jeden Arbeitstaktes
wechselt jede Rotoranordnung von ihrer aktiven zu einer reaktiven
Funktion über,
das heißt,
von der Funktion als Kolben zur Funktion eines Zylinderkopfes. In
diesem Moment geht die Zuführung
der Rotorkraft von einer Gleitjochlagerfläche zur gegenüberliegenden
Lagerfläche im
Planetenglied über.
Die am Zahnring erzeugte Rückstellkraft
wechselt ihre Richtung nicht, weil das Joch weiterhin in derselben
Richtung rotiert.
-
Das Übersetzungsverhältnis des
Planetenrades zum Zahnring wird von der Anzahl der Kolben im Motor
bestimmt. Der Teilkreisdurchmesser dieser Antriebsräder wird
vom Weg des Kurbelzapfens bestimmt. Die radiale Anbringung der Antriebszapfen
in den Rotoren und der Weg des Kurbelzapfens bestimmen den Winkelabstand
der Rotoren.
-
Öl
wird dem Motor durch die Ölpumpe
zugeführt,
die im vorderen Zylindergehäuse
montiert ist, und das Öl
fließt
nach der Verwendung über
interne Abflüsse
in die Ölwanne
zurück.
Die Zeitdauer, die das Öl braucht,
um nach einem Kaltstart die Betriebstemperatur zu erreichen, wird
verkürzt,
wenn der Ölspiegel
in der Ölwanne
im engen Kontakt mit dem unteren Kühlmantel steht. Der Anstieg
der Wassertemperatur beim Warmlaufen des Motors wird benutzt, um
durch Wärmeübertragung über den
im Kontakt mit dem Öl
stehenden Kühlmantel
die Aufheizgeschwindigkeit des Öls
zu erhöhen
und in der Folge die Öltemperatur
auf der Betriebstemperatur des Kühlwassers
zu halten.
-
Dabei ist anzumerken, daß ein inhärentes Merkmal
des Motors darin besteht, daß ein
nahezu vollständiges
Gleichgewicht erreichbar ist, wenn keine hin und her gehenden Bauteile
vorhanden sind. Die Rotoranordnungen und die Planetenglieder als
separate Bauteile sind in ihren entsprechenden Paaren statisch und dynamisch
ausgeglichen. Die Massen der Planetenglieder werden anschließend zur
Kurbelwellenanordnung addiert und dynamisch ausgeglichen durch Verwenden
der Masse des Gegengewichtes am vorderen und hinteren Teil des Motors.
-
Aus dem allgemein beschriebenen Sachverhalt
ist zu erkennen, daß ein
Motor, bei dem 16 Verbrennungsprozesse innerhalb von drei Kurbelwellenumdrehungen
ablaufen, lediglich zwei Hauptlagerzapfen, zwei Kurbelzapfenschenkellager
und zwei Rotorschenkellager erfordert, und das Potential hat, die
Lagerreibungsverluste im Vergleich zu einem entsprechenden herkömmlichen
Motor zu verringern. Darüber
hinaus laufen die Ansaug- und Verdichtungstakte in entsprechenden
Zonen des toroidalen Zylinders ab, die relativ kalt bleiben, wogegen
die Arbeits- und Auspufftakte in anderen Zonen des toroidalen Zylinders
ablaufen, die relativ heiß bleiben.
Diese physische Trennung heißer
und kalter Zonen innerhalb des toroidalen Zylinders müßte den
Wirkungsgrad der Ansaugtakt und Verdichtungsprozesse erhöhen.
-
Es ist auch zu erkennen, daß die Motoranordnung
vereinfacht wird, um die Anwendung von Verfahren der Massenproduktion
zu erleichtern, die Montage besteht zum großen Teil aus einem Stapelverfahren,
bei dem die meisten Komponenten eine nach der anderen aufeinandergelegt
werden, was weniger Befestigungselemente erfordert, um bewegliche
Komponenten örtlich
festzulegen. Die Motoranordnung kann für eine Kühlung durch Luft, Wasser oder Öl ausgelegt
werden, und die Achse ihrer Abtriebswelle kann in jedem gewünschten
Winkel, einschließlich
in der Horizontalen oder Vertikalen angeordnet werden.
-
Zusammenfassend gesagt erfolgt bei
der Viertaktversion dieses Motors mit acht Kolben die Zündung bei
einem minimalen Arbeitskammervolumen (V/min) in zwei diametral gegenüberliegenden
Arbeitskammern, nachdem ein zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch
zwischen vier der acht Kolben, die in dem toroidalen Zylinder arbeiten,
verdichtet wurde. Der schnelle Anstieg des Gasdrucks in den Arbeitskammern übt eine
Kraft auf den toroidalen Zylinder, die Außenseite der aneinander gelagerten
Rotoren und die Kolbenflächen
aus, welche die voreilenden oder aktiven Kolben und den Rotor beschleunigt,
wobei gleichzeitig die nacheilenden oder reaktiven Kolben und Rotoren
abgebremst werden.
-
Wenn man auf das vordere Ende des
Motors blickt, rotieren beide Rotoranordnungen in einer Richtung entgegen
dem Uhrzeigersinn, während
die Kurbelwelle sich im Uhrzeigersinn dreht. Die zwei Antriebszapfen, die
in den entsprechenden Rotoranordnungen montiert sind, üben gleich
große,
entgegengesetzte Kräfte
auf die Antriebsjoche aus, über
ihre Gleitlagerflächen
an den gegenüberliegenden
Enden des Kurbelzapfens. Wenn die Gleitlagerflächen rechtwinklig zu der Ebene
stehen, in der die Achsen von Kurbelzapfen und Kurbelwelle liegen,
haben die Antriebszapfen den gleichen Abstand vom Kurbelzapfen und
versetzen das Antriebsjoch nicht in Rotation. In anderen Stellungen
relativ zur Kurbelwelle ist der Abstand zwischen dem Kurbelzapfen
und den gegenüberliegenden
Antriebszapfen jedoch ungleich und ein Drehmoment resultiert, welches
das Planetenglied veranlaßt,
um die Kurbelwelle zu rotieren. Weil jedes Antriebsjoch mit einem Planetenrad
rotiert, das ständig
mit einem stationären
Zahnring im Eingriff ist, erzeugt dieses resultierende Drehmoment
ein Drehmoment an der Kurbelwelle.
-
Die internen Kraftwege des Motors,
die das Ausgangsdrehmoment an der Kurbelwelle ergeben, sind in dem
Flußdiagramm
auf der nachfolgenden Seite angegeben.
-
Obwohl der oben beschriebene Motor
als im höchsten
Maße geeignet
für die
Aufnahme der an seinen Bauteilen zu erwartenden Belastungen gelten
kann, kann es Momente geben, in denen eine höhere Drehzahl der Kurbelwelle
erforderlich ist. Unter solchen Umständen würde zum Beispiel ein ähnlicher
Motor, dessen Planetenräder
extern in Eingriff mit einem Sonnenrad sind, einen Motor zur Verfügung stellen,
dessen Kurbelwelle mit der fünffachen
Drehzahl der Rotoranordnungen rotiert.
-
Es ist einleuchtend, daß der oben
beschriebene Sachverhalt nur als anschauliches Beispiel der Erfindung
angegeben wurde und sämtliche
für den
Fachmann offensichtlichen Modifikationen und Abwandlungen in den
Rahmen und Geltungsbereich der Erfindung fallen, wie er in den nachfolgenden
Ansprüchen
definiert ist.
-
